HMX基炸药在高温与低强度撞击共同作用下的响应机理研究

In order to develop the effective risk control method of explosives under high temperature, it is necessary to investigate the responses and mechanisms of explosives subjected to concurrent high-temperature and low-velocity impact loading, which is also one of the hot topics in the field of explosive materials usage. For the HMX-based PBX heterogeneous explosives with extremely complex microstructure and components, high temperature insults will lead to micro-cracking, porous, phase transition, discontinuous density etc. Damage due to high temperature is related to thermal stimulus type, heating rate and duration. Micro-structural damage evolutions and local thermal effect of explosives will occur under low-velocity impact loading. As the thermal and mechanical properties of the components of PBX are very different, the thermal damage and mechanical damage exist in the macro-and micro-spatial scales when the PBX was subjected to concurrent high-temperature and low-velocity impact loading. This project is aimed at mechanisms of high temperature thermal damage of explosives in the weak mechanical stimulus. Through developing experimental method characterizing high temperature thermal coupling with mechanical damage, the foundation of accurately safety evaluation under high-temperature scene will be laid. Temperature-dependent constitutive equations suitable for low-strength impact and reaction multiphysics field predictive model will be established. This research can provide theoretical basis for hazard control of high temperature energetic materials.

高温和低强度撞击共同作用下炸药的热力耦合机理以及高温下炸药发生延迟爆轰的规律，是研究高温极端场景炸药危险性控制方法的基础，也是目前该领域的前沿研究课题。对于组份和细观结构极其复杂的HMX基PBX非均质炸药，高温作用会导致与热膨胀、微裂纹、孔洞、相变、密度非连续等热损伤；低强度机械刺激会使材料发生微结构损伤演化及局部热效应。由于PBX高聚物塑料粘结炸药体系组份的热学和力学性能存在很大差异，当受到高温与低强度撞击同时作用时，热损伤和力学损伤同时存在于宏观和微观空间尺度范围内，响应规律更加复杂。本项目针对高温热损伤炸药在弱机械刺激下的响应机理，发展高温热损伤与力学损伤耦合导致延迟爆轰发生的试验表征方法，建立高温低强度撞击下本构模型和包含燃烧反应的多物理场模型，为准确预测反常高温环境下炸药安全性和危险性控制提供理论基础。

高温和低强度撞击共同作用下炸药的细微观力学-点火响应机理及燃烧转爆轰特性，是评价炸药安全性、反应烈度变化规律的基础，也是目前炸药在极端环境下安全性研究的前沿问题。高聚物粘结炸药（PBX）是武器系统的重要组成部分，由于材料显著的非均质性及各组分热力学性质的差异，高温引起的微裂纹、孔洞、相变等热损伤与低强度撞击引起的裂纹、脱粘等力学损伤相互耦合作用，导致局部热积累温度急剧升高，最后可能引发点火甚至爆轰。.本项目针对高温下单质炸药及PBX炸药撞击响应变化规律及其影响机制进行了试验、数值模拟和理论研究。从热膨胀、表面形貌、内部微结构、高温力学性能以及高温相变等不同角度出发，获得了PBX炸药的准静态以及动态力学响应及细观损伤、失效模式随温度的变化规律。设计建立了宽温域下单质炸药与PBX炸药撞击安全性试验方法，实现了热力耦合刺激的炸药多物理场耦合测试，系统地获得了高温下PBX炸药的撞击响应变化规律及单质炸药的撞击力学-点火图像，提出了PBX炸药撞击响应随温度变化的多物理多过程非线性演化机制。 基于XRD技术和晶型定量分析方法，量化了PBX炸药中HMX含量变化对其高温相变的影响。设计建立了燃烧转爆轰试验方法，获得了高温下PBX炸药燃烧转爆轰的特性及影响机制。建立了高温低强度撞击下考虑多物理机制的宏细观结合炸药“力-热-化学”计算平台，分析了炸药含量、温度、撞击速度等对炸药撞击力学-点火反应、高温相变等过程的影响规律。.本项目取得的研究成果，有助于从物理机制上深入理解并揭示热和机械加载的耦合作用对炸药化学反应、点火爆轰的影响机理，进一步指导高性能、耐高温PBX炸药的配方设计及筛选，对受热炸药的安全性评价及研究具有深远的意义。