含能晶体力学性能研究

论文摘要

含能晶体的力学性能（如弹性模量、断裂强度等）和力学行为（如位错滑移、塑性屈服、断裂破坏等）对含能材料的设计、制备,以及起爆性能和安全性能都具有重要的影响。本论文从含能晶体力学性能的宏观和微观两个方面出发,分别对晶体颗粒集合体和单晶体的力学性能进行了研究。基于含能晶体颗粒集合体力学性能与晶体品质的相关性,选用不同品质的RDX和HMX晶体进行压制试验,采用Kawakita和Heckel方程对压制曲线进行拟合,从拟合常数来评价晶体颗粒的力学性能和品质,并进一步对压制过程进行了分段分析,探讨了压制实验参数对实验结果的影响,研究了压制过程产生的声发射信号的规律。结果表明:Kawakita和Heckel压制方程的以模量倒数为量纲的拟合常数具有系综统计平均意义,可以用来表征晶体颗粒的力学性能;拟合常数越小,晶体品质越好;重结晶RDX和HMX晶体所得到的拟合常数明显小于工业级晶体颗粒,判断重结晶晶体品质比工业级颗粒高,与其它评价方法的结果一致;基于压制曲线曲率变化特点并结合压制实验过程,将晶体颗粒压制过程分为重排、破碎和压实三个阶段,破碎阶段的拟合常数结果最能真实反映含能晶体的力学性能;压制实验各参数中,模具尺寸和单位面积装粉量对实验结果的影响非常明显,样品的初始高度（密度）只有在差别较大时才会产生较大的影响,而粒径分布和加载速率的影响均非常有限;压制过程产生的声发射信号的幅度、波击计数（率）和上升时间等特征参数呈现出明显的与压制行为对应的规律。用纳米压痕方法对高品质大尺寸的β-HMX单晶体进行实验,首次测得其在（010）和（001）两个晶面上的弹性模量（分别为22.88GPa和26.05GPa）和硬度（分别为1.11GPa和0.95GPa）,并采用各向异性弹塑性本构模型和文献的HMX晶体弹性常数对压痕实验进行有限元数值模拟,初步探讨了模拟和实验曲线的差别并分析了其中的原因。研究结果表明:Zaug和Sewell等人的弹性模量值均比压痕实验结果要小;采用Zaug数据的模拟曲线与实验曲线存在很大差别,与Zaug的数据计算得到的剪切模量很小有关;采用Sewell数据的模拟卸载曲线与实验曲线比较接近,表明实际上Sewell的弹性模量与压痕实验值比较接近,但二者因为测量原理不同而在数值上存在较大差异,分析认为作为三维加载方式的压痕方法获得的材料弹性参量更接近工程实际应用意义的弹性参量。本研究定量表征了RDX和HMX晶体集合体的统计平均力学性能,确定了HMX单晶体的纳米压痕方法的微观力学性能,对预测含能材料的力学行为和起爆行为具有重要的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 含能晶体力学性能概述
• 1.2 研究背景与目的
• 1.2.1 力学性能与晶体品质
• 1.2.2 晶体品质评价
• 1.2.3 力学性能与品质评价
• 1.3 论文研究内容和方法
• 第二章 含能晶体颗粒集合体的力学性能
• 2.1 颗粒压制与压制方程
• 2.1.1 颗粒压制过程
• 2.1.2 压制方程
• 2.2 压制实验
• 2.2.1 实验装置
• 2.2.2 实验原料
• 2.2.3 实验条件
• 2.3 实验结果及分析
• 2.3.1 载荷—位移曲线分析
• 2.3.2 压制曲线与模型分析
• 2.4 品质评价结果
• 2.5 压制模型比较及修正模型
• 2.6 压制过程的分段
• 2.7 压制实验参数的影响
• 2.7.1 模具尺寸
• 2.7.2 单位面积装粉量
• 2.7.3 初始密度（高度）
• 2.7.4 粒径分布
• 2.7.5 压制速率
• 2.8 本章小结
• 第三章 晶体颗粒集合体压制中的声发射现象
• 3.1 声发射技术概述
• 3.2 声发射信号处理
• 3.2.1 声发射信号的参数分析法
• 3.2.2 声发射信号的波形分析法
• 3.3 含能晶体颗粒压制的声发射实验
• 3.3.1 实验材料和条件
• 3.3.2 实验声发射信号参数分析法的结果
• 3.3.3 声发射信号特征参数与晶体颗粒压制过程的相关性
• 3.3.4 实验声发射信号波形分析法的结果
• 3.4 本章小结
• 第四章 含能单晶体的力学性能
• 4.1 弹性模量测定的压痕理论
• 4.2 纳米压痕实验及结果
• 4.2.1 纳米压痕仪
• 4.2.2 HMX单晶体样品
• 4.2.2 纳米压痕试验及结果
• 4.3 晶体弹性常数的理论基础
• 4.3.1 晶体中的Hooke定律
• 4.3.2 弹性张量的物理意义
• 4.3.3 HMX晶体的弹性常数
• 4.4 ANSYS数值模拟
• 4.4.1 几何模型建立
• 4.4.2 材料模型假定和参数设置
• 4.4.3 ANSYS模拟计算结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录