炸药造型颗粒通常是压制类高聚物粘结炸药(PBX)的基本颗粒单元，一般通过水悬浮法造粒成型，造粒结构与质量的一致性将直接影响压制成型PBX的质量与性能。TATB是目前安全性能最好的钝感炸药，以TATB为基制成的PBX更是得到了广泛应用，但TATB造粒结构特征还未完全认识，这主要是由于仅仅依赖于非破坏性光学方法分析暴露在表面的特征和破坏性切片方法扫描电镜(SEM)二维观察样品内部的特征。因此，高精度、无损观察与评价造型颗粒结构特征可对造粒工艺水平提升具有科学指导作用，对控制PBX精密性能也具有重要工程意义。本研究利用高分辨X射线层析成像(High Resolution X-ray Computed Tomography, HRXCT)技术无损观察TATB造型颗粒内部微结构特征。

采用中国工程物理研究院化工材料研究所TATB粉末晶体(＜20 μm)，配一定比例粘结剂(F₂₃₁₄)经水悬浮法造粒工艺，呈颗粒状，颗粒直径约为2.4~2.7 mm，造型颗粒置于样品架并固定在HRXCT旋转与平移平台上，处于平板探测器与X射线管之间(成像放大倍率为32.5)，HRXCT扫描时X射线管发射出一锥束多色X射线(管电压100 kV，管电流120 μA，分辨体元为12 μm)，TATB造型颗粒在旋转平台上每转一微小角度就得到一幅基于X射线吸收的射线图像(如图 1示意)，最后TATB造型颗粒的三维结构图像就由这几百直至几千幅的射线图像重建得到。

图 1(Fig. 1)

图 1 高分辨锥束x射线CT扫描示意 Fig.1 HRXCT experimental set-up

图 2给出了随机抽样的5粒TATB造型颗粒的三维CT重建图及CT扫描的轴向与径向切片图。从图 2的结果可明显看出：(1)不同颗粒内部存在不同的涡旋特征，即单个大的涡旋，两个较小的涡旋以及多个更小的涡旋。这些涡旋可能与造粒工艺中粘性液体的搅拌湍流及在湍流中的位置密切相关。(2)不同颗粒共同的结构特点是内部相对松散且有孔隙，均匀性较差，但靠近颗粒表面有一致密包覆层，颗粒表面有一相对高密度的薄层。致密包覆层厚度有差异，单个涡旋及双涡旋结构的致密包覆层厚度较厚，多涡旋结构的致密包覆层厚度较薄。整个颗粒呈现“涡旋核-致密外壳”结构特征(Vortex-cores & dense-crusts structure)。颗粒致密包覆层形成及厚薄可能是凝结过程湍流中的颗粒间摩擦差异所致，高密度薄层则可能是造型颗粒凝结后的粘结剂直接包覆所致。

图 2(Fig. 2)

图 2 TATB造型颗粒CT三维重建及CT切片图 Fig.2 3D-reconstruction of TATB based granules and CT slice

涡旋结构及整体结构描述见表 1。其中，单涡旋与双涡旋的结构尺度约为0.5~0.8 mm，多涡旋的结构尺度约为0.2~0.3 mm。

表 1(Tab. 1)

表 1 TATB造型颗粒特征 Tab. 1 Characteristics of TATB based granules No. characteristics of vortex characteristics of the overall granule 1 single-vortex single-core & crust structure 2 multi-vortex multi-core & crust structure 3 double-vortex double-core & crust structure 4 single-vortex single-core & crust structure 5 multi-vortex multi-core & crust structure

表 1 TATB造型颗粒特征 Tab.1 Characteristics of TATB based granules

表 2随机给出了5个颗粒的致密层与内部较松散区的典型部位的CT值，分析面积0.03 mm²。从数据结果可以看出，分析区的致密包覆层CT值明显比内部较松散部位的CT值大。根据CT灰度相对比法^[1-4]，计算得到致密包覆层与内部较松散区的总体密度比约为1.2。

表 2(Tab. 2)

表 2 TATB造型颗粒内部典型部位CT均值 Tab. 2 Analysis of mean CT grey of TATB based granules position dense area loosened area axial radial axial radial 1 17757 17972 16682 16624 2 - - 16482 16800 3 17602 17875 16440 16644 4 17861 17575 16969 16447 5 - - 16198 16307 air 12237 Note: 1) 1, 2, 3, 4, 5 is granule number. 2) Non-analysis for position 2 and 5 granules due to thin thickness.

表 2 TATB造型颗粒内部典型部位CT均值 Tab.2 Analysis of mean CT grey of TATB based granules

本研究用HRXCT技术无损观察到颗粒内部的涡旋特征，这与粘性流体湍流基本特征^[5-7](小旋涡、大旋涡、耗散涡以及边界层流动分离的对称双旋涡等)非常吻合，说明可利用HRXCT从微结构特征非破坏性解析角度为炸药造粒工艺的湍流问题研究提供一种新方法或验证技术。

研究不仅得到了TATB造型颗粒微结构特征，而且呈现的内部涡旋结构形态与造粒工艺中搅拌液体的粘性湍流密切关联，实现了对炸药造粒微结构认识的新进展，为后续TATB造型颗粒压制成型结构研究提供了基础。