2. 中国工程物理研究院核物理与化学研究所, 四川 绵阳 621999
2. Institute of Nuclear Science and Technology, CAEP, Mianyang 621999, China
1, 3, 5-三氨基-2, 4, 6三硝基苯(TATB)是一种高能钝感炸药，因其与高分子粘结剂通过一定工艺压制成型的高聚物粘结炸药(polymer bonded explosive, PBX)具有能量高、感度低、易机械加工等优良的综合性能，目前已被广泛应用于各种尖端和常规武器中。如美国劳伦斯利氟莫尔国家实验室(LLNL)和洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)分别开发了以TATB为基的主炸药配方LX-17和PBX-9502，并已用于美国核武器装备中[1]。但由于TATB晶体结构不对称，在温度升高条件下，将发生各向异性膨胀，使成型高聚物粘结炸药尺寸长大、密度降低。因此，国内外对以TATB为基的PBX的热膨胀性能非常关注并开展了许多研究工作。如LLNL的Kolb等[2-3]对TATB成型PBX的热膨胀性能进行了详细研究，指出所有TATB/Kel-F800炸药体系都会在-54~74 ℃的热循环中发生1.5%~2.0%的不可逆长大，且TATB晶体的二级力学松弛使其热膨胀系数(CTE)上升。LANL的Cary等[4]对非全等静压成型PBX9502半球不同方向取样试件热膨胀性能进行了测试，结果表明，沿半球径向方向的热膨胀量比其沿半球表面切向方向的热膨胀量增大16%~19%。李玉斌等[5]为了改善以TATB为基的PBX的热膨胀性能，对TATB粒子尺寸、高聚物的动态力学性能与TATB基复合材料的热膨胀间的关系也进行了研究。结果表明，PBX中粘结剂对TATB粒子约束力越强，其线膨胀系数越小。另外，孙杰等[6]在对PBX变形及残余应力形成机理研究中发现，TATB基PBX药柱热膨胀系数随TATB晶体取向增大而增大。
TATB基PBX作为武器中的重要装药，其尺寸稳定性将影响整个装药结构的稳定性，与武器安全具有很大的关系。为了掌握该PBX件在长期贮存中受热老化及辐照老化后的尺寸稳定性变化情况，本工作通过不同的高温加速老化实验和辐照实验，采用热膨胀仪对该PBX经热及辐照老化试验后的热膨胀性能变化进行了研究。
2 实验部分 2.1 样品样品先由PBX造型粉经等静压成型为Φ270 mm×95 mm的药饼毛坯，该毛坯再经一定高温时效处理一定时间后加工成尺寸规格为Φ6 mm×50 mm的小药柱，取初始密度相同的小药柱作为本研究用样品。
2.2 仪器及试验方法热膨胀系数测试采用德国耐驰公司生产的NETZSCH/DIL402C型热膨胀系数测定仪测试。仪器适用温度范围: -160 ~ 2400 ℃，仪器分辨率为10 nm, 0.05 ℃，测试准确度为0.03×10-6K-1。温度设置范围为-45 ~90 ℃，升降温速率为1 ℃·min-1。
高温加速老化实验以模拟PBX在长时贮存过程中受热环境影响，采用型号为AHX-863的油浴烘箱，在温度分别为55、65℃和75℃条件下进行加速老化实验。
γ辐照实验将试件放置在防爆罐中，采用单板钴源辐照装置，总剂量分别为42.0Gy(Si)、85.2Gy(Si)和126Gy(Si)，辐照时间由总剂量及试样放置位置处测得剂量率确定。中子辐照实验采用小中子源，中子注量率为3.31×103n/(s·cm2)、辐照时间52 d。
3 结果与讨论 3.1 热老化对PBX热膨胀性影响样品在55, 65 ℃和75 ℃加速老化不同时间后测得热膨胀率随温度变化曲线如图 1所示。
|
图 1 PBX试样经不同温度加速老化不同时间后热膨胀率曲线 Fig.1 Thermal expansion rate curves of the PBX samples after accelerated aging for different time at different temperature |
从图 1可以看出，在低温阶段(55 ℃)，加速老化不同时间后，PBX试样尺寸变化量无明显变化，但随老化温度的升高(65 ℃，75 ℃)，PBX试样尺寸变化量出现了一定下降。同时，在热膨胀性能测试前，对经高温加速老化试验后的PBX轴向尺寸进行了测试，结果表明，不同高温下加速老化后的PBX试件轴向尺寸均出现了不同程度的增长。这说明，在高温加速老化试验过程中，该PBX出现了不可逆长大。因此，分析认为，该PBX在高温热膨胀性能测试中出现热膨胀率下降的原因与其在老化过程中尺寸长大产生的孔隙有关。因为在高温阶段，孔隙中空气的膨胀量小于该PBX炸药[7-8]。
为了进一步获得该PBX经高温老化后的热膨胀系数，采用“函数求导法”，先对PBX在不同高温下老化60 d后的热膨胀率曲线进行公式(1)所示的二次函数拟合。表 1为各热膨胀率曲线二次函数拟合结果，图 2为各热膨胀率曲线及其拟合曲线。
| $ {\rm{d}}L/{\rm{d}}{L_0} = A + BT + C{T^2} $ | (1) |
|
表 1 热膨胀率曲线二次函数拟合结果 Tab.1 Quadratic function fitting results of thermal expansion rate curves |
|
图 2 不同温度老化60天后PBX的热膨胀率曲线及其拟合曲线 Fig.2 Thermal expansion rate curves and its fitting curves of the PBX after aging for 60d at different temperature |
式中，L0为该炸药柱在室温(22±2) ℃的初始尺寸，mm; dL为该炸药柱在温度升高ΔT范围内的尺寸变化量，mm; T为温度，℃; A、B、C均为待定参数。
从表 1可以看出，采用公式(1)拟合出的相关系数R2接近1，且其拟合标准偏差SD均很小。这说明，采用公式(1)能有效表征该PBX在各状态下的热膨胀率曲线。
根据线膨胀系数的定义:
| $ \bar \alpha = \frac{{L-{L_0}}}{{{L_0}\left( {T-{T_0}} \right)}} = \frac{{{\rm{d}}L}}{{{L_0}{\rm{d}}T}} = \frac{1}{{{L_0}}}\frac{{{\rm{d}}L}}{{{\rm{d}}T}} $ | (2) |
式中，α为该炸药在温度为dT范围内的平均线膨胀系数，K-1; L0为该炸药柱在室温(22±2) ℃测得的初始尺寸，mm; dL为该炸药在温度升高ΔT范围内的尺寸变化量，mm。
对公式(2)两边进行温度T求导，得PBX热膨胀系数函数:
| $ \alpha = B + 2CT $ | (3) |
图 3是由公式(3)和表 1中拟合参数结果获得的PBX经不同高温老化60 d后在(-30 ~90 ℃)的热膨胀系数随温度变化曲线。
|
图 3 不同状态PBX的热膨胀系数随温度的变化曲线 Fig.3 The curves of thermal expansion coefficients of the PBX in different temperature |
从图 3可以看出，该TATB基PBX经不同高温老化后，其热膨胀系数均出现了下降，且老化温度越高，经相同时间老化后其热膨胀系数越小。这说明，热老化对该PBX热膨胀性能具有一定的影响。分析认为，这主要是由于该TATB基PBX试件经高温热老化后内部孔隙出现了长大的缘故[7-8]。
2.2 辐照对PBX热膨胀性能的影响 2.2.1 γ辐照对PBX热膨胀性能的影响表 2是γ辐照实验的实验条件。图 4是PBX经不同γ辐照条件辐照实验后在升温过程热膨胀率随温度变化曲线。
|
|
表 2 模拟γ辐照实验的条件 Tab.2 The conditions of simulating γ irradiation test |
|
图 4 经γ辐照试验后PBX的热膨胀率曲线 Fig.4 Thermal expansion rate curves of the PBX after γ irradiation test |
从图 4可以看出，PBX经不同时间及不同总剂量γ辐照试验后，其热膨胀率随温度变化曲线与未经辐照试样相比无明显变化。这说明，该γ辐照实验对该PBX热膨胀性能无显著影响。
2.2.2 中子辐照对PBX热膨胀性能的影响图 5是该PBX先经中子辐照再经表 1中3#样品的γ辐照条件后测得的热膨胀率随温度变化曲线。
|
图 5 经中子及γ辐照试验后PBX的热膨胀率曲线 Fig.5 Thermal expansion rate curves of the PBX after neutron and γ irradiation test |
从图 5可以看出，该PBX先经中子辐照再经γ辐照试验后的热膨胀率曲线与未经辐照试样相比无明显变化。这说明，该中子辐照对该PBX热膨胀性能也无显著影响。
3 结论对TATB基PBX经高温老化及辐照环境试验后的热膨胀性进行了研究，结果表明:经高温55 ℃、65 ℃和75 ℃老化60 d后，该TATB基PBX热膨胀系数出现了下降，且热老化温度越高，热膨胀系数越小，但经一定条件下的γ及中子辐照环境试验后，其热膨胀性能无明显变化。
| [1] |
Brigitta M Dobratz. The insensitive high explosive Triaminotrinitrobenzene(TATB): Development and characterization-1888 to 1994[R]. DE95016705. 1995.
|
| [2] |
Kolb J R, Rizzo H F. Growth of 1, 3, 5-triamino-2, 4, 6-trinitrobenzene(TATB).Ⅰ.Anisotropic thermal expansion of TATB[J].
Propellants and Explosives, 1979(4): 11-16. |
| [3] |
Kolb J R, Rizzo H F. Growth of 1, 3, 5-triamino-2, 4, 6-trinitrobenzene(TATB).Ⅱ.Control of growth by use of high Tg polymeric binder[J].
Propellants and Explosives, 1987(6): 27-36. |
| [4] |
Cary B S, Thomas A B, Cynthia W S. The elusive coefficients of thermal expansion in PBX9502. LA-14003[R].
|
| [5] |
李玉斌, 沈明, 李敬明. TATB颗粒填充高聚物材料的热膨胀特性[J].
含能材料, 2003, 11(1): 24-27. LI Yu-bin, SHEN Ming, LI Jing-ming. Thermal expansion of TATB-filled polymeric material[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2003, 11(1): 24-27. |
| [6] |
孙杰, 张浩斌, 温茂萍, 等. 模压TATB基PBX炸药件晶体取向对膨胀特性的影响[J].
含能材料, 2012, 20(5): 545-550. SUN Jie, ZHANG Hao-bin, WEN Mao-ping, et al. Influence of crystal preferren orientation on thermal expansion of die pressed TATB based PBXs[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2012, 20(5): 545-550. |
| [7] |
李敬明, 温茂萍, 黄毅民. 热循环对TATB基高聚物粘结炸药的性能影响研究[J].
含能材料, 2005, 13(4): 208-210. LI Jing-ming, WEN Mao-ping, HUANG Yi-min. Effect of the thermal cycling test on the properties of TATB based PBX[J]. Chinese Journal of Energetic Materials(Hanneng Cailiao), 2005, 13(4): 208-210. |
| [8] |
王振廷, 李长青.
材料物理性能[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2011: 123-124.
|
The thermal expansion property of TATB based polymer bonded explosive(PBX) was studyed by high temperature accelerated aging test, γ and neutron irradiation test.