基于光纤声发射方法的宽温域热致PBX裂纹时空演变规律研究

Polymer bonded explosives (PBX) have been considered as popular materials of weapons due to their advanced performance of high energy and insensitivity. However, when the environment temperature changes seriously during their transport and service, there will be some cracks, as same as the safety and reliability of PBX weapons will reduce. In this project, the temporal-spatial evolvement of PBX cracks subjected to changed thermals in a wide temperature range of -40~80℃is studied using with tiny fiber optic acoustic emission sensors (FOAES) and their acoustic emission characteristic method. Stress waves propagation velocities in PBX body are measured for improving the accurate spatial location of the initial crack source. The most important is to study the effect of temperature on stress wave dispation coefficient Q in a wide temperature range, because the viscoelasticity of crystal bonded composites changes obviously with temperature. The project aims to distinguish the process of crack initial and patulous stage according to the quantification energy released from the crack. The research on temporal-spatial evolvement of PBX cracks subjected to changed thermals will provide a reliable experiment method and theory basis for revealing the damage and fracture mechanism for crystal bonded composites.

聚合物粘结炸药(Polymer bonded explosives, PBX)因高能低感的优异性能而成为武器的主要材料，但在运输和服役过程中可能因环境温度变化剧烈而产生裂纹，降低炸药武器的安全性和可靠性。本项目采用微小型光纤声发射传感器与声发射表征方法开展-40~80℃宽温域范围内变温载荷诱发PBX圆柱体内裂纹萌生、扩展的时间和空间演变规律研究，通过应力波在粘弹性固体介质中传播速度的温度效应研究提高裂纹空间定位精度。重点研究在较宽温度范围内晶体粘结类复合材料粘弹性改变较大情况下，PBX的应力波耗散因数Q的温度效应，通过精确量化裂纹释放能实现区分裂纹萌生和扩展过程的目标。研究PBX热致裂纹时空演变规律将为进一步揭示晶体粘结类复合材料温度效应破坏断裂机理提供可靠的实验方法和理论依据。

聚合物粘结炸药(PBX)是国家战略武器的重要组件之一，在宽温域服役条件下，结构内部易受到热应力的作用，可能造成不可恢复的损伤、裂纹、甚至结构失稳。本项目利用具有实时监测功能的声发射技术开展了PBX 圆柱体表面和体内声发射源的宽温域高精度损伤定位方法研究，使用4个光纤声发射传感器优化布局在 PBX 圆柱体表面，根据声发射传感器阵列监测到的时间差和应力波在PBX体内的传播速度建立PBX圆柱体的裂纹萌生源定位方法，分析了平面定位和体定位造成定位误差的影响因素。实验发现不仅应力波传播速度将导致宽温域内声发射源定位误差，而且光纤光栅传感器的方向敏感性同样会造成定位误差。分析了应力波传播速度和光纤光栅敏感性对宽温域声发射源定位误差的影响。利用声发射自动传感器测试功能开展了在宽温域温度范围内应力波能量在 PBX 体中空间距离的衰减规律的研究，通过对声发射波特征参量的分析，拟合计算得到应力波波速v、衰减系数 α与 PBX 体温度 T 的关系，实验过程中发现应力波在PBX材料传播过程中频散出两种模式不同的波，高频高速波和低频低速波，为此在研究过程中对获得了两种模式波的波速和衰减系数，此发现将为减少定位传感器数量提供一种实施途径。同时，根据求得的应力波波速v、衰减系数α，建立了应力波能量衰减函数 ，通过距离和温度的补偿量化裂纹萌生和扩展释放的应力波能量，更精准地识别宽温域 PBX 裂纹萌生阶段和扩展阶段。采用压电声发射传感器开展了PBX圆柱体进行热致裂纹实验验证，在时间维度和空间维度上进行裂纹起裂与扩展分析，掌握了PBX圆柱体热致裂纹萌生、起裂和扩展的时间和空间规律。