非均质含能材料损伤及起爆耦合机理研究

本项目以非均质含能材料为研究对象，从损伤角度研究含能材料损伤及起爆这一复杂的耦合问题：一、进行含能单晶体损伤破坏过程的实验研究，对含能复合材料的损伤进行多尺度观测及表征，获取含能晶体及含能复合材料的主要损伤模式，研究其破坏机理；二、通过预制损伤并对损伤含能材料冲击起爆过程进行实验观测，定量评价损伤对含能材料冲击起爆的影响；三、开展含能材料损伤的细观和微观数值模拟，研究含能材料损伤缺陷的萌生、扩展以及对冲击感度影响的细观和微观机理；四、分析损伤与起爆的耦合特征及机理，选取与起爆过程相关联的特征物理量，建立损伤与起爆耦合的数学模型，结合具体问题，对含能材料的损伤破坏及起爆过程进行模拟计算，对装药安全性进行定量评价。本项目的研究成果有助于加深对含能材料损伤及起爆耦合过程的细观和微观认识，对指导含能材料配方和结构设计、评价含能材料装药可靠性和使用安全性以及寿命预测等都具有非常重要的意义。

针对非均质炸药损伤与反应起爆的耦合机理，项目从含能单晶、颗粒炸药、PBX炸药三个层面开展了系统的研究工作，取得丰硕的成果，并在工程实际中得到初步应用。.含能单晶方面：①成功制备出高品质RDX和HMX大尺寸单晶，利用纳米压痕试验，测定了HMX和RDX多个晶面的弹性模量、硬度及断裂韧性，揭示了塑性和脆性裂纹损伤的各向异性特征；②通过颗粒集合压缩刚度试验评定晶体品质，指出高品质晶体颗粒具有高初始割线模量和高振荡幅值；③对RDX单晶进行冲击加载，采用全光纤激光干涉高速测速仪，得到了不同压力作用下RDX单晶的界面粒子速度，解决了含能单晶冲击起爆测试的技术难题；④建立了含能单晶动高压各向异性的热力学本构，解决了状态方程引入单斜晶系晶体塑性的难点问题，模拟了含能晶体力-热耦合效应及各向异性波结构。⑤采用ReaxFF反应力场的分子动力学模拟，得到了空位缺陷对含能单晶分解反应影响规律，进而得到了HMX单晶热波激发化学反应的机理。.在颗粒炸药方面：①建立了颗粒炸药低速撞击响应的光学测试系统，首次定量描述了炸药颗粒变形-破碎-熔化-点火-爆燃时间上先后关联的细观过程，研究了多个热点间的相互作用关系，提出撞击感度定量评价的新依据；②建立包含多种热点机制的点火-燃烧颗粒炸药撞击模型，获得热点温度及燃烧剧烈程度受材料性质、表面条件、仪器系统刚性及输入能量的影响规律，获得点火发生及形成大范围剧烈燃烧的临界条件。③采用定时压制结合CT扫描观测技术，获得压制过程颗粒流动、重排、破碎、裂纹形核与扩展的细观图像，实现了炸药颗粒损伤破坏的定量表征。.在PBX炸药方面：①发展了光学显微观测、超声波检测及精细密度测定方法，进行了PBX炸药热损伤表征，研究了热损伤对PBX炸药冲击起爆的影响规律。②提出了PBX炸药反应区本构方程的整体标定方法，得到系数具有明确物理意义的反应速率方程；③建立了包含粘弹性损伤界面及颗粒准脆性损伤的细观本构模型，研究得到了组份性质及细观结构对PBX炸药力学及起爆行为的影响规律。④进行了热-冲击复合加载PBX炸药热点形成及起爆的细观数值模拟，得到细观结构非均匀性造成的局部化特征对冲击起爆的影响规律。