2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基熔铸炸药研究进展

随着弹药安全性要求的不断提升,传统2,4,6-三硝基甲苯(TNT)基熔铸炸药在制造、运输和使用过程中暴露出的问题使其安全性不能达到钝感弹药的技术要求,2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药是近年来逐渐发展起来的一类可以替代TNT基炸药的钝感炸药。本文在系统跟踪近十年来国内外研究动态的基础上,综述了DNAN的合成及性能,DNAN基熔铸炸药爆炸特性、安全性、安定性、贮存特性、易损性、力学特性及流变特性等最新的研究与进展。展望了DNAN基熔铸炸药研究的热点和难点。     

2,4-二硝基苯甲醚为基熔铸炸药的研究进展

由于TNT为熔融介质的熔铸炸药不能满足钝感弹药(IM)要求,人们一直在寻求化学性能和物理性能相适宜的替代物。2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)熔点94~96℃,性能适宜,利用它的低感度可研制出IM应用的一类新型低感熔铸炸药,是TN T有前景的替代物。本文详细地综述了其合成现状、物理性能、热性能和相容性等和以DNAN为基的熔铸炸药配方的研制及相关性能的研究进展。     

2,4-二硝基苯甲醚基熔铸炸药慢速烤燃过程传热特征分析

为探究2,4-二硝基苯甲醚基熔铸炸药慢速烤燃过程的内部传热特征,设计了3组试验装置并进行烤燃试验。通过试验获得了炸药内部各测点在1 K/min热刺激下的温度变化曲线,其相变温度为73 ℃,响应温度为205 ℃,响应后均表现为不完全燃烧反应;结合响应结果判断出点火点位于弹体上部;系统地描述了炸药从固相到液相再到响应的内部温度变化过程。通过数值模拟观察了炸药相变的整个过程,对炸药受热时内部温度场变化进一步分析后发现：固相时炸药内部温度场为同心类椭圆状分布,液相时内部温度场为类层状分布;炸药相变后内部存在自然对流,对流是影响炸药点火点位置分布的主要因素。     

成型工艺对2,4-二硝基苯甲醚基熔铸炸药装药质量的影响

为了提高2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基熔铸炸药的装药质量,采用压力浇铸与真空浇铸成型工艺,研究其对DNAN基熔铸炸药温度场、缩孔疏松、相对密度及抗拉强度的影响规律。结果表明：压力浇铸使DNAN基熔铸炸药凝固时间缩短,药柱内部缩孔疏松及气孔减少;当成型压力达到0.8 MPa时,DNAN/奥克托今（HMX）炸药相对密度和抗拉强度分别提高了6.4%、9.9%,药柱无裂纹;DNAN/黑索今（RDX）炸药的相对密度提高了2.7%,但抗拉强度降低了40.8%,同时药柱存在裂纹。真空浇铸对DNAN基熔铸炸药凝固过程温度场无影响,使药柱内部缩孔疏松及气孔减少;当真空度达到0.08 MPa时,DNAN/RDX炸药的相对密度及抗拉强度分别提高了2.0%、14.3%,药柱无裂纹。因此,为了获得高质量的熔铸炸药,DNAN/HMX炸药可采用压力浇铸;DNAN/RDX炸药可采用真空浇铸。     

功能助剂对2,4-二硝基苯甲醚基熔铸炸药性能的影响

为了获得适用于2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸炸药的功能助剂体系,改善其装药性能,通过黏附功确定功能助剂为吐温60和醋酸丁酸纤维素(CAB);采用巴西实验、静态剪切实验、撞击感度爆炸概率法实验、摩擦感度爆炸概率法实验、小隔板实验和液体静力称量法,研究了功能助剂对DNAN 20/奥克托今80(HMX 80)熔铸炸药的拉伸强度、剪切强度、撞击感度、摩擦感度、冲击波感度和装药密度的影响规律。实验结果表明:功能助剂使得DNAN 20/HMX 80熔铸炸药在-40℃、20℃、60℃下的拉伸强度分别增大6.25%、10.3%、47.8%,剪切强度分别增大23.5%、27.8%、45.1%;摩擦感度、撞击感度和冲击波感度分别降低14.29%、4.76%、3.11%;相对密度提高0.2%.因此,功能助剂吐温60和CAB可以用于改善DNAN基熔铸炸药的力学性能和安全性能。     

2，4-二硝基苯甲醚基熔铸含铝炸药冲击起爆特性

为钝感高能炸药安全性设计和应用提供理论依据和物理基础,深入开展钝感熔铸含铝炸药冲击起爆特性实验研究。建立蓝宝石飞片平面撞击加载炸药一维拉格朗日分析组合式电磁粒子速度计实验测试系统,测量2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）基熔铸含铝炸药冲击起爆爆轰成长过程中不同拉格朗日位置的粒子速度-时间变化曲线,获得飞片撞击速度和固相炸药颗粒度等变化对其冲击起爆爆轰成长的影响规律,并确定了该熔铸含铝炸药的冲击Hugoniot关系（D=2.439+2.137u,D为冲击波传播速度,u为粒子速度）和未反应炸药状态方程参数。结果表明：DNAN基熔铸含铝炸药冲击起爆爆轰成长过程的典型粒子速度曲线呈驼峰状,冲击波阵面波后粒子速度明显上升并加速追赶前导波阵面,冲击起爆过程整体表现为加速反应特征;在该装药颗粒度级配范围和加载压力下,加载压力越高或固相炸药颗粒度越小,炸药冲击起爆爆轰成长越快,越早转为爆轰。     

2,4-二硝基苯甲醚基熔铸含铝炸药圆筒试验及爆轰产物状态方程

为明确含铝炸药冲击起爆过程中爆轰产物状态方程参数的确定方法,采用2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基熔铸含铝炸药RA1(奥克托今(HMX)/DNAN/Al)和对应含氟化锂(LiF)炸药RF1(HMX/DNAN/LiF)开展φ50 mm标准圆筒试验.利用电探针测速法和光子多普勒速度测试技术获得RA1和RF1炸药的爆速和圆筒...     

2，4-二硝基苯甲醚基熔铸炸药宏细观烤燃响应特性数值分析

2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)/奥克托今(HMX)熔铸炸药在烤燃过程中会发生DNAN熔化、HMX晶型转变等特征现象。为研究其烤燃响应特性,发展了DNAN熔化-化学反应动力学模型,结合HMX四步化学反应动力学模型,从宏观和细观尺度研究了DNAN基熔铸炸药的熔化、晶型转变及点火响应。宏观计算结果表明：DNAN在约377.00 K熔化,HMX在约450.00 K晶型转变,点火温度为531.34 K,点火位置位于装药上下端面与侧面夹角处环形区域,计算点火时间与实验结果误差为0.5%。基于宏观点火区域进行细观计算,发现点火位置位于HMX炸药晶粒,并得到DNAN熔化、HMX晶型转变等细观分布演化规律,即不同时刻,液相DNAN统计分布呈U形分布,δ-HMX近似正态分布。表明DNAN基熔铸炸药烤燃宏细观数值计算对深入理解含能材料的热点火机理具有重要意义。     

锆基非晶活性材料动态力学性能及本构关系

为了获得新型锆基非晶活性材料在动态加载条件下的力学性能及本构关系,采用压力渗透铸造法制备得到锆基非晶活性材料样品,借助分离式霍普金森压杆实验测量系统对其进行了不同应变率加载条件下的动态压缩实验,获得了应变率在300～1600 s-1范围内材料的应力-应变曲线,利用高速摄影观察记录了不同应变率条件下试件的破碎以及释能过程.结果表明:锆基非晶活性材料性能表现为脆性材料特征,应力-应变曲线不存在屈服阶段,且当应变率由947 s-1上升至1587 s-1时,材料抗压强度由2.71 GPa上升至2.78 GPa,增幅较小,约为2.6％,而断裂应变由0.032下降至0.028,下降12.5％;材料的破碎程度以及释能反应现象随应变率增加较为明显,当加载应变率较大时,材料破碎过程中存在应变软化现象;根据实验数据,拟合得到了锆基非晶活性材料断裂失效前的一维弹脆性损伤动态本构方程.     

含钨活性材料动态压缩力学性能

为了研究活性材料的动态压缩力学性能,利用分离式霍普金森压杆（SHPB）对材料进行单轴压缩加载,获得了材料在不同应变率下的应力-应变曲线。将应力时程曲线和高速摄影拍摄结果对比,得到材料的屈服应力和临界反应应力。基于修正后的Johnson-Cook本构模型拟合材料参数,代入有限元计算软件LS-DYNA,计算结果和实验结果吻合较好,表明获得的模型参数可以较好地反映该材料的力学性能。     

2,4-二硝基苯甲醚基钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆特性

为了探究钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆特性,建立化学爆炸加载一维拉格朗日锰铜压阻测试系统,获得了不同加载压力下一典型2,4?二硝基苯甲醚(DNAN)基钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆过程压力成长历史。利用熔铸含铝Duan?Zhang?Kim(DZK)细观反应速率模型,确定了该钝感含铝炸药的反应速率模型参数,并对其冲击起爆过程进行了数值模拟研究。结果表明在钝感熔铸含铝炸药的冲击起爆过程中,波阵面附近炸药的反应速率和反应程度均较低,而随着热点点火反应的进行以及化学反应的不断累积,炸药的波后化学反应速率不断增加,并在一段时间后到达峰值。当加载压力越高时,钝感熔铸含铝炸药内部的爆轰成长速率越快。同时,与粒子速度成长历史相比,压力成长历史包含更多的反应速率变化信息,更适用于反应速率模型的验证以及炸药反应流模型参数的确定。     

DNAN 基高固含量熔铸炸药力学性能研究

为了解2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)基高固含量熔铸炸药(20%DNAN/15%HMX/32.5%NTO/31%Al/1.5% 功能助剂,固含量78.5%)的动态力学性能,对其进行分析。使用万能材料试验机及分离式霍普金森杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)对DNAN 基熔铸炸药样品进行准静态与动态加载,获取炸药样品在准静态加载与动态加载条件 下的应力应变曲线;依据应力应变曲线,标定炸药的Maxwell 模型参数,并通过数值仿真对模型及标定参数进行验 证。验证结果表明：DNAN 基熔铸炸药失效应变低于1.6%,脆性大,随着加载应变率增大,材料失效应力随之增加, 机械响应应变率相关;Maxwell 模型标定参数准确,能较好地反映炸药在不同应变率加载下的力学性能。     

TiB2-B4C复合陶瓷动态压缩特性研究

为分析TiB₂-B₄C复合陶瓷的静动态力学性能及添加剂TiB₂的影响机制,设计了静动态压缩实验和平板撞击实验,开展了复合陶瓷在不同应变率下的动态压缩特性研究。结果表明：一维应力波加载下TiB₂-B₄C复合材料具有陶瓷材料的脆性特征,应力-应 变曲线呈典型的线性关系;由一维应变加载下试样的自由面速度历程可知,复合材料的Hugoniot弹性极限在14.98~16.91 GPa之间,且随着应变率的增加而增加;应变率低于10³ s^-1时,TiB₂-B₄C复合材料的动态压缩强度高于单相B₄C和单相TiB₂陶瓷,且具有正相关的应变率敏感性,复合材料强度的提升得益于微观结构的改善,而应变率敏感性主要受添加剂TiB₂的强化增韧媒介影响;然而,应变率高于10⁴ s^-1时,TiB₂-B₄C复合材料的Hugoniot弹性极限接近基体B₄C陶瓷,而受添加剂TiB₂的影响较小。     

DNAN 基熔铸炸药成型过程数值仿真

为模拟DNAN 基熔铸炸药成型过程,采用结构网格计算流场和温度场、非结构网格计算应力场的方法,得到DNAN 基熔铸炸药冷却凝固时清晰的固液界面以及合理的缩孔缩松及热应力分布。通过对比研究,在一定模具和装药尺寸条件下,提出减少DNAN 基熔铸炸药装药缩孔缩松、降低热应力极值以及缩短凝固时间的优化方案,方案为模具上表面保温1 h,模具下表面30 益恒温水浴。     

基于Johnson-Cook本构模型的高强度装甲钢动态力学性能参数标定及验证

具有高屈服强度的某装甲钢广泛应用于我国装甲车辆。为准确模拟该装甲钢的动态力学行为,开展基于Johnson-Cook（J-C）本构模型的动态本构参数标定及验证。采用万能材料试验机对该装甲钢进行不同温度下的准静态拉伸试验,同时采用分离式霍普金森压杆开展不同应变率下的压缩性能测试。基于实验数据和J-C本构模型,拟合得到该装甲钢的本构参数。基于轻气炮开展泡沫铝弹丸冲击均质梁的实验研究,分别采用J-C本构模型和理想弹塑性模型进行有限元仿真计算,并将冲击实验与数值结果进行对比分析。结果表明：该装甲钢具有应变率强化效应,且温度软化效应显著;采用J-C本构模型仿真的均质梁峰值挠度与试验结果的相对误差为1.7%~6.1%,残余挠度相对误差为0.6%~7.6%。