宽温域热力耦合作用下PBX多尺度结构演化及效应研究

Polymer bonded explosive(PBX) will face harsh temperature and stress environment. Under the thermomechanical effect in wide temperature range, the changes of internal structure and mechanical properties of PBX are concerned with its application in weapons. So, study the multi-scale structure and properties change of PBX under wide temperature and stress environment is very important. In the project, the loading test of PBX based of HMX and TATB will be performed in the thermomechanical range of the temperature from -40℃ to 200℃ and the pressure from -40MPa to 8MPa. The internal structure will be characterized by advanced test methods from microscale to macroscopy. The multi-scale associated PBX structure evolution model will be built step by step on the basis of experiment data. The changes of mechanical properties of PBX under thermomechanical effects in wide temperature range will also be tested. Finally, the mechanism of mechanical properties change of PBX will be proposed. The results of this project will give improtant reference to the design, improvement and application of PBX.

高聚物粘结炸药(PBX)在实际应用中面临较宽范围的热力耦合环境，其结构与性能在温度和应力共同作用下可能会发生变化，而这将对其在武器中的应用产生影响，因此开展宽温域热力耦合作用下PBX多尺度结构演化及效应研究具有重要意义。本项目对HMX/TATB基PBX进行-40℃～200℃与-40MPa～8MPa范围内的宽温域热力耦合模拟加载试验，利用先进的分析检测手段研究其微观、细观到宏观的多尺度结构变化，基于固体统计细观力学框架并借助逐次渐近均匀化等方法建立其跨尺度关联模型，研究并掌握PBX在宽温域热力耦合作用下力学性能的变化情况，并从多尺度结构的角度提出其力学性能变化机制。本项目研究成果可为PBX材料的设计、改性与应用等奠定基础。

高聚物粘结炸药(PBX)作为一类颗粒高度填充的多界面、非均质含能复合材料，其在宽温域热力耦合作用下的结构变化及效应，直接关系到武器系统的可靠性和安全性。本项目首先从减少样品量、增加防爆装置和隔离操作三个方面出发，解决了-40℃～200℃范围宽温域炸药力学性能测试的安全性问题，获得了不同温度下HMX基和TATB基两种PBX拉伸/压缩强度、弹性模量和单位体积塑性功等力学参量的变化曲线，利用数字图像相关方法定量分析了PBX破坏前夕宏观应变场和位移场的演化过程，分析了两种PBX不同温度下拉伸/压缩细观破坏模式。结合中子小角散射和X射线μCT系统光路特点，分别设计了包括拉伸、压缩、弯曲等多模式的热力耦合加载平台。基于中子小角散射获得了PBX内部1～100nm尺度微缺陷的定量信息，获得了HMX基PBX在升、降温过程中内部孔洞总量及尺寸分布的变化规律，首次发现并解释了湿度对于降温过程中样品内部孔洞分布变化的重要作用，分析了内部缺陷对于HMX基PBX在50℃～200℃范围不同温度作用后力学响应行为的影响。基于X射线μCT扫描得到的横截面、纵截面及三维图像，借助图像增强、阈值分割和形态学运算等图像处理技术建立了PBX三维结构原位表征方法，利用数字化摄影技术实现了对-20℃～70℃温度范围TATB基PBX破坏过程的实时原位观测，对比了HMX基/TATB基PBX在20℃～200℃下压缩和拉伸加载后的损伤演化规律，并基于此提出了HMX晶体相变、颗粒细化等导致HMX基PBX高温压缩力学性能反常的重要原因。将嵌入式粘聚裂纹模型与真实细观结构模型边界进行耦合，建立了能够较准确描述PBX力学行为的宏细观耦合模型，在此模型基础上研究了动态与准静态半圆盘弯曲和单轴拉伸加载下PBX的力学行为与破坏机理。本项目初步建立了宽温域热力耦合作用下PBX多尺度结构变化及其对力学性能的影响机制，为武器性能评估及PBX材料改性等提供了研究基础。