【摘 要】
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炸药在意外刺激下的点火是人们重点关注的问题。其中,摩擦作为非冲击载荷成为引发炸药点火的主导机制之一,已受到人们的广泛关注。本文研究对象β-HMX(β型环四亚甲基四硝胺)晶体作为一种高聚物粘结炸药(PBX)体系的重要组成部分,因其良好的综合性能而广泛应用于各领域。β-HMX晶体作为一种含能晶体,目前其摩擦学行为研究主要通过宏观实验进行,其摩擦特性来自粘结剂和含能晶体的共同作用。最重要的是,从宏观尺度
【基金项目】
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中国工程物理研究院院长基金“含能晶体表界面的微纳尺度摩擦与润滑行为机理研究(基金编号:YZJJLX2020005)”;
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炸药在意外刺激下的点火是人们重点关注的问题。其中,摩擦作为非冲击载荷成为引发炸药点火的主导机制之一,已受到人们的广泛关注。本文研究对象β-HMX(β型环四亚甲基四硝胺)晶体作为一种高聚物粘结炸药(PBX)体系的重要组成部分,因其良好的综合性能而广泛应用于各领域。β-HMX晶体作为一种含能晶体,目前其摩擦学行为研究主要通过宏观实验进行,其摩擦特性来自粘结剂和含能晶体的共同作用。最重要的是,从宏观尺度的实验中无法区分粘结剂和含能晶体对摩擦的贡献,对于β-HMX晶体基础摩擦特性仍处于缺失状态。此外,由于晶体生长方法限制,β-HMX单晶尺寸较小,采用传统的摩擦磨损实验方法难以深入揭示β-HMX的摩擦机制,并且存在安全隐患。为此,本论文采用纳米压/划痕技术,结合晶体位错滑移理论,以β-HMX晶体主要生长面的(011)晶面和(110)晶面为研究对象,深入研究β-HMX晶体在不同晶面下力学性能的差异以及摩擦磨损行为的各向异性,揭示β-HMX单晶在微观尺度的摩擦磨损行为。为了探究β-HMX晶体微观摩擦磨损的基本规律及机理,区分粘结剂和含能晶体对摩擦贡献的影响。本文基于纳米压/划痕仪,首先,通过定载划痕实验研究不同法向载荷和滑动速度对β-HMX晶体纳米划痕性能的影响,并利用拉曼光谱分析探究其表面损伤形式。然后,通过纳米压痕仪对β-HMX晶体(011)面和(110)面两个晶面进行压痕实验,探究不同晶面的弹性模量和硬度差异。最后,通过变载划痕实验研究(011)面和(110)面各向异性特性,并探究不同滑动速度对晶体各向异性划痕性能的影响,探明β-HMX晶体不同晶向的纳米划痕性能。基于以上研究,本文主要结论如下:(1)β-HMX晶体的摩擦系数随法向载荷增加而增大,随滑动速度的增加而减小,界面的粘着摩擦系数均大于犁沟摩擦系数。随着法向载荷增加,划痕的划入深度和残余深度增加,弹性回复率减小。随着滑动速度增加,划痕的划入深度和残余深度减小,弹性回复率增加。另外,随着法向载荷增加,晶体的损伤形式经历从弹塑性变形到脆性破坏的转变,而随着滑动速度增加,损伤情况变化不明显,表面损伤机制表现为机械性损伤与去除。(2)β-HMX晶体在(011)晶面和(110)晶面的微观力学特性不完全一致。两个面的弹性模量基本相同,但(011)面硬度大于(110)面的硬度,且(110)面力位移曲线易出现pop-in(加载突进)现象,这与滑移面垂直于材料表面易产生位错有关。(3)β-HMX晶体(011)面的纳米划痕损伤的各向异性不明显,但(110)面的纳米划痕损伤存在明显各向异性。随着滑动速度改变,β-HMX晶体每个晶向上的材料磨损和摩擦系数并无显著变化,而弹塑性临界载荷随着滑动速度的增加而增大。进一步分析表明,β-HMX纳米划痕损伤存在各向异性的主要原因是晶体在不同晶面和晶向上激活对应滑移系的能力具有显著差异。
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