兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (9): 3114-3124.doi: 10.12382/bgxb.2023.0940
徐跃跃1, 张向荣1,*(), 高家乐1, 刘战伟2, 苗飞超3, 刘攀4, 周霖1
收稿日期:
2023-09-15
上线日期:
2023-11-20
通讯作者:
基金资助:
XU Yueyue1, ZHANG Xiangrong1,*(), GAO Jiale1, LIU Zhanwei2, MIAO Feichao3, LIU Pan4, ZHOU Lin1
Received:
2023-09-15
Online:
2023-11-20
摘要:
3,4-二硝基吡唑(3,4-dinitropyrazole,DNP)基熔铸炸药由于兼具高能量和高安全性,在含能材料领域具有广阔的应用前景,研究该炸药在不同应力状态下的力学性能和失效形式,将对其工程化提供理论和试验支撑。采用美国伊斯特朗(INSTRON)5965万能材料试验机、分离式霍普金森压杆对DNP基熔铸炸药典型配方进行准静态压缩力学性能、动态压缩力学性能以及准静态拉伸力学性能测试,分析添加剂(Cellulose Acetate Butyrate,CAB)含量、应变率等因素对力学性能的影响,研究DNP基熔铸炸药在准静态压缩、动态压缩和准静态巴西劈裂条件下的失效形式。研究结果表明:DNP基熔铸炸药的抗压强度整体随应变率的升高而增加;在准静态加载下,抗压强度随着添加剂含量的增加而降低,而在动态加载下则呈相反的变化趋势,当添加剂含量达到一定值时,熔铸炸药的抗拉强度显著提高;不同加载条件下DNP基熔铸炸药满足的强度失效准则不同,其中准静态压缩符合最大剪应力准则,动态压缩符合最大拉应变准则,巴西圆盘试验符合最大拉应力准则。
中图分类号:
徐跃跃, 张向荣, 高家乐, 刘战伟, 苗飞超, 刘攀, 周霖. DNP基熔铸炸药的力学性能和失效准则[J]. 兵工学报, 2024, 45(9): 3114-3124.
XU Yueyue, ZHANG Xiangrong, GAO Jiale, LIU Zhanwei, MIAO Feichao, LIU Pan, ZHOU Lin. Mechanical Properties and Failure Criteria of DNP-based Melt-cast Explosives[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(9): 3114-3124.
炸药 | 密度/ (g·cm-3) | 熔点/℃ | 爆速/ (m·s-1) | 爆压/GPa |
---|---|---|---|---|
DNP | 1.87 | 85 | 8104 | 29.4 |
TNT | 1.65 | 81 | 6900 | 21.0 |
表1 DNP与TNT性能比较
Table 1 Comparison of DNP and TNT performances
炸药 | 密度/ (g·cm-3) | 熔点/℃ | 爆速/ (m·s-1) | 爆压/GPa |
---|---|---|---|---|
DNP | 1.87 | 85 | 8104 | 29.4 |
TNT | 1.65 | 81 | 6900 | 21.0 |
配方 | 组分 |
---|---|
1 | DNP/HMX=40/60 |
2 | DNP/HMX/功能助剂=39/60/1 |
3 | DNP/HMX/功能助剂=37/60/3 |
表2 试验配方
Table 2 Test formulation
配方 | 组分 |
---|---|
1 | DNP/HMX=40/60 |
2 | DNP/HMX/功能助剂=39/60/1 |
3 | DNP/HMX/功能助剂=37/60/3 |
配方 | 编号 | 直径/ mm | 高度/ mm | 质量/ g | 密度/ (g·cm-3) | 平均密度/ (g·cm-3) |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 10.06 | 9.98 | 1.43 | 1.80 | ||
1 | 2 | 10.05 | 10.03 | 1.43 | 1.80 | 1.81 |
3 | 10.01 | 10.00 | 1.42 | 1.81 | ||
4 | 10.02 | 10.00 | 1.43 | 1.81 | ||
1 | 10.03 | 9.99 | 1.43 | 1.81 | ||
2 | 2 | 9.99 | 10.03 | 1.42 | 1.81 | 1.80 |
3 | 9.99 | 5.07 | 0.71 | 1.80 | ||
4 | 10.03 | 5.02 | 0.72 | 1.80 | ||
1 | 10.01 | 9.97 | 1.41 | 1.80 | ||
3 | 2 | 10.01 | 10.07 | 1.42 | 1.80 | 1.80 |
3 | 9.96 | 5.06 | 0.71 | 1.80 | ||
4 | 10.00 | 5.10 | 0.72 | 1.81 |
表3 各配方药柱规格
Table 3 Specifications of different formula grains
配方 | 编号 | 直径/ mm | 高度/ mm | 质量/ g | 密度/ (g·cm-3) | 平均密度/ (g·cm-3) |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 10.06 | 9.98 | 1.43 | 1.80 | ||
1 | 2 | 10.05 | 10.03 | 1.43 | 1.80 | 1.81 |
3 | 10.01 | 10.00 | 1.42 | 1.81 | ||
4 | 10.02 | 10.00 | 1.43 | 1.81 | ||
1 | 10.03 | 9.99 | 1.43 | 1.81 | ||
2 | 2 | 9.99 | 10.03 | 1.42 | 1.81 | 1.80 |
3 | 9.99 | 5.07 | 0.71 | 1.80 | ||
4 | 10.03 | 5.02 | 0.72 | 1.80 | ||
1 | 10.01 | 9.97 | 1.41 | 1.80 | ||
3 | 2 | 10.01 | 10.07 | 1.42 | 1.80 | 1.80 |
3 | 9.96 | 5.06 | 0.71 | 1.80 | ||
4 | 10.00 | 5.10 | 0.72 | 1.81 |
杆件及 子弹 | 长度/ mm | 直径/ mm | 密度/ (g·cm-3) | 弹性模 量/GPa | 波速/ (m·s-1) |
---|---|---|---|---|---|
入射杆 | 1060 | ||||
透射杆 | 1060 | 14.5 | 2.78 | 70 | 5018 |
阻尼杆 | 600 | ||||
子弹 | 200 |
表4 杆件参数
Table 4 Bar parameters
杆件及 子弹 | 长度/ mm | 直径/ mm | 密度/ (g·cm-3) | 弹性模 量/GPa | 波速/ (m·s-1) |
---|---|---|---|---|---|
入射杆 | 1060 | ||||
透射杆 | 1060 | 14.5 | 2.78 | 70 | 5018 |
阻尼杆 | 600 | ||||
子弹 | 200 |
配方 | 抗压强度/MPa | 失效应变 | Δεf/% | 弹性模量/GPa |
---|---|---|---|---|
1 | 8.54 | 0.0121 | 1.02 | |
2 | 6.51 | 0.0124 | 2.5 | 0.74 |
3 | 5.37 | 0.0139 | 15 | 0.44 |
表5 10-4s-1应变率对比
Table 5 Comparison of strain rates at 10-4s-1
配方 | 抗压强度/MPa | 失效应变 | Δεf/% | 弹性模量/GPa |
---|---|---|---|---|
1 | 8.54 | 0.0121 | 1.02 | |
2 | 6.51 | 0.0124 | 2.5 | 0.74 |
3 | 5.37 | 0.0139 | 15 | 0.44 |
配方 | 抗压强度/MPa | 失效应变 | Δεf/% | 弹性模量/GPa |
---|---|---|---|---|
1 | 9.84 | 0.0116 | 0.98 | |
2 | 7.45 | 0.0102 | -12 | 1.00 |
3 | 6.11 | 0.0138 | 19 | 0.60 |
表6 10-2s-1应变率对比
Table 6 Comparison of strain rates at 10-2s-1
配方 | 抗压强度/MPa | 失效应变 | Δεf/% | 弹性模量/GPa |
---|---|---|---|---|
1 | 9.84 | 0.0116 | 0.98 | |
2 | 7.45 | 0.0102 | -12 | 1.00 |
3 | 6.11 | 0.0138 | 19 | 0.60 |
图9 配方1~配方3准静态压缩后微观形貌(左、右均为垂直于断面视图)
Fig.9 Microscopic morphologies of Formulations 1-3 after quasi-static compression (Both left and right are perpendicular to the cross-sectional view)
配方 | 抗压强度/MPa | 失效应变 | Δεf/% | 弹性模量/GPa |
---|---|---|---|---|
1 | 10.2 | 0.0043 | 3.40 | |
2 | 13.5 | 0.0051 | 18.6 | 5.02 |
3 | 14.3 | 0.0057 | 32.6 | 5.46 |
表7 70s-1应变率对比
Table 7 Comparison of strain rates at 70s-1
配方 | 抗压强度/MPa | 失效应变 | Δεf/% | 弹性模量/GPa |
---|---|---|---|---|
1 | 10.2 | 0.0043 | 3.40 | |
2 | 13.5 | 0.0051 | 18.6 | 5.02 |
3 | 14.3 | 0.0057 | 32.6 | 5.46 |
配方 | 抗压强度/MPa | 失效应变 | Δεf/% | 弹性模量/GPa |
---|---|---|---|---|
1 | 13.9 | 0.0056 | 5.71 | |
2 | 20.2 | 0.0046 | -17.9 | 6.96 |
3 | 25.7 | 0.0058 | 3.6 | 11.05 |
表8 180s-1应变率对比
Table 8 Comparison of strain rates at 180s-1
配方 | 抗压强度/MPa | 失效应变 | Δεf/% | 弹性模量/GPa |
---|---|---|---|---|
1 | 13.9 | 0.0056 | 5.71 | |
2 | 20.2 | 0.0046 | -17.9 | 6.96 |
3 | 25.7 | 0.0058 | 3.6 | 11.05 |
配方 | 抗压强度/MPa | 失效应变 | Δεf/% | 弹性模量/GPa |
---|---|---|---|---|
1 | 17.1 | 0.0042 | 6.62 | |
2 | 21.8 | 0.0058 | 38.1 | 6.27 |
3 | 23.1 | 0.0063 | 50.0 | 10.87 |
表9 230s-1应变率对比
Table 9 Comparison of strain rates at 230s-1
配方 | 抗压强度/MPa | 失效应变 | Δεf/% | 弹性模量/GPa |
---|---|---|---|---|
1 | 17.1 | 0.0042 | 6.62 | |
2 | 21.8 | 0.0058 | 38.1 | 6.27 |
3 | 23.1 | 0.0063 | 50.0 | 10.87 |
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doi: 10.3969/j.issn.1000-1093.2021.11.007 |
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