2. 海军装备部驻重庆地区军事代表局，重庆 400042
2. Military Representive Office of Naval Equipment Department in Chong Qing, Chong Qing 400042, China
1, 3, 5-三氨基-2, 4, 6三硝基苯(TATB)是一种钝感炸药，机械感度和热感度较低，具有良好的安全性和稳定性[1]。TATB在温度到达其熔点前才开始升华/分解，温度约为250 ℃; 而在200 ℃以下，TATB在一定时间内非常稳定，没有任何分解的迹象[2]。同时，因TATB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等，被广泛应用于各种尖端和常规武器中。但由于TATB晶体结构的不对称，在一定温度下，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，一些研究人员也对TATB基高聚物粘结炸药的相关性能开展了研究。如黄奕刚等[3]对TATB基PBX在低温下的老化性能研究表明，PBX炸药经低温贮存后分子结构没有发生改变，热稳定性较好。李敬明等[4]采用温度循环试验，对TATB基高聚物粘结炸药在温度冲击过程中的性能变化进行了研究，结果表明，TATB基高聚物粘剂炸药经热循环后尺寸出现了长大，随着循环次数的增加，其尺寸长大的速率明显放缓，且由于TATB基与粘结剂界面脱粘，PBX模量、强度和蠕变性能在循环后也出现了一定程度的下降，但经热循环11轮和20轮后的爆速却无明显变化。韦兴文等[5]采用高温加速老化试验，对TATB基高聚物粘结炸药经热老化后的力学性能进行了研究，结果表明，长期高温贮存后，TATB基高聚物粘结炸药晶体与粘结剂仍具有良好的粘合界面，其模量、破坏强度、破坏应变和稳定蠕变速率等力学性能均未发生明显的变化。这些工作的共同特点均是在室温环境条件下研究TATB基高聚物粘结炸药的性能。然而在实际使用过程中，因受外部环境的影响，炸药温度会升高，其在作用(或响应)时的温度状态已发生了改变，处于一定的高温。因此，为了掌握TATB基高聚物粘结炸药在高温环境下的性能变化情况及其在高温环境下的适应性，本论文对某TATB基高聚物粘结炸药在高温下的力学性能进行了研究。
2 实验部分 2.1 样品压缩试验和拉伸试验用TATB基PBX样品尺寸规格分别为Φ20 mm×20 mm药柱和Φ25 mm×65 mm哑铃。除蠕变试验样品为每组3发外，其余样品均为每组5发。
泊松比试验TATB基PBX样品尺寸规格为25 mm×25 mm×60 mm药柱，每组样品5发。
2.2 仪器及试验方法拉伸及压缩应力应变性能测试采用带有温控箱的INSTRON-5582电子万能材料试验机，分别参照GJB772A-1997方法(417.1和418.1)《拉伸应力-应变曲线电子引伸计法》和《压缩应力-应变曲线电子引伸计法》标准执行，横梁速度为0.5 mm·min-1。
拉伸及压缩蠕变性能测试采用带有温控箱的INSTRON-8862电子万能材料试验机，参照GJB772A-1997方法(419.1和420.1)《拉伸蠕变电子引伸计法》和《压缩蠕变电子引伸计法》标准执行，横梁速度为0.5 mm·min-1。
泊松比测试采用带有温控箱的INSTRON-5582电子万能材料试验机，参照GJB772A-1997方法(414.1)《泊松比电阻应变仪法》标准执行。动态力学性能采用DMA-Q800动态热机械分析仪，参照GB/T9870.1-2006《硫化橡胶或热塑性橡胶动态性能的测定》测试。
表面形貌采用中科科仪公司KYKY-2800B扫描电子显微镜进行观测。
3 结果与讨论 3.1 高温拉伸及压缩应力应变性能表 1、表 2分别为TATB基高聚物粘结炸药在室温20 ℃及高温55~70 ℃每隔5 ℃状态下的拉伸及压缩应力应变性能结果。由表 1、表 2可以看出，在高温状态下，除破坏应变无显著性规律外，该高聚物粘结炸药的拉伸强度、压缩强度及拉伸模量、压缩模量均随温度升高而降低。这说明，该高聚物粘结炸药所处的温度状态对其拉伸及压缩强度、模量具有很大的影响。
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表 1 不同温度下PBX拉伸力学试验结果 Tab.1 Results of tensile test at different temperatures |
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表 2 不同温度下PBX压缩力学试验结果 Tab.2 Results of compression test at different temperatures |
图 1为采用DMA-Q800动态热机械分析仪测得的该高聚物粘结炸药用粘结剂在加载频率为1 Hz、不同温度范围的温度谱图。从图 1可以看出，在加载频率为1 Hz条件下，该高聚物粘结炸药所用粘结剂的玻璃化转变温度较低。而对于高聚物粘结炸药，在配方已经确定的前提下，炸药颗粒与粘结剂两相间的界面结合状况是影响PBX炸药力学性能的关键因素。因此，该高聚物粘结炸药在高温下拉伸及压缩强度下降的原因主要是其粘结剂玻璃化温度较低，随着温度升高，粘结剂软化，降低了对炸药颗粒的“粘合力”，从而导致其力学性能随温度升高而下降。
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图 1 高聚物粘结剂DMA曲线 Fig.1 DMA curves of PBX binder |
表 3为该高聚物粘结炸药在不同温度下的泊松比测试结果。从表 3可以看出，无论是在室温状态还是高温状态下，该高聚物粘结炸药沿横向方向和纵向方向的变形比值都是相当的。这说明，该高聚物粘结炸药横向应变和纵向应变受温度影响是一致的。
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表 3 不同温度下PBX泊松比 Tab.3 Poisson ration of PBX at different temperatures |
图 2为该高聚物粘结炸药在不同高温、恒定应力分别为5, 10, 12 MPa下的压缩蠕变曲线。表 4为试验件在不同温度及压缩应力下的蠕变速率。
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图 2 不同温度、恒定应力下的蠕变曲线 Fig.2 Compression creep curves of TATB based PBX at different temperatures under different stresses |
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表 4 不同温度及应力下的压缩蠕变速率 Tab.4 The compression creep rates of TATB based PBX at different temperatures under different stresses |
从图 2中的蠕变曲线及表 4中蠕变速率可以看出，在相同压缩应力(或相同温度)条件下，温度(或应力)越高，该PBX发生蠕变的蠕变速率越大，在70 ℃/10 MPa和60 ℃/12 MPa条件下，均在很短的时间内出现了蠕变破坏。这说明，该高聚物粘结炸药在高温下存在明显的蠕变现象，且温度越高，蠕变速率越大，抗蠕变破坏时间越短。
图 3为该TATB基PBX在50, 60, 70 ℃、拉伸应力为3 MPa条件下的拉伸蠕变曲线。从图 3可以看出，该高聚物粘结炸药在50 ℃/3 MPa下，很快就发生了蠕变破坏，在蠕变曲线上，可以明显地观察到加载时的瞬时弹性应变以及稳态蠕变和加速蠕变阶段，而在60 ℃和70 ℃状态下，蠕变曲线上没有出现稳态蠕变阶段，在应力加载几分钟就出现了破坏。
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图 3 不同温度、恒定应力3 MPa下的拉伸蠕变曲线 Fig.3 Tensile creep curves of PBX at different temperatures under 3 MPa stress |
陈鹏万[6]等指出，PBX在压缩载荷作用下，炸药晶体将起主要作用，而在拉伸载荷作用下，粘结剂与炸药的界面将起决定作用。因此，为了更进一步分析该TATB基高聚物粘结炸药在高温应力下发生蠕变破坏原因，对该TATB基高聚物粘接炸药在高温50 ℃、60 ℃及70 ℃、恒定应力为3 MPa下发生蠕变破坏断面形貌进行了观察，结果见图 4。
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图 4 不同温度、恒定应力3 MPa下的蠕变破坏断裂形貌 Fig.4 SEM photograph of PBX tensile failure section at different temperatures at 3 MPa |
由图 4可见，在高温70 ℃、拉伸应力为3 MPa条件下，该TATB基高聚物粘结炸药断面形貌主要表现出炸药颗粒完全从粘结剂中拔出; 而在高温50 ℃和60 ℃、拉伸应力为3 MPa下，断面形貌除了表现为炸药颗粒从粘结剂中拔出外，还表现为TATB基颗粒被拉断。分析认为，随着温度升高，粘结剂软化，其与炸药颗粒间作用力下降，从而导致该PBX炸药在高温下的抗拉能力减弱。
4 结论对TATB基高聚物粘结炸药高温力学性能研究的结果表明：在高温下，因该TATB基高聚物粘结炸药粘结剂软化，炸药颗粒与粘结剂间界面作用减弱，其拉伸强度、压缩强度以及抗拉及抗压蠕变性能均随温度升高而降低，并在拉伸蠕变中，其断面失效模式表现为炸药颗粒断裂、炸药颗粒与粘结剂脱粘，且温度越高，炸药颗粒与粘结剂脱粘现象越明显。但是，无论在室温状态还是高温状态，该高聚物粘结炸药泊松比随温度升高却无明显变化。
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The mechanical properties of TATB based polymer bonded explosive(PBX) were tested at high temperature, and the morphology of rapture section was observed by scanning electric microscopy(SEM).