新型熔铸炸药的动态行为与高过载抗性机制研究

为解决熔铸炸药在非冲击载荷下高过载抗性机制不明确的问题，研究人员通过设计含3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)的新型熔铸炸药MN-3，结合SHPB（分离式霍普金森压杆）和巴西圆盘实验，揭示了其动态压缩/拉伸响应及微观损伤演化规律，建立了考虑黏弹塑性-损伤不对称的本构模型，为高过载抗性熔铸炸药设计提供了重要理论支撑。

　　

在军事和航天领域，高速度侵彻战斗部对主装药的高过载抗性提出了严苛要求。传统熔铸炸药如TNT（2,4,6-三硝基甲苯）虽具有装药密度均匀的优点，但其在非冲击载荷（幅值≤2 GPa、脉宽毫秒级）下的动态响应机制尚不明确。尤其当装药面临侵彻、跌落等复杂应力时，微观缺陷的演化可能引发意外点火，威胁武器系统可靠性。更棘手的是，现有研究多集中于压装PBX（聚合物粘结炸药），而熔铸炸药因脆性显著、缺陷更多，其动态行为与压装炸药存在本质差异。

针对这一挑战，北京理工大学的研究团队创新性地将高能钝感晶体NTO引入DNAN（2,4-二硝基苯甲醚）基熔铸体系，研制出新型MN-3炸药。通过SHPB实验在210-1000 s^-1应变率范围内捕捉其动态压缩响应，结合巴西圆盘-DIC（数字图像相关技术）联用解析拉伸失效行为。微观结构分析表明，MN-3在动态载荷下虽呈现脆性特征，但压缩/拉伸强度分别达25 MPa和1.90 MPa，显著优于传统熔铸炸药。研究团队进一步构建了集成Visco-SCRAM（黏弹性统计裂纹模型）与Bodner-Partom塑性理论的动态本构模型，首次量化描述了熔铸炸药的拉伸-压缩损伤不对称性。LS-DYNA数值仿真验证显示，该模型能准确预测裂纹沿晶界扩展的局部应变非均匀分布现象。

关键技术方法包括：采用铜脉冲整形器实现SHPB实验中75 μs恒应变率加载；通过DIC技术原位监测巴西圆盘试样的全场应变；基于SEM（扫描电子显微镜）对比分析实验前后炸药的微观缺陷演变；利用Mohr-Coulomb准则驱动本构模型中的裂纹扩展模拟。

材料制备
MN-3由30 wt% DNAN、30 wt% HMX（环四亚甲基四硝胺）、30 wt% NTO及9 wt%铝粉组成。NTO的引入显著提升了体系能量水平，同时其机械强度优势抑制了DNAN基体的脆裂倾向。

黏弹塑性损伤本构模型
模型创新性地引入微裂纹密度张量，通过Weibull分布描述损伤演化率差异：压缩载荷下损伤增长因子为1.0，而拉伸状态下高达3.5，精准反映了熔铸炸药的力学不对称性。参数校准显示，MN-3的拉伸/压缩模量比仅0.38，属典型脆性材料特征。

实验结果
动态压缩曲线显示明显应变率硬化效应：应变率从210 s^-1升至1000 s^-1时，屈服强度由18 MPa增至32 MPa。巴西圆盘实验则揭示拉伸破坏呈突发性脆断，DIC捕捉到裂纹沿HMX-DNAN界面优先扩展。

结论与意义
该研究首次系统阐明了熔铸炸药在高过载条件下的动态损伤机制：压缩载荷诱发晶粒错动和剪切带，而拉伸应力导致界面脱粘主导的脆性断裂。相比压装PBX，MN-3虽更脆但强度更高，这归因于NTO晶体的桥联作用抑制了裂纹扩展。所建模型为战斗部装药结构优化提供了量化工具，其参数校准方法填补了熔铸炸药本构研究的空白。未来通过调控NTO粒径分布，有望进一步提升熔铸炸药的动态韧性。