1 引言

高聚物粘结炸药（polymer bonded explosive，PBX）由于其优良的性能在国防领域得到广泛应用。但PBX结构在压制成型、加工、运输及存储等过程中存在开裂现象，严重影响其安全性能、爆轰性能及力学性能。研究表明导致PBX材料损伤、裂纹扩展甚至发生破裂的一个重要因素是其内部应力存在，特别是残余应力会严重降低PBX材料结构强度并影响其疲劳寿命等。PBX在成型过程中其内应力来源及分布非常复杂，目前还没有十分有效的无损检测方法。研究PBX应力测试技术和方法，对PBX材料成型、控制其加工工艺、消除内应力、保障其安全性能等具有重要意义，也是PBX材料损伤、断裂力学研究的重要实验技术基础，具有重要的实用价值和学术意义^[1-4]。

PBX模拟材料是由晶体颗粒和粘结剂按照一定的比例混合制作而成，其晶体颗粒和粘结剂的比例与某PBX的比例相同，两者都属于颗粒填充聚合物复合材料，具有相似的细观结构特征，因此常用于模拟PBX的力学性能或物理化学性能^[5]。无损检测技术目前已广泛应用与材料和结构内部残余应力状态的检测和评价，常用的残余应力无损检测方法有X射线衍射法、中子射线衍射法和超声波法等。与X射线和中子射线衍射法相比，超声方法具有设备简单、适用范围广、对人体无害，已成为国内外研究的重点，广泛应用于金属内应力或残余应力的测量^[6-9]。关余PBX材料内应力超声无损检测方法国内相关研究报道极少。张伟斌等^[10]开展了基于压电超声体波的PBX材料内应力测量方法研究，验证了大应力作用下超声波法无损测定PBX构件内部应力的可行性，测量结果显示，由于PBX材料内部应力相对较小，体波对应力测量灵敏度较低，还无法满足实际测量需求。

研究表明，与纵波（L）、横波（S）等体波相比，掠面纵波（sL）对应力尤其是沿其传播方向的应力极为敏感，其能量传播深度相比于瑞丽波（R）等表面波较深，在较长的传播途径中可以保持较好的波形特性，因而成为测量一定深度下材料内部应力的一种理想波形^[11]。然而由于PBX材料的超声波波速较低，传统的压电超声探头难于在其内部激发出sL波。激光超声作为一种新型、非接触超声检测技术，可同时在材料内部激发不同模态超声波，被认为是一种非常有潜力的新型超声检测方法。为了探索激光超声技术检测PBX内应力的可行性，研究建立激光超声掠面纵波PBX材料内应力超声无损检测方法，在线测试了PBX不同压缩过程中的内应力状态，为PBX内应力的测试提供研究基础。

2 实验部分 2.1 实验样品

实验样品采用PBX模拟材料，由中国工程物理研究院化工材料研究所生产。其造型粉经过等静压压制，然后机械加工为50 mm×20 mm×10 mm的长方体样品。为降低PBX模拟试件初始内应力的影响，实验前对其进行时效处理，其初始状态不同模态超声波声速如表 1所示。

2.2 激光超声法应力测量基本理论

当固体材料受能量低于材料熔融阀值的脉冲激光照射时，一部分光能会被材料吸收转化为热能，从而在材料表面附近形成瞬态非均匀温度场，并产生热膨胀，最终在热弹力作用下产生超声波。图 1为激光超声波在PBX材料中传播的声场图^[12]。由图 1可以看出激光超声在PBX材料中能同时激发出沿深度方向传播的L波和S波，以及沿表面传播的R波和sL波。

根据声弹性原理，沿应力方向传播的sL波速与应力之间的关系如下^[13]：

$ {\rho _0}{v^2} = \lambda + 2\mu + \frac{\sigma }{{3\lambda + 2\mu }}\left[ {\frac{{\lambda + \mu }}{\mu }\left( {4\lambda + 10\mu + 4m} \right) + \lambda + 2l} \right] $

(1)

式中，v为有应力情况下sL波的传播速度，m·s^-1；ρ₀为被测材料密度，kg·m^-3；λ、μ为材料二阶弹性常数，Pa；l、m为三阶弹性常数，Pa；σ为应力值，Pa。

对式（1）两边分别求导得出声速的变化量与应力变化量之间的关系：

$ \frac{{{\rm{d}}v}}{{{\rm{d}}v}} = \frac{v}{{{v^2}}} = K $

(2)

式中，K称为声弹性常数。

由（2）式可得，在固定传播距离内，应力与声速的关系可简化为：

$ \frac{{\Delta v}}{{{v_0}}} = {K_0} \cdot \sigma $

(3)

式中，v₀为无应力情况下sL波波速，即波速的相对变化量与应力幅值成正比。因此根据声弹性原理，可通过测量sL波波速的相对变化量来评价材料内部应力的大小。

2.3 测量方法及实验系统

如图 2所示，根据sL波的传播特点及声弹性原理，可以采用“一发一收”模式，脉冲激光在PBX试件表面激发超声波，压电超声波斜探头接收超声波信号。根据图 1所示的PBX材料内部激光超声声场分布和不同模态超声波的传播特性，可以判断压电超声探头可以接收到沿表面传播的R波和sL波，以及底面纵波反射波（2L）和模态转化波（LS）等超声波信号。通过固定激发激光束与接收探头之间的距离，将声速测量转化成传播时间的测量。最后通过在试件两端施加不同大小的应力，获取sL波传播速度与应力大小间的关系。

图 3为PBX模拟材料内应力激光超声检测实验系统示意图。由图 3可知，整个系统可分为应力加载装置和激光超声检测单元两部分。为实现PBX内应力激光超声在线原位测试，将应力加载装置安装在激光超声检测实验平台上，该应力加载装置由液压千斤顶、压力传感器和钢制框架组成，如图 4所示。所采用液压千斤顶可提供0~200 kN有效载荷，S型压力传感器的量程为0~10 kN，重复测量误差±2%。激光超声检测实验系统包含YAG脉冲激光器、聚焦透镜、压电超声探头、信号放大器、带通滤波器和示波器。实验过程中，先将PBX模拟材料试件固定在应力加载装置中，再由脉冲激光器发射波长1064 nm、脉宽10 ns、重复频率25 Hz的脉冲激光束，激光束经聚焦透镜聚焦到PBX模拟试件上。同时将压电超声探头置于试件表面上，固定压电超声探头与激光束的间距为24 mm。通过压电超声探头接收表面波和体波底面回波信号，再经信号放大器和滤波器后，由示波器进行采集和显示。为提高信号的信噪比，示波器采用16次平均模式进行信号采集和显示。

3 结果与讨论 3.1 PBX模拟材料试件内部激光超声信号

根据PBX模拟试件中不同模态激光超声传播的路径和声速可确认回波信号分别为sL波、2L波、R波和LS波，如图 5所示。由图 5可以看出，各种模态激光超声回波信号可以明显地区分开，且sL波在检测信号的前端。因此可通过本研究所搭建的实验装置实现PBX模拟材料中掠面纵波的测量，初步验证了基于激光超声掠面纵波的PBX模拟材料内应力检测方法的可行性。

3.2 PBX模拟材料内应力激光超声测量结果

图 6为PBX模拟材料试件不同应力状态下激光超声sL波信号比较，测量过程中激光束与压电探头之间间距保持不变。从图 6可以看出，随着应力的逐渐增大，sL波除其幅值有所增加外，其到达时间也逐渐提前，且应力幅值越大，其时间差别也越大，即超声波波速变化量越大。初步可以看出该实验结果与声弹性理论基本相符。

通过测量应力引起的超声波信号延迟到达时间，可以计算出相应的波速相对变化量。图 7为测得PBX模拟试件中内应力与sL波波速相对变化量间的关系曲线。从图 7可以看出，应力与sL波波速相对变化量间存在明显的线性关系。对其进行线性拟合之后可以得，其斜率约为8.36×10^-4，因此两者之间的关系式可表示为：

$ \frac{{\Delta v}}{{{v_0}}} \approx 8.36 \times {10^{ - 4}}\sigma $

(4)

结合式（4），通过检测材料中的超声波传播速度的变化来计算得到其内应力值，验证了基于激光超声掠面纵波的PBX模拟材料内应力检测的可行性。

4 结论

提出并研究了基于激光超声掠面纵波的PBX模拟材料内应力无损检测方法。搭建了PBX模拟材料试件应力在线激光超声无损检测平台，使用脉冲激光在PBX模拟材料中进行了超声波激发，采用压电超声探头进行信号接收，开发了小型应力加载装置，实现了在PBX试件内部不同大小的初始应力的导入。主要研究结果可以概括为以下几个方面：

（1）脉冲激光可在PBX模拟材料内同时激发包括sL波在内的多种模态超声波。

（2）在不同加载状态下对激光超声掠面纵波信号进行了测量，发现试件在受到1 MPa以上应力时，传播方向与应力方向平行的掠面纵波的传播速度有明显变化。

（3）获得了激光超声掠面纵波传播速度相对变化量与应力幅值间的线性关系，初步验证了激光超声掠面纵波对于PBX模拟材料内部应力状态检测的可行性。