高聚物粘结炸药(polymer bonded explosive, PBX)损伤问题主要是其宏观裂纹出现前微裂纹、微孔洞等的发生与发展问题, 初始损伤(尤其微裂纹)是温压成型PBX的普遍性现象, 主要形式为炸药晶体微裂、炸药晶体与粘结剂的微裂隙以及微孔洞等^[1-5], 一般由粘结剂约束在压实的颗粒内部。PBX损伤观察与表征的传统方法是通过光学显微镜和扫描电镜(SEM)观察断/剖面微区来实现^[1-5], 虽可高精度观察与定量微米量级损伤, 但对PBX三维空间结构认识则存在很大困难。

PBX存在低载荷开裂异常现象, 该问题会对其服役有着严重影响。研究表明微损伤(微裂纹、微孔洞)一般会使PBX力学性能降低^[6-7], 该尺度及以下的初始损伤不应是导致低载荷开裂异常现象的主要原因, 更可能的主要原因之一是初始细观损伤(更接近于宏观裂纹的百微米量级初始细小裂纹和数量较多的残余孔隙), 因此, 如能无损观察到并定量出PBX内部存在的初始细观损伤, 则有可能为研究其低载荷开裂机制奠定重要基础。

TATB造粒结构具有复杂性、多样性^[8], 其温压成型PBX初始损伤及发展研究将是今后一段时期内重要基础性问题。本研究主要利用X射线微层析成像(X-ray microtomography, X-μCT)技术研究TATB造型颗粒经单、双向钢模温压和软模温等静压成形(uni/bi-directional warm die compaction and isostatic warm soft compaction, UWDC/BWDC/IWSC)PBX三维微细结构特征, 对比分析其初始细观损伤及形式, 为不同温压成形PBX热力承载内变形与断裂机制研究提供基础。

TATB粉末晶体(中国工程物理研究院化工材料研究所)经水悬浮法造粒呈颗粒状(即TATB造型颗粒, TATB granules), TATB造型颗粒直径在1~3 mm范围, 外观如图 1a所示。造粒后同批TATB造型颗粒经单、双向钢模温压和软模温等静压成型, 示意图如图 1b、图 1c、图 1d所示。单、双向钢模内径和软模内径均为Φ40 mm, 成形温度与成形压力均为85 ℃和90 MPa。成形样品尺寸分别为Φ40 mm×50 mm、Φ40 mm×50 mm和Φ31 mm×130 mm。其中, 双向钢模温压下端有支撑弹簧。

图 1(Fig. 1)

图 1 TATB造型颗粒及成型方式 Fig.1 Schematic diagram of modeling granules of TATB and forming ways

样品在室温中放置较长时间充分释放残余应力后进行X-μCT扫描成像(其中, 考虑等静压力特征, 其成形样品仅扫描一半高), 扫描装置与文献[9]相同, 主要条件为管电压80 kV, 管电流480 μA, 0.5 mm Cu片滤射线, 探测器采集时间2000 ms, 样品分辨体元均为58 μm。

图 2、图 3、图 4a给出了温压PBX样品CT三维图, 分析全三维CT切片可发现:软模温等静压成形样品未发现细小裂纹、也未发现残余孔隙(图 2); 单向钢模温压样品中部存在初始细小裂纹(图 3), 典型特征为线/面型缝隙且穿透致密接触颗粒; 双向钢模温压样品支撑面至压制端(Slice number: 69~700)存在初始残余孔隙(颗粒间孔隙, 图 4a), 典型特征为体积型空隙残留在未致密接触的颗粒间, 孔隙的径向当量直径范围为370~1340 μm, 孔隙个数由支撑端向压制端呈减小趋势(图 4b)。结果说明该单向温压试验中90 MPa载荷压力会产生局部应力集中, 而双向温压试验中90 MPa载荷压力会导致局部应力不足以使颗粒致密而残留孔隙, 其主要原因可能来自支撑弹簧的压力损耗。

图 2(Fig. 2)

图 2 用IWSC成形的PBX的三维结构 Fig.2 3D structure of PBX pressed by IWSC

图 3(Fig. 3)

图 3 用UWDC成形的PBX的初始微细裂纹 Fig.3 Initial fine crack of PBX pressed by UWDC

图 4(Fig. 4)

图 4 用BWDC成形的PBX的残余孔隙 Fig.4 Initial residual pores in the PBX pressed by BWDC

表 1列出利用X-μCT得出的TATB造型颗粒经三种温压成形后样品的初始损伤对比情况, 结果说明在相同的成形温度、成形压力下(85 ℃、90 MPa), TATB造型颗粒单、双向温压存在初始细小裂纹或残余孔隙, 而软模温等静压则同时避免初始细小裂纹和残余孔隙。

表 1(Tab. 1)

表 1 用UWDC, BWDC和IWSC成型的PBX的初始损伤 Tab. 1 Initial damage of PBX pressed by UWDC, BWDC and IWSC Initialmesoscopic damage UWDC BWDC IWSC residual pores(equivalent diameter)/μm - 370~1340 - fine crack(width×length)/μm 150×1300 - -

表 1 用UWDC, BWDC和IWSC成型的PBX的初始损伤 Tab.1 Initial damage of PBX pressed by UWDC, BWDC and IWSC

利用X-μCT无损观察到单、双向压的PBX内部存在细小裂纹与残余孔隙, 尺度在百微米到毫米量级范围, 该现象对模压PBX低载荷开裂问题研究具有重要意义。

在相同的成形温度和成形压力(85 ℃、90 MPa)下, TATB造型颗粒单、双向温压存在初始细观损伤, 而软模温等静压则避免初始细观损伤。