范穎楠,武 毅,文俊杰,王 昱,楊爭輝,吳迎春,李海濤,侯 曉

(1.北京理工大學 宇航學院,北京 100081;2.浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室,浙江 杭州 310027;3.湖北航天化學技術研究所,湖北 襄陽 441003)

引 言

隨著導彈武器系統(tǒng)對遠射程需求的不斷提升,固體推進劑能量水平逐漸提高的同時,對其低易損性也提出了更高的要求[1-3]。固體推進劑在制造、儲存和使用過程中可能遭遇低速撞擊等意外刺激作用,例如搬運過程中的撞擊、發(fā)射失敗、轉載導致的跌落等[4],最終可能引起固體發(fā)動機意外燃燒甚至爆炸。因此,研究高能固體推進劑在低速撞擊條件下的動態(tài)撞擊力學性能、點火響應行為以及點火后的能量增長過程對于在提升推進劑能量水平的前提下保障使用安全性具有重要意義。

通常情況下,推進劑能量水平提升可通過使用含能黏合劑[5]和調整炸藥含量、粒度及微觀形貌等方式實現(xiàn)。因此推進劑在能量大幅提升的基礎上是否同時滿足低易損性就成為了研究重點。ZHANG等[6]采用沖擊試驗機、落錘沖擊試驗機和密閉容器對不同RDX含量硝基胺推進劑在常溫(20℃)和低溫(-40℃)下的力學性能和燃燒性能進行了測試;王奧等[7]測試了不同RDX粒徑改性單基藥的燃燒性能和力學性能并分析了其在沖擊后的破壞機理。

從以往文獻來看,高能推進劑在低易損性方面的探究工作仍有所欠缺:力學性能測試上大多僅關注推進劑的準靜態(tài)力學性能,動態(tài)力學性能局限于沖擊強度、壓碎高度等表象結果的獲得;低速撞擊引起的點火燃燒過程也僅關注燃燒速率、熱穩(wěn)定性等基本特性,未對點火響應及能量增長過程做進一步分析[6-10]。目前,含能材料在低速撞擊條件下的熱點形成機理及損傷破壞理論分析較為成熟[11-14],同時也使用了一些先進觀測手段對其在撞擊條件下的變形損傷過程或點火現(xiàn)象進行分析:陳鵬等[15]采用高速攝影記錄了PBXs (Plastic Bonded Explosives)炸藥裝藥在沖擊加載過程中的反應情況,研究了PBX炸藥在完全約束加載和剪切流動加載下的點火性能;DUAN等[16]在霍普金森壓桿實驗中利用高速紅外相機采集了NEPE(Nitrate Ester Plasticized Polyether)推進劑溫度變化,證明了推進劑點火是由剪切摩擦機制導致。以上工作均在原有單一研究手段的基礎上有所創(chuàng)新。但是,受限于高速相機成像能力,高速攝影直接拍攝僅能觀測到推進劑的形變、點火和燃燒的部分過程,無法觀測到推進劑燃燒后火焰內部的試樣破碎過程、碎片大小以及可能產生的激波結構等具體細節(jié),而這些數據對推進劑受到低速撞擊后的反應等級定量判定,以及為構建推進劑撞擊點火后的能量增長數值模型和仿真方法的實驗驗證至關重要。

因此,本研究針對不同RDX粒度的GAP推進劑和PET推進劑,利用分離式霍普金森壓桿裝置開展高應變率動態(tài)撞擊實驗,同時結合高速攝影和數字全息技術,采用3臺高速攝像機同步觀測推進劑在撞擊條件下?lián)p傷演化、點火響應和能量增長過程,研究了不同黏合劑基體、RDX粒度對推進劑動態(tài)撞擊下的力學性能和點火響應的影響規(guī)律。最后,對動態(tài)加載后的試樣進行回收,利用掃描電鏡等手段對其宏細觀損傷破壞形式進行分析,以期對推進劑在中低速撞擊下的點火燃燒響應過程可視化分析及反應等級定量判定方面提供參考。

1 實 驗

1.1 樣 品

分別采用PET基體含中粒度RDX、GAP基體含中粒度RDX、粗粒度RDX的3種固體推進劑開展實驗。推進劑原始試樣及掃描電鏡圖片如圖1所示,試樣尺寸均為Φ10mm×5mm。組分及含量見表1,其中“P-中粒度”表示PET基體含中粒度RDX推進劑,“G-中粒度”表示GAP基體含中粒度RDX推進劑,“G-粗粒度”表示GAP基體含粗粒度RDX推進劑。制備過程中AP、Al均采用同一批次原材料,同時也保證了不同類別推進劑中主要組分的規(guī)格形貌基本一致。

表1 不同推進劑組分及質量含量Table 1 Components and mass contents of various propellants

由圖1可以看出,AP、RDX和Al等顆粒均緊密地粘接在黏合劑基體上,基體和顆粒沒有明顯的裂紋或孔隙出現(xiàn)。

圖1 推進劑原始試樣及不同推進劑掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 The original sample and scanning electron microscope picture of various propellants

1.2 實驗裝置及方法

本實驗采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置,結合光學測量手段觀測3類推進劑在高應變率(1000～6000s-1)撞擊條件下的動態(tài)力學性能、點火響應和能量增長過程,并進行對比分析,研究不同種類黏合劑和RDX粒度對推進劑撞擊力學性能和反應強度的影響。

1.2.1 實驗裝置

分離式霍普金森壓桿裝置如圖 2所示。

圖2 SHPB裝置示意圖Fig.2 The schematic diagram of SHPB apparatus

(1)

式中:C0為桿中的彈性波速;L0為試樣的初始長度;A0為試樣的初始橫截面積;A和E分別為桿的橫截面積及彈性模量。

試樣的真實應力、應變可根據工程應力、應變換算得到:

σT=(1-ε)σE

(2)

εT=-ln(1-εE)

(3)

1.2.2 光學測量方法

結合光學測量的分離式霍普金森壓桿裝置如圖3所示。由圖3可知,本研究使用3臺高速攝像機對霍普金森壓桿中撞擊推進劑過程進行觀測。其中,一臺高速攝像機對推進劑的變形和反應過程進行直接拍攝,另外兩臺用于數字全息成像拍攝[20-21],記錄撞擊過程中推進劑破碎顆粒云和能量增長過程中可能存在的激波演化過程,3臺相機通過信號觸發(fā)器同步。

圖3 結合光學測量的分離式霍普金森壓桿裝置Fig.3 The split hopkinson pressure bar (SHPB) apparatus combined with optical measurement

(1)高速攝影。為可視化固體推進劑在低速撞擊載荷下的變形、點火和能量增長過程,本研究使用高速攝像機記錄整個撞擊過程。使用的相機型號為Revealer X213,分辨率為1280×1024,像素大小69.8μm/pixel,高速攝像機采集幀率為13698fps,曝光時間1μs,同時使用150W的補光燈進行輔助照明。

(2)數字全息。本研究使用數字全息技術記錄推進劑在高應變率撞擊條件下破碎、點火以及能量增長過程中可能產生的激波結構,還可利用重建技術獲得撞擊后顆粒的粒徑、形貌等三維信息[21]。其中,數字全息光路單元包括脈沖激光器、空間濾波器、光闌、透鏡、同步器、分束器、反射器、全息成像相機和其他光學安裝組件。

2 結果與討論

2.1 推進劑力學性能分析

3類推進劑在3000s-1時的應力—應變曲線如圖4所示。

圖4 3類推進劑在3000s-1時的應力—應變曲線Fig.4 The stress—strain curves of three kinds of propellants at 3000s-1

由圖4可知,P-中粒度和G-粗粒度兩種推進劑的力學曲線無明顯屈服點,曲線可簡單分為3個區(qū)域:線彈性區(qū)域、應變硬化區(qū)域和失效區(qū)域,試樣在受力過程中的變形近似為彈塑性變形;G-中粒度推進劑與其他兩類有明顯不同,試樣在經歷線彈性階段后首先在A點發(fā)生屈服,隨即發(fā)生應變軟化和應變硬化現(xiàn)象,最終失效。G-中粒度推進劑發(fā)生屈服可能是由于該組分推進劑內部顆粒和黏合劑基體之間存在初始間隙,受到力的作用時,間隙發(fā)展成了位錯。隨著外力的增加,由間隙導致的位錯增多,不容易移動。當外力大到一定程度時,顆?？赡芤呀洀酿ず蟿┗w上完全脫開,所以相應的位錯減少,外力幾乎不增加,或是增加不明顯的情況下,推進劑仍發(fā)生了變形,即屈服現(xiàn)象。應力—應變曲線的不同說明推進劑組分變化會對其是否發(fā)生屈服產生影響。

2.1.1 不同黏合劑種類的推進劑性能

復合固體推進劑的力學性能受黏合劑基體影響較大,黏合劑基體是固體推進劑的基礎,其性能好壞決定了推進劑力學性能的優(yōu)劣[5]。同粒度的GAP和PET推進劑在不同應變率下的壓縮應力—應變曲線如圖5所示,兩種推進劑在不同應變率下的壓縮力學性能參數見表2。

圖5 PET和GAP推進劑的應力—應變曲線對比Fig.5 The stress—strain curves comparison of PET propellant with GAP propellant

從圖5和表2可以看出,在高應變率加載條件下,GAP推進劑較PET推進劑在撞擊下的力學性能有了一定提高。其中,強度極限的較大提升在1000s-1和5000s-1,數值上最大達到了一倍。最大應變提升同樣出現(xiàn)在1000s-1和5000s-1,最大為34.5%;相比強度極限和最大應變,彈性模量的提升更加明顯:不同應變率下均提升了一倍以上。說明黏合劑種類的改變能顯著改善推進劑的動態(tài)壓縮力學性能,在高應變率壓縮條件下,GAP基推進劑較PET基推進劑來說體現(xiàn)出的動態(tài)力學性能(強度極限、彈性模量和最大應變)更佳。

表2 黏合劑種類對推進劑壓縮力學性能的影響Table 2 Effect of binder types on the compressive mechanical properties of propellant

2.1.2 不同RDX粒度的推進劑性能

復合固體推進劑中固體顆粒所占百分比可達到70%～80%,包括氧化劑AP、燃燒劑Al粉和高能化合物RDX等,固體顆粒的組分及粒度均對推進劑的力學性能有一定影響。對不同RDX粒度的推進劑進行高應變率壓縮實驗,應力—應變曲線如圖6所示,不同RDX粒度推進劑的動態(tài)壓縮力學性能參數見表3。

圖6 中等粒度以及粗粒度RDX推進劑的應力—應變曲線對比Fig.6 The stress—strain curves comparison of medium RDX propellant with coarse RDX propellant

從表3可以看出,在高應變率壓縮實驗中,中等粒度RDX比粗粒度RDX在強度極限和彈性模量上有一定提高,最大應變差距不大;強度極限最大提升了80%,由0.95MPa提升到1.75MPa;彈性模量最大提升了148.4%,由8.97MPa提升到22.28MPa,最大應變由0.58提升到0.74,可見提升作用在較低應變率下(1000s-1)更加明顯。

表3 RDX粒度對推進劑壓縮力學性能的影響Table3 Effect of RDX particle size on the compression mechanical properties of propellant

隨著RDX粒度的減小,固體顆粒和黏合劑基體之間的附加交聯(lián)點數量增多[22],晶粒的趨空性和楔入性減小[23],結構也更加穩(wěn)定,所以在高應變率加載后中粒度推進劑體現(xiàn)出更為優(yōu)異的撞擊力學性能;此外,粗粒度晶體多數是由小粒度晶體聚晶得到的,晶體中存在大量的“晶界”和 “位錯”[23],隨著撞擊速度的增大(應變率的提高),其在晶粒內部的弱晶面發(fā)生錯動滑移相較在黏合劑基體和固體顆粒之間發(fā)生滑移的可能性更大,所以粗粒度RDX的力學性能相較中粒度RDX的差距比低應變率下更小,這也就是撞擊條件下力學性能的提升作用在較低應變率下(1000s-1)更加明顯的原因。

2.2 點火響應行為分析

2.2.1 點火響應過程

G-中粒度推進劑在不同應變率下(4000～6000s-1)的高速攝影圖片如圖 7所示。由圖7可以發(fā)現(xiàn),在第一次應力波傳播過程中(0～473μs),試樣僅發(fā)生變形;隨著應變率的提高,在同一時刻(t=219μs)發(fā)生由均勻變形到不均勻變形的過渡;當應變率為4000s-1時,推進劑發(fā)生明顯的剪切變形,緊貼入射桿試樣前半部分破壞程度明顯大于后半部分,通過高攝圖片未觀察到點火現(xiàn)象;當應變率為5000s-1時,試樣在584μs時點火,1022μs時熄滅,可定義G-中粒度推進劑在5000s-1時的點火延遲時間為584μs,燃燒持續(xù)時間為438μs;當應變率為6000s-1時,試樣在511μs時就已點火,1022μs時熄滅,可定義G-中粒度推進劑在6000s-1時的點火延遲時間為511μs,燃燒持續(xù)時間為511μs?？梢园l(fā)現(xiàn),隨著應變率的提高,試樣發(fā)生由不點火到點火燃燒的現(xiàn)象過渡,燃燒也越來越劇烈。

G-中粒度推進劑在4000s-1時同一時刻高速攝影與全息的對比如圖8所示。由于高速攝影僅能觀測到推進劑的形變、點火和燃燒部分過程,無法觀測燃燒后火焰內部的試樣破碎過程、碎片大小以及可能產生的激波結構等具體細節(jié),所以需要高速攝影和數字全息同時開展。其中,相機-1用于高速攝影過程的記錄,相機-2、相機-3用于全息的記錄,拍攝視角如圖8所示。兩臺相機同時用于全息記錄可以根據獲得的不同圖像進行融合,產生立體視覺,更好地判斷試樣破碎后顆粒所在的位置及深度等信息。當t=511μs時,從高攝圖上發(fā)現(xiàn),試樣已發(fā)生大變形,并被擠出桿截面,全息圖中黑色部分即為擠出的試樣。在t=584μs時,從高攝圖中未觀察到點火,但全息圖記錄到了明顯的激波,這可能是由于試樣內部產生熱點并發(fā)生微爆導致的;隨著時間推移,全息相機記錄到試樣周圍出現(xiàn)了波前畸變,這是由于推進劑產生熱點后臨近空氣溫度和周圍壓力分布不均,折射率不同引起的,進一步說明試樣內部產生了熱點。

2.2.2 不同黏合劑種類推進劑的點火響應行為

PET基和GAP基推進劑在應變率5000s-1時的高速攝影圖如圖9所示。由圖9可知不同黏合劑種類推進劑在5000s-1時的點火燃燒反應。在第一次應力波傳播過程中,試樣發(fā)生均勻變形,同一時刻下GAP推進劑的變形程度比PET推進劑大的多。此外在5000s-1下,PET推進劑僅發(fā)生變形及試樣破碎飛濺的過程,并未觀察到明顯的點火現(xiàn)象,而GAP推進劑在584μs時發(fā)生劇烈點火,1022μs時熄滅,故可定義GAP推進劑在5000s-1時的點火延遲時間為584μs,燃燒持續(xù)時間為438μs。在第一次應力波傳播過程中,同一時刻下(t=292μs)GAP推進劑發(fā)生了環(huán)狀變形,且在變形過程中發(fā)生了明顯的黏性剪切摩擦,并被撞散擠出;而PET推進劑僅發(fā)生了均勻變形,GAP推進劑損傷變形程度遠大于PET推進劑。待第二次應力波來臨時,GAP推進劑由于黏性剪切摩擦產生熱點,另外在“損傷敏化”的作用下,內部熱點更易積聚,能量積累發(fā)生燃燒現(xiàn)象;而PET推進劑內部變形程度小,未形成黏性剪切摩擦,也沒有熱點生成,所以在第二次應力波的作用下僅發(fā)生更為明顯的變形現(xiàn)象,并未點火燃燒。

圖9 PET基和GAP基推進劑在應變率5000s-1時的高速攝影圖Fig.9 High-speed photographies of PET and GAP propellants at 5000s-1

2.2.3 不同RDX粒度推進劑的點火響應行為

G-中粒度和G-粗粒度推進劑在應變率4000s-1時的高速攝影圖如圖10所示。由圖10可知不同RDX粒度推進劑在4000s-1時的點火燃燒反應。在第一次應力波傳播過程中,試樣發(fā)生均勻變形,同一時刻下中等粒度推進劑的變形程度較粗粒度推進劑更大。同時,中等粒度推進劑還發(fā)生了明顯的剪切變形,且變形損傷最先發(fā)生在與入射桿端面接觸部分,其余部分推進劑并未觀察到明顯的撞擊破碎現(xiàn)象;此外,結合圖8的全息技術分析可見,中等粒度推進劑在584μs產生熱點,但并未發(fā)生持續(xù)的點火燃燒,而粗粒度推進劑在657μs時發(fā)生明顯點火現(xiàn)象,產生明亮火光。由此可見,在高應變率加載時RDX粒度越大,越容易產生點火現(xiàn)象。這是由于晶體的粒度越小,相應比表面積越大[8],當顆粒受到撞擊作用時,不易形成應力集中,能量分散在晶粒各處,也就不容易引起點火;此外粒徑越小,顆粒與黏合劑基體粘接的更牢固,受到撞擊作用時不易發(fā)生相對運動;最后,大粒度晶體多數是由小粒度晶體聚晶形成的,撞擊后易在其內部的晶界或者弱晶面上產生位錯、滑移等現(xiàn)象,發(fā)生剪切摩擦從而形成多個熱點,能量聚集即發(fā)生持續(xù)點火燃燒現(xiàn)象[23]。不同組分推進劑在不同應變率下的反應過程與反應烈度如圖11所示。

圖10 G-中粒度和G-粗粒度RDX推進劑在應變率4000s-1時的高速攝影圖Fig.10 High-speed photography of G-medium and G-coarse RDX particle propellants at 4000s-1

圖11 不同推進劑在不同應變率下的反應程度Fig.11 The reaction degree of different propellants at different strain rates

2.3 推進劑破壞形式分析

為研究推進劑在動態(tài)載荷下的破壞機制,利用相機和掃描電鏡對樣品進行破壞后推進劑的特征分析[24-25]。

P-中粒度推進劑在高應變率加載(1000～5000s-1)后的殘樣如圖12所示。從圖12可以看出,在1000s-1加載后,試樣僅被壓扁,外觀上沒有裂紋或孔洞等破壞形式的出現(xiàn);當應變率達到2000s-1時,由于試樣受到桿的軸向撞擊作用,觀察到表面和內部的軸向裂紋,同時在撞擊接觸面上出現(xiàn)徑向裂紋;應變率達到3000s-1時,試樣破壞表面出現(xiàn)明顯的條狀裂紋和微孔洞;隨著應變率的增加,撞擊速度也越來越大,試樣被撞成更小的碎片。

圖12 P-中粒度推進劑加載后殘樣照片F(xiàn)ig.12 The photographs of P-medium RDX particle propellant after loading

G-中粒度推進劑在高應變率加載(1000～5000s-1)后的殘樣如圖 13所示。從圖13可以看出,在1000s-1加載后,試樣僅被壓扁,外觀上沒有裂紋或孔洞等破壞形式出現(xiàn),但其變形程度遠大于P-中粒度推進劑;當應變率達到2000s-1時,試樣被擠壓破壞,碎片為條狀鋸齒形,邊緣有裂紋出現(xiàn);隨著應變率的增加,試樣被撞成小塊碎片,無法觀察到更明顯的破壞形式。

圖13 G-中粒度推進劑加載后殘樣照片F(xiàn)ig.13 The photographs of G-medium RDX particle propellant after loading

G-粗粒度推進劑在高應變率加載(1000～5000s-1)后殘樣如圖 14所示。從圖14可以看出,在1000s-1加載后,試樣僅被壓扁,外觀上沒有裂紋或孔洞等破壞形式的出現(xiàn);當應變率達到2000s-1時,試樣內部出現(xiàn)貫穿的徑向裂紋,同時側面可觀察到多條軸向裂紋;應變率達到3000s-1時,試樣被撞成不規(guī)則小塊,每一部分都可觀察到表面裂紋和孔洞。

圖14 G-粗粒度推進劑加載后殘樣照片F(xiàn)ig.14 The photographs of G-coarse RDX particle propellant after loading

P-中粒度推進劑在高應變率加載(1000～5000s-1)后的掃描電鏡圖如圖15所示。

圖15 P-中粒度推進劑在高應變率加載后的SEM圖Fig.15 SEM photographies of P-medium RDX particle propellant after high-strain rate loading

從圖15可以看出,在1000s-1加載時,顆粒和基體之間只出現(xiàn)了輕微脫粘,沒有明顯的破壞產生;當應變率達到2000s-1時,可觀察到明顯脫粘,同時在顆粒上有微裂紋出現(xiàn);隨著應變率增加,脫粘現(xiàn)象和微裂紋越來越明顯:在3000s-1時出現(xiàn)顯著的劈裂裂紋,4000s-1時觀察到穿晶斷裂,且脫粘顆粒的尺寸也由大變小。說明隨著應變率的增加,推進劑破壞模式越發(fā)顯著,破壞尺度也越來越小。

G-中粒度推進劑在高應變率加載(1000～5000s-1)后的掃描電鏡圖如圖 16所示。由圖16可以看出,當應變率為1000s-1和2000s-1時,顆粒與基體之間出現(xiàn)了脫粘現(xiàn)象,基體上觀察到明顯的裂紋;當應變率達到3000s-1時,黏合劑基體出現(xiàn)多條擴展裂紋;隨著應變率的增加破壞形式越來越顯著,當達到5000s-1時觀察到顆粒斷裂,可能是高速撞擊過程中的剪切作用導致的穿晶斷裂。此外,在5000s-1加載時還觀察到顆粒附近的黏合劑基體出現(xiàn)了孔洞,說明在高應變率撞擊時破壞可能會在顆粒與基體界面出現(xiàn)。

圖16 G-中粒度推進劑在高應變率加載后的SEM圖Fig.16 SEM photographies of G-medium RDX particle propellant after high-strain rate loading

G-粗粒度推進劑在高應變率加載(1000～5000s-1)后的掃描電鏡圖如圖 17所示。

從圖17可以看出,1000～2000s-1應變率加載時,G-粗粒度推進劑發(fā)生的破壞現(xiàn)象并不如P-中粒度和G-中粒度顯著,顆粒與基體之間出現(xiàn)了脫粘現(xiàn)象但在較低應變率時脫粘并不完全,仍能看到顆粒和基體的粘連,同時在基體上觀察到了裂紋;隨著應變率的增加,可觀察到明顯的裂紋聚集和顆粒破碎。

3 結 論

(1)GAP基推進劑在高應變率撞擊下的強度極限和彈性模量比PET基推進劑更高;中等粒度RDX比粗粒度RDX的強度極限、彈性模量更高,且這種差異在較低應變率(1000s-1)下更加明顯。此外,推進劑組分變化會對其是否發(fā)生屈服產生影響。

(2)GAP基推進劑比PET基推進劑更容易在高應變率沖擊下點火,這是因為GAP基推進劑在應力波的作用下?lián)p傷變形程度大,產生了黏性剪切流,對于本研究所使用的加載方式,更易因撞擊剪切摩擦形成熱點并最終點火。

(3)中粒度推進劑比粗粒度推進劑更難發(fā)生點火,這是由于晶體粒度小,比表面積大,不易形成應力集中,且粒徑越小,粘接作用越強,撞擊條件下不易發(fā)生相對運動和剪切摩擦導致。