中物院流體物理研究所基于有限元-離散元結(jié)合方法進(jìn)行Steven 試驗(yàn)三維模擬

中物院流體物理研究所研究人員針對(duì)有限元方法描述斷裂與摩擦?xí)r存在算法困難，而離散元方法難以描述炸藥結(jié)構(gòu)響應(yīng)的問(wèn)題，建立了有限元-離散元相結(jié)合的三維數(shù)值模擬方法與Fortran 計(jì)算程序。通過(guò)有限元模擬炸藥外金屬殼體變形，離散元模擬炸藥內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展與摩擦升溫，采用Arrhenius 方程描述炸藥熱分解反應(yīng)放熱，實(shí)現(xiàn)了裝藥低速撞擊非沖擊點(diǎn)火的三維模擬。以Steven 實(shí)驗(yàn)作為算例，開展了脆性炸藥PBX-2 在鈍頭彈與平頭彈兩種撞擊條件下裝藥破壞與點(diǎn)火的模擬，考察了炸藥非均勻性的影響，獲得了裝藥受載應(yīng)力歷史、裂紋分布、溫升曲線、點(diǎn)火時(shí)間與位置、撞擊點(diǎn)火速度閾值等，分析了鈍頭彈與平頭彈撞擊點(diǎn)火的分布特性。以炸藥裂紋摩擦以及自反應(yīng)放熱為點(diǎn)火機(jī)制的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。

源自：HUANG Bin-bin，F(xiàn)U Hua，YU Yin，et al. Three-dimensional Numerical Simulation of Steven Test by the Combined Finite-Discrete Element Method. Chinese Journal of Energetic Materials，DOI：10.11943/CJEM2020115.

中物院化工材料研究所利用有限元軟件揭示了PBX 含能材料的協(xié)同切削機(jī)理

晶體顆粒與聚合物粘結(jié)劑之間的協(xié)同變形行為決定了含能材料的可加工性。中物院化工材料研究所基于粘聚力有限元框架闡明了HMX 基PBX 正交切削中的的切割機(jī)制。粒子體積分?jǐn)?shù)為90%的多邊形HMX 晶體采用線彈性模型建模，而HTPB 粘結(jié)劑則采用與速率無(wú)關(guān)的超彈性及率相關(guān)塑性耦合模型。此外，在晶體顆粒和粘結(jié)劑中實(shí)現(xiàn)了粘聚力單元，以描述PBX 在切割過(guò)程中熱-機(jī)械耦合引起的材料失效行為。仿真結(jié)果顯示了PBX 的不同變形模式，以及破壞模式與加工表面形貌的相關(guān)性。此外，切割深度對(duì)PBX 的切削過(guò)程有較大的影響，包括材料破壞模式、損傷和能量耗散。為設(shè)計(jì)和合成具有高可加工性的高能材料提供了重要的指導(dǎo)方針。

源自：Jiaohu Huang，Shijin Lu，F(xiàn)engying Xie，et al. Finite element analysis of synergetic deformation in precision cutting of polymer bonded explosive. 2020，188. https：//doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108471.

北京理工大學(xué)研究人員提出了一種三聚氰胺/F2311 的裂紋修復(fù)技術(shù)

北京理工大學(xué)研究人員從三聚氰胺/F2311（PBX 模擬復(fù)合材料）的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能兩個(gè)方面，系統(tǒng)研究了F2311 含量對(duì)三聚氰胺/F2311 復(fù)合材料裂紋形貌和裂紋愈合行為的影響。采用掃描電鏡和CT 分析對(duì)微裂紋區(qū)進(jìn)行定量表征。結(jié)果表明，熱壓處理可以消除裂紋，進(jìn)一步提高密度和力學(xué)性能。M-10F 試樣的密度和力學(xué)性能提高幅度最大，密度提高了1.9%，抗拉抗壓強(qiáng)度提高超過(guò)100%。密度和力學(xué)性能的改善與工藝參數(shù)、初始密度和粘結(jié)劑含量有關(guān)。熱壓過(guò)程中提供給系統(tǒng)的熱能和壓應(yīng)力可以促進(jìn)粘結(jié)劑在界面處的遷移。此外，容易發(fā)生位移和旋轉(zhuǎn)的小尺寸三聚氰胺顆粒可能與F2311 一起遷移以填充裂紋。這一過(guò)程共同減少損壞和缺陷，使得裂紋部分或完全愈合，恢復(fù)材料的結(jié)構(gòu)和性能。這項(xiàng)工作表明，熱壓處理對(duì)修復(fù)熱塑性粘結(jié)劑復(fù)合材料損傷具有很大的潛力，擴(kuò)大了未來(lái)材料設(shè)計(jì)的思路。

源自：Yuchen Guo，Qiong Lan，Chao Han，et al. Microstructural characterization of pressure-induced cracking in melamine/F2311 composites and crack-healing behavior via thermal-pressure aging treatment. 2020，189.https：//doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108538.

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究人員進(jìn)行了長(zhǎng)管強(qiáng)約束條件下壓裝PBX 炸藥點(diǎn)火試驗(yàn)研究

為探究壓裝炸藥PBX-A 在較強(qiáng)約束條件下、在藥柱一端使用點(diǎn)火藥引燃后能否發(fā)生燃燒轉(zhuǎn)爆轟，中科大研究人員在傳統(tǒng)DDT 管的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)了特定位置約束增強(qiáng)的厚壁鋼柱殼管實(shí)驗(yàn)裝置，利用多路PDV 診斷技術(shù)，配套高速攝影記錄對(duì)點(diǎn)火藥引燃炸藥實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的柱殼膨脹、斷裂特性等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行了全過(guò)程連續(xù)監(jiān)測(cè)。對(duì)比由爆轟驅(qū)動(dòng)的相同裝藥條件下實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及對(duì)應(yīng)過(guò)程物理狀態(tài)的區(qū)別，發(fā)現(xiàn)：爆轟實(shí)驗(yàn)和點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)的總反應(yīng)時(shí)間歷程存在數(shù)量級(jí)的差別；柱殼上各個(gè)測(cè)點(diǎn)速度歷程反映出內(nèi)部炸藥反應(yīng)引起的壓力增長(zhǎng)歷程特征，以及炸藥反應(yīng)的傳播過(guò)程均存在明顯差異。分析表明，在較強(qiáng)約束條件下，典型壓裝炸藥PBX-A 在一端使用點(diǎn)火藥引燃后的反應(yīng)行為實(shí)際是以高溫、高壓反應(yīng)產(chǎn)物沿裝藥縫隙對(duì)流，炸藥表面的層流燃燒及其伴隨的結(jié)構(gòu)響應(yīng)行為為主要表現(xiàn)形態(tài)；從反應(yīng)壓力水平及其增長(zhǎng)的時(shí)間歷程來(lái)看，炸藥基體中沒(méi)有形成沖擊波，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)從沖擊到爆轟的轉(zhuǎn)變。

源自：Experimental study on ignition reaction evolution of pressed PBX-B in long thick wall cylinder confinement，T Qiu et al，2020，J. Phys.：Conf. Ser. DOI：10.1088/1742-6596/1507/3/032022.

西安近代化學(xué)研究所分析了HTPE 推進(jìn)劑子彈撞擊和快速烤燃特性

目前，固體推進(jìn)劑熱安全性的研究主要以小尺寸試驗(yàn)的烤燃實(shí)驗(yàn)和熱分析為主，對(duì)HTPE鈍感推進(jìn)劑的機(jī)械安全性能和易損特性（子彈撞擊、快速烤燃等）研究較少。為此，西安近代化學(xué)所人員計(jì)算了以PET/Bu-NENA 為黏合劑體系、AP 和AL 為固體填料的HTPE（端羥基聚醚）鈍感推進(jìn)劑的理論比沖、特征速度等能量性能，測(cè)定了推進(jìn)劑的機(jī)械感度，結(jié)合推進(jìn)劑的機(jī)械感度研究了HTPE 推進(jìn)劑的子彈撞擊和快速烤燃特性，分析了影響HTPE 推進(jìn)劑子彈撞擊和快速烤燃響應(yīng)的因素，為該類推進(jìn)劑的發(fā)動(dòng)機(jī)低易損性設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。同時(shí)HTPE 推進(jìn)劑具有較低的易損特性，子彈直徑為12.7 mm 的子彈撞擊試驗(yàn)和快速烤燃試驗(yàn)均表現(xiàn)為燃燒反應(yīng)，可安全用于高速動(dòng)能彈、超高速導(dǎo)彈等武器系統(tǒng)中，是一類具有發(fā)展前途的高能鈍感推進(jìn)劑。

源自：X Lü，Pang W Q，Li J Q，et al. Bullet Impact and Fast cookoff characteristics of HTPE Insensitive Solid Propellant. Huozhayao Xuebao/Chinese Journal of Explosives and Propellants，2019，42（1）：79-83.

法國(guó)布爾日奧爾良大學(xué)研究人員研究了基于RDX 的低易損性推進(jìn)劑點(diǎn)火和燃燒特性

純RDX 用于低易損推進(jìn)劑的組成，然而文獻(xiàn)中很少有人對(duì)RDX 基推進(jìn)劑的燃燒特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。為了產(chǎn)生關(guān)于一種低易損性RDX 基推進(jìn)劑點(diǎn)火和燃燒特性的新實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。奧爾良大學(xué)工作者使用激光二極管獲得點(diǎn)火，并在一個(gè)圓柱形的封閉式反應(yīng)器中，對(duì)不同的初始?jí)毫统跏嫉耐七M(jìn)劑質(zhì)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在不同初始?jí)毫ο?，得到點(diǎn)火延遲、最大超壓和傳播速率以及激光功率等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與超壓的熱力學(xué)預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較。最后，用修正的Langlie 方法研究了不同激光功率和大氣條件下的點(diǎn)火概率。

源自：Ehrhardt J，Courty L，Gillard P，Baschung B. Experimental Study of Pyrolysis and Laser Ignition of Low-Vulnerability Propellants Based on RDX. Molecules 2020，25，2276.

美國(guó)阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室利用透明目標(biāo)直接觀察HMX 基PBX 炸藥摩擦點(diǎn)火

PBX 撞擊時(shí)熱點(diǎn)的形成是其沖擊起爆的關(guān)鍵因素。G.R.Parker 等人對(duì)高能炸藥斜向撞擊事件（類似跌落）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究大型PBX 裝藥對(duì)于低速?zèng)_擊和摩擦的響應(yīng)。該實(shí)驗(yàn)通過(guò)直接觀察而不是過(guò)去的推斷收集的數(shù)據(jù)是為了聲明（并重申）松散砂礫顆粒在摩擦點(diǎn)火中所起的作用，并證實(shí)了一些早期的摩擦點(diǎn)火機(jī)制。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)采用剛性臂擺將高能裝藥傳遞到?jīng)_擊表面，并對(duì)其方向進(jìn)行精確控制，而該項(xiàng)工作的創(chuàng)新之一是使用透明目標(biāo)來(lái)觀察高能炸藥與撞擊表面之間的接觸界面，且利用定量圖像分析識(shí)別不是點(diǎn)火結(jié)果的發(fā)光點(diǎn)。得到結(jié)論：點(diǎn)火不是由PBX 與受沖擊表面的摩擦相互作用引起的，而是產(chǎn)生于嵌入在PBX 中硬的、高熔點(diǎn)的砂礫顆粒與具有硬的、高熔點(diǎn)的沖擊表面的局部摩擦相互作用，砂礫顆粒被迅速加熱到高溫（＞600℃），并成為PBX 的關(guān)鍵熱點(diǎn)。這一機(jī)制完全依賴于兩個(gè)高熔點(diǎn)組分的相互作用-通常是砂礫顆粒和撞擊表面-因此，防止點(diǎn)火的最明顯的策略是確保二者中一個(gè)或兩個(gè)都不存在。然最實(shí)際的緩解策略是通過(guò)使用低熔點(diǎn)橡膠墊、橡膠涂層等來(lái)避免高能炸藥撞擊在高熔點(diǎn)表面。如果對(duì)精密表面或模具的要求與橡膠涂層等不相容，則使用裸鋁（非表面處理）來(lái)替代。它的熔點(diǎn)相對(duì)于HMX 來(lái)說(shuō)是邊緣的，但它的高熱擴(kuò)散率導(dǎo)致了較低的熱點(diǎn)。

源自：Gary R Parker，Matthew D Holmes，Eric M Heatwole，Robert M Broilo，Michelle N Pederson，Peter M Dickson. Direct observation of frictional ignition in dropped HMX-based polymer-bonded explosives. Combustion and Flame，2020，221.313-318.

韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)為老化THPP 的燃燒性能提供了新的見解

THPP 是最常用的煙火引發(fā)劑之一，自20 世紀(jì)60 年代以來(lái)，其一直被使用。老化帶來(lái)的挑戰(zhàn)是眾所周知的，現(xiàn)如今，含能材料的老化已然成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。THPP 在老化過(guò)程中會(huì)失效或偏離預(yù)期的性能。老化過(guò)程已知會(huì)改變其組成及其熱化學(xué)動(dòng)力學(xué)；然而，THPP 在燃燒行為方面的性能變化尚未得到解決。Juyoung 等人通過(guò)三種類型的實(shí)驗(yàn)，研究了其反應(yīng)路徑：（一）通過(guò)SEM-EDS 進(jìn)行形態(tài)和元素組成觀測(cè)，（二）通過(guò)DSC 和TG 進(jìn)行熱分析，（三）點(diǎn)火和燃燒特性的測(cè)量和燃燒機(jī)制的核查，報(bào)道了THPP 的點(diǎn)火和燃燒特性之間的新關(guān)聯(lián)。對(duì)老化樣品進(jìn)行的熱分析和形態(tài)學(xué)觀察顯示，老化導(dǎo)致燃料的不斷氧化和隨后的氧化劑的分解。用等轉(zhuǎn)換法提取的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)表明，熱老化導(dǎo)致活化能降低，而濕熱老化則相反。特別是活化能的增加限制了點(diǎn)火溫度的范圍，降低了反應(yīng)活性，從而增加了點(diǎn)火延遲時(shí)間和燃燒時(shí)間。熱老化樣品的KClO3含量增加，氧化劑表面出現(xiàn)一些裂紋，而濕熱老化樣品的TiO2含量增加。因此，KClO4分解和TiO2的形成可以被認(rèn)為是熱老化和濕熱老化下的主要反應(yīng)機(jī)制。THPP點(diǎn)火和燃燒特性的下降會(huì)導(dǎo)致煙火裝置的嚴(yán)重?fù)p壞，為確保其99%的熱性能，其理想保質(zhì)期為10 年。

源自：Juyoung Oh，Jack J. Yoh. Critical changes in the ignition and combustion characteristics of aged titanium-based initiators. Combustion and Flame，2020，221.