应用小角散射技术研究聚合物粘结炸药的力热损伤

The damages in polymer bonded explosives (PBX) could induce the decrease of strength and stiffness of PBX, and probably result in the fracture. In this project, we intend to employ small-angle neutron and X-ray scattering techniques to further study the damages of HMX-based PBX. In order to realize the accurate characterization of damages in PBX, deuteration (contrast variation) technique, data analysis method, as well as in situ thermal and mechanical environment equipments will be developed and optimized in this project. The damage evolution process of PBX will be quantitatively determined by small-angle scattering measurements. The possible damage mechanisms are planned to be mainly deduced from the evolution of multi-phase interface area, size distribution of voids, and molecular chain structure. The techniques and results developed in this project could shed light on the micro-scale damage mechanisms, and lay the foundation for predicting the trend of damage evolution in PBX.

损伤会引起聚合物粘结炸药（PBX）结构强度和刚度下降，并可能最终导致结构破坏。本项目拟使用中子和X射线小角散射技术，从纳米至亚微米尺度深入研究HMX基PBX的多层级、动态损伤破坏行为。根据PBX的成分结构以及温度敏感和小变形量等特点，发展氘代样品制备、数据反演分析技术，优化样品加载环境设备，实现PBX复杂损伤结构的精确分类表征。获得PBX的力、热损伤演化小角散射实验数据，定量分析损伤的演化过程。重点从多相界面、微孔洞尺寸分布以及粘结剂分子链结构演化的角度，分析PBX的微（细）观损伤机理。本项目拟建立的实验方法为研究PBX的损伤行为提供了新的途径，获得的研究结果可为预测损伤的演化趋势提供基础的科学依据。

损伤会引起高聚物黏结炸药（PBX）结构强度和刚度下降，并可能最终导致结构破坏。本项目使用中子和X射线小角散射（SANS和SAXS）技术，深入研究了PBX的多层级、动态损伤破坏行为，为预测PBX损伤的演化趋势提供科学依据。取得的研究成果在我国兵工行业具有重要应用价值。主要的研究进展有：. （1）建立了表征PBX复杂损伤结构的系统SANS-SAXS实验技术，如原位力热测量、绝对强度标定、多种数据分析模型等，实现了PBX损伤结构的精确分类表征。掌握了探测炸药-黏结剂-孔洞三相界面的氘代技术和数据分析方法、表征PBX中损伤分布的点光源SAXS扫描散射成像技术，以及描述黏结剂微相结构的多分散硬球相互作用模型，为揭示PBX的力热损伤破坏行为提供了新的思路和方法。相关成果申请专利4项，发表论文4篇。. （2）获得了HMX-和TATB-PBX力热损伤演化的散射实验数据，定量分析了纳米至亚微米尺度损伤的演化过程和机理。深入研究了HMX-PBX在升降温过程的相变行为和损伤机制，报道了HMX-PBX在湿润空气中的δ→β逆相变过程和损伤增殖现象，5 μm-HMX比20 μm-HMX具有更优异的热安定性。发现在氟橡胶粘结剂中加入少量的硝化纤维素，样品的相变温度可提升10 °C；聚氨酯（Estane）粘结剂既可促进HMX的β→δ相变，又可促进其逆相变，β-HMX在HMX/Estane界面位置的溶解（升温）和析出（降温）是促进相变的主要因素。相关成果发表论文4篇。. （3）研究了聚酯型和聚醚型聚氨酯粘结剂在温度、湿度、辐射环境下的微相结构演化。小角散射技术表明，在40 °C以上，Estane中的硬段相（HSD）即开始与软段相发生相混合；在降温初期，相分离受调幅分解机制控制，而在后期，形核长大机制起主导作用。湿热老化导致了Estane的分子量下降，进而促进了HSD分子链的运动和重排，HSD聚集长大且数量密度显著下降。在拉应力作用下，HSD的平均距离增加（蝴蝶状散射），随后部分HSD发生了解离和破碎（散射强度下降），高应变下生成纤维晶结构。由于辐照样品（200 kGy）内部产生了大量的断链反应，因此在较低的应变下就发生了断裂。相关成果发表论文5篇。