2. 北京理工大学机电学院，北京 100081
2. School of Mechano-Electronics, Beijing Insititute of Technology, Beijing 100081, China
目前，侵彻弹药是打击加固和地下深埋目标的有效手段之一。近年来，对攻击地面加固目标、地下设施等硬目标的侵彻装药要求日益提高，其安全性模拟研究显得尤为重要。在武器侵彻过程中，炸药的作用环境十分复杂, 受到压缩、剪切、摩擦等综合作用，长脉冲载荷是显著特征，其经受的冲击过载持续时间达到毫秒量级以上、炸药内部的应力波峰值可达几百兆帕[1]，已建立的如撞击、摩擦、静电、热等标准试验方法[2-4]，均难以有效地模拟表征武器侵彻过程中炸药受到的复合作用特点。
针对撞击(即压缩作用)、剪切等刺激作用的不同特点，国内先后建立了模拟撞击药片的落锤撞击试验[5]、剪切试验[6]，以及针对炸药柱撞击的Steven试验[7]、模拟跌落试验[8]。陈鹏万等[9]采用低速气炮进行撞击加载，以模拟撞击压缩状态下低强度长脉冲载荷的作用，压力峰值约600 MPa，脉宽约1.5 ms。针对二者的复合作用，国外Chabin等人[1, 10]研究了炸药受到压剪程度与炸药对应的反应程度间的关系，对几种炸药(B2211D，PBXN109，B2238)进行了不同程度的试验，结果表明大部分样品受到压缩剪切作用，持续时间1~2 ms，压力峰值约500 MPa，部分样品可观测到局部的化学反应。国内主要采用Hopkinson压杆[11]加载实现压缩剪切的复合作用，以获得炸药材料的力学性能，但难以观测炸药点火以及后续的反应程度。为分析侵彻过程中炸药的安定性问题，掌握炸药的压缩剪切作用响应特性就非常必要。
本研究主要通过压缩剪切作用试验，研究了两种PBX(PBX-932和PBX-C43)在压缩剪切作用下的响应特性，分析了炸药压剪变形程度与受力以及反应程度的关系。
2 试验 2.1 材料PBX-932和PBX-C43药柱(两种炸药配方基本相近)，尺寸均为Ф20 mm×40 mm，密度分别约1.76 g·cm-3和1.80 g·cm-3，样品质量分别为22.1 g和22.6 g，中国工程物理研究院化工材料研究所提供。
主要测试：采用MEMRECAM GX-1高速录像机，拍摄撞击过程，测试撞击速度，观测炸药点火反应情况; 用冲击波超压测试系统(冲击波超压传感器、YE6600电荷放大器以及泰克示波器)测量炸药反应超压; 通过压电式压力传感器，测试压缩剪切试验过程中压力变化情况。
2.2 压缩剪切试验装置与试验原理参考Chabin等[10]建立的试验方法，设计了压缩剪切试验，其装置示意图如图 1所示。压缩剪切试验装置主要由活塞、钢制外壳、聚四氟乙烯套、底座等组成。利用文献[12]建立的发射装置(火药加速方式，通过调节火药的药量来控制射弹撞击速度)对射弹进行加载，其实物装配如图 2所示。
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图 1 压缩剪切试验示意图 1—射弹, 2—活塞, 3—钢制外壳, 4—聚四氟乙烯套, 5—炸药, 6—底座, 7—压力传感器 Fig.1 Configuration of compression and shear test 1－projectile, 2－piston, 3－steel shell, 4－teflon cover, 5－explosive, 6－pedestal, 7－pressure gauge |
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图 2 压缩剪切试验实物装配照片 Fig.2 Assembly photograph of compression/shear test apparatus |
将Φ20 mm×40 mm炸药柱放进7 mm壁厚的聚四氟乙烯(PTFE) “哑铃”状圆筒中(如图 3所示)，聚四氟乙烯套能传递射弹撞击的压力，还可以消除与炸药的摩擦，其外侧留有空隙。活塞受到射弹撞击，压缩含有炸药柱的聚四氟乙烯套，在空隙存在前主要体现压缩过程，随后聚四氟乙烯套外侧接触钢制外壳，径向变形受到限制，炸药内产生压缩剪切综合作用，用底部的压力传感器可以测试压力变化过程，研究变形与压力的关系。观察回收样品的变形程度、反应状况，分析不同撞击速度等压缩剪切作用下炸药的反应情况。
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图 3 压缩剪切试验中样品装配照片 Fig.3 Assembly photograph for explosive sample in compression and shear test |
参照GJB772A-1997中苏珊撞击试验方法[2]，研究不同撞击速度下炸药的响应、获得炸药的撞击速度阈值。压缩剪切试验主要在22~57 m·s-1撞击速度范围内研究了PBX的点火响应特性。图 4为PBX-932的典型高速录象照片(速度为28.7 m·s-1)。由图 4可见，在压缩剪切试验中，对于Φ20 mm×40 mm的PBX-932，在28.7 m·s-1压缩速度下，PBX-932炸药未发生点火反应，活塞被反弹。
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图 4 PBX-932炸药压缩剪切试验典型高速录象照片(28.7 m·s-1) Fig.4 Photographs of PBX-932 explosive in compression and shear test at 28.7 m·s-1 |
图 5为压缩剪切试验中回收的炸药样品照片。从图 5中可以看出，在22.7 m·s-1时PBX-932炸药未有反应迹象，有明显的压缩、剪切现象; 在24.4, 28.7 m·s-1时，PBX-932炸药完整，表面有发黑的反应痕迹，表明炸药发生了分解，但反应并未增长; 在56.8 m·s-1时，聚四氟乙烯套裂成几块，剩余有大块的PBX-932炸药，表明此时炸药发生了分解以上等级的反应。对于PBX-C43炸药，在25.5 m·s-1时，炸药外形完好，有明显的压缩、剪切现象; 在27.7, 30.8 m·s-1时，长径比明显变化，炸药表面发黑，即仅发生分解反应。结果表明，设计的压缩剪切试验装置使炸药受到了明显的压缩剪切作用。
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图 5 压缩剪切试验中回收的炸药样品 Fig.5 Recovery sample after compression and shear test |
依据压电式压力传感器测试技术，获得了完整的撞击压力变化过程信息，图 6给出了PBX-932典型的压力-时间变化曲线，表 1详细地给出了两种炸药压缩剪切试验结果，主要包括不同速度撞击下对应的压力数据、作用时间以及反应程度等。
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图 6 压缩剪切试验中测试的PBX-932典型压力-时间变化曲线 Fig.6 Typical curves of pressure vs time in compression and shear test for PBX-932 |
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表 1 两种炸药在不同撞击速度下的压缩剪切试验结果 Tab.1 Results of compression and shear test for two explosive under different impacting velocity |
由图 6可见，在速度28.7 m·s-1时，测试的最大压力约300 MPa，随后压力逐渐降低，压力持续作用时间约1.5ms; 在速度37.4 m·s-1时，测试的最大压力约400 MPa，随后压力逐渐降低，压力持续作用时间约1.5 ms，压力信号表明在速度28.7 m·s-1和37.4 m·s-1下PBX-932炸药未发生剧烈反应。
从表 1可以看出，在压缩剪切试验中，PBX-932炸药在撞击速度为22.7 m·s-1时未发生反应; 在撞击速度分别为24.4, 28.7, 37.4 m·s-1时，未测出超压，结合试验回收的样品照片，表明此时PBX-932炸药均发生了分解反应；而在撞击速度56.8 m·s-1时，测得超压值为6.9 kPa，结合试验回收的样品照片，表明PBX-932炸药发生了爆燃反应，因此在压缩剪切试验中PBX-932炸药发生反应的撞击速度阈值为22.7~24.4 m·s-1。PBX-C43炸药在撞击速度分别为21.7, 25.5 m·s-1时均未发生反应，在撞击速度分别为27.7, 30.8 m·s-1时，未测有超压，结合试验回收的样品照片，表明均发生了分解反应，因此在压缩剪切试验中PBX-C43炸药发生反应的撞击速度阈值为25.5~27.7 m·s-1。因而，PBX-C43炸药发生反应的撞击速度阈值略高于PBX-932炸药，两种炸药的反应程度基本一致。
3.3 压缩变形量回收撞击试验后的PBX-932和PBX-C43炸药，测量每一发回收样品的厚度变化，确定不同撞击速度下两种炸药对应的压缩变形量(ΔL/L，L为炸药初始厚度，mm)。图 7为两种炸药压缩变形量-速度测试结果，对于PBX-932和PBX-C43炸药，随着速度增加，压缩变形量也随之增加，在约37 m·s-1速度压缩下，PBX-C43炸药的压缩量约20%。在速度22~26 m·s-1，两种炸药的压缩变形量基本一致; 当速度高于26 m·s-1时，相同速度下PBX-C43炸药压缩变形量高于PBX-932炸药。
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图 7 两种炸药的压缩变形量-速度曲线 Fig.7 Curves of compression deformation vs velocity for two explosive |
图 8为压缩剪切试验中测试的压力-压缩变形量结果，相同压缩变形量下，PBX-C43炸药对应的压力低于PBX-932炸药，因此，PBX-932比PBX-C43更易于反应。
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图 8 压缩剪切试验中测试的压力-压缩变形量曲线 Fig.8 Curves of pressure vs compression deformation obtained in compression and shear test |
对于含能材料在刺激作用下的损伤破坏，从力学的观点看，是材料结构组织发生的力学性能劣化并导致体积单元破坏的现象；从细观的、物理的观点来看，是材料组分晶粒的位错、滑移、(微)孔洞、微裂隙等微缺陷形成和发展的结果；从宏观的、连续介质力学的观点来看，又可认为是材料内部微细结构状态的一种不可逆的耗能的演变过程[8]。因此，认识损伤过程对含能材料力-热-化学反应过程至关重要。目前，通常使用损伤度来表征材料的损伤程度，以此分析材料的损伤演化过程。本研究采用排水法，对每一发撞击试验回收的PBX-932样品进行密度测量，以密度变化来表征炸药的损伤度，关系见式(1)[13]：
| $ D=1-\rho /{{\rho }_{0}} $ | (1) |
式中，D表示材料的损伤度; ρ为材料损伤后的密度，g·cm-3; ρ0为材料初始密度，g·cm-3。
图 9是压缩剪切试验中PBX-932炸药损伤度-速度关系。对于Ф20 mm×40 mm的PBX-932，随着速度增加，损伤度随之增加，在22.7 m·s-1速度下，PBX-932炸药的损伤度达到了约22%，此时炸药无反应; 在37.4 m·s-1速度下，损伤度达到了约25%，PBX-932炸药仅发生分解反应; 在56.8 m·s-1速度下，PBX-932炸药的损伤度达到了约32%，炸药发生了爆燃反应。这一结果与图 5反映的结果一致。
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图 9 压缩剪切试验中PBX-932炸药损伤度-速度曲线 Fig.9 Curves of damage vs velocity for PBX-932 in compression and shear test |
采用设计的压缩剪切试验装置研究了PBX-932和PBX-C43两种炸药的响应特性，PBX-932发生反应的撞击速度阈值为22.7~24.4 m·s-1，PBX-C43的撞击速度阈值为25.5~27.7 m·s-1，略高于PBX-932炸药，两种炸药的反应程度基本一致。
在压缩剪切试验中，在30.8 m·s-1时PBX-C43压缩变形量约19%。在速度22.7~56.8 m·s-1，PBX-932损伤度在22%~32%间变化，随着速度增加，压缩变形量也随之增加，损伤度增加，在约37 m·s-1速度压缩下，炸药的压缩量约19%，损伤度达到25%，发生了分解反应。
设计的压缩剪切试验装置实现了压缩剪切作用下压力160~400 MPa，脉宽1.5 ms的载荷特点，能用于炸药压缩剪切安全性研究。
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A compression and shear test device was designed. The tests were carried out for polymer bonded explosive. Reaction response was analyzed by measured pressure process, compression deformation and damage characterization.