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图像法研究PBX在宽温域下的压缩性能

上官佩珺  
【摘要】:高聚物粘结炸药(Polymer Bonded Explosives,PBX)是一种颗粒高度填充的复合材料,具有较好的力学性能和安全性,在兵器装备中得到了广泛应用。PBX在使用过程中会受到较大范围的各种环境温度变化,因此研究宽温域下PBX的力学性能有很强的实用意义。本文主要利用数字图像技术研究了不同温度下两种PBX的压缩力学性能,包括应力-应变曲线、本构模型、泊松比等,并通过扫描电镜图像分析了材料破坏模式。PBX的力学性能受炸药晶体和粘结剂的影响较大,本文以PBX-03和PBX-14两种材料为对象,通过实验方法研究了其在不同温度下的力学性能变化。实验温度范围为-40~20℃,具体分为三组实验,分别在110℃~200℃、50℃~170℃、-40℃~-10℃三个温度区间,高温实验采用小试样,低温实验采用标准试样。试验过程中通过数字图像方法获得样品表面的压缩过程的实时应变场,利用材料试验机和同步控制器获得相对应的应力。结果表明高温下两种PBX的力学性能总体上随温度上升而迅速降低,但PBX-03表现出反常现象,在155℃~170℃之间力学性质几乎一致,在185℃~200℃之间随温度上升力学性能明显增强。PBX-03的主体炸药为HMX,HMX在154℃下发生β→γ晶型转化时能保持力学性质恒定不变,在167-183℃发生β→ δ晶型转化时力学性质明显增强,高温下引起力学性质反常的主要为δ晶型。低温下两种PBX的力学性质受温度影响不如高温明显,随温度降低弹性模量和强度略有增加。两种PBX的泊松比随温度升高而增加,在高温条件下变化更明显。从电镜照片中可以看出PBX-14的层状晶体结构,在高温下发生晶体破坏和粘结剂软化拉丝,低温下大颗粒脱粘是压缩破坏的主要模式。两种PBX的应力应变关系可以利用高斯函数获得更高精度的拟合,物理意义可以由炸药晶体和粘结剂脱粘的概率密度函数近似获得。利用Johnson-Cook模型及其改进模型拟合应力应变曲线结果的相关性较差。此外本文通过MATLAB图像方法分析了一组PBX压缩过程原位检测的CT照片。本文分析了几种滤波手法和阈值分割方法,研究压缩后PBX样品内部的裂纹分布,获得了较好的结果。综上,本文主要通过数字图像技术、扫描电镜等方法研究了两种PBX在不同温度下的力学性能、破坏形式、本构关系和内部裂纹分布等情况,并发现PBX-03受HMX相变影响导致高温下力学性质发生反常变化。本文研究有助于分析温度和应力对PBX材料性能的影响规律,对PBX工程应用与性能改良等具有参考意义。


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