晶体高度填充非均质PBX炸药微界面损伤及其演变的非线性超声研究

PBX（Polymer Bonded eXplosive）, a kind of hetrogenerous polyphase composite material with highly packed explosive crystals, is wildly used in virious weapons. The existence of micro interface damages of PBX parts such as crystal gaps, micro holes, particle cracks, binder cracks and their expansion will induce the mechanical performance to degradate, bearing capacity to reduce, hot-spot source to increase, and affect the usage-efficiency, detonation-safety and storage-reliability. Until now there is no non-destructive detection method for the micro interface damages inside PBX parts and their evolution..Studies on the materials and mechanics show that the damages and their evolution formed in materials will induce nonlinear ultrasonic. In this project, based on the nonlinear wave-motion theory, the mechanics of micro interface damages of PBX and the ultrosonic nonlinear response will be disclosured by digital simulation associated with experimental techniques, the nonlinear ultrasonic testing method will be developed through study on nonlinear ultrasonic behaviour in fatiguing, creeping, heat shocking process, some new methods will be provided for the evaluation of usage-efficiency and storage-reliability of weapons.

PBX是一种由炸药晶体颗粒高度填充于粘结剂中的非均质多相复合材料，它作为一种性能优良的高能钝感炸药已广泛应用于各类武器中。PBX成型部件中必然存在的晶体孔洞、颗粒破碎、基体开裂、微裂纹/闭合裂纹等大量微界面损伤及其扩展演变将诱发炸药件力学性能退化、承载能力下降，同时使热点源增加，进而影响武器的使用有效性、爆轰安全性和库存可靠性。但目前对PBX成型部件内部的微界面损伤及其演变尚无有效的非破坏性检测评估方法。.研究表明，材料产生损伤或损伤扩展后会导致超声在其中传播的非线性现象。本项目基于非线性波动理论，通过数字仿真和实验技术相结合的方法探索研究PBX成型部件微界面损伤与超声非线性响应之间的作用机理，通过疲劳、蠕变、热冲击损伤及其扩展演变过程中的非线性超声行为研究，探索建立适用于PBX成型部件微界面损伤评估的非线性超声测试分析技术，为深入开展武器使用有效性及库存可靠性研究提供新方法。

高聚物粘结炸药(PBX)是一种炸药晶体颗粒高度填充于高分子粘结剂中的非均质复合材料，在制造成型过程中内部不可避免产生各种形式的初始微界面损伤。PBX材料部件在装配、运输、贮存等过程中，在热、机械作用下，其中的初始微界面损伤可能不断扩展进而将影响武器系统的可靠性和安全性，因此有必要探索研究PBX材料内部损伤及其演变的无损评价方法。本项目基于非线性超声波动理论，初步研究建立了一套适用于PBX损伤研究的非线性超声测试装置和测试方法，通过实验研究定性获得了TATB基PBX试件初始损伤程度与非线性超声系数和波形畸变的关系，表明利用非线性超声系数可以在非破坏性的前提下定性判别TATB基PBX材料的初始损伤程度，从实验上验证了非线性超声检测PBX损伤的可行性；通过实验研究获得了TATB基PBX材料在疲劳、蠕变等作用下损伤及其演变的非线性超声响应行为，表明非线性超声参量可以有效监测蠕变、疲劳等机械加载累损伤的发展过程；通过实验研究获得了三种典型PBX材料在水浴式温度梯度（±10℃、±20℃、±30℃、±40℃）激冷激热冲击下不同部位的非线性超声响应行为，通过与相应位置处内部损伤的工业CT与超声C扫描检测结果比较，表明非线性超声系数与相应测试点的温度冲击损伤程度有较好的对应关系，根据非线性超声系数可以定性判定PBX材料的热冲击损伤程度。研究表明，与增益、声速等线性参量相比，非线性超声参量对疲劳、蠕变、热冲击等作用下的损伤及其演变的响应较为敏感，非线性超声参量更适合于定性表征PBX损伤发展或力学性能退化。本项目研究结果为工程应用上实现对在役PBX构件的损伤识别、性能退化监测提供了技术基础。