微米级炸药晶体缺陷的μVCT试验研究

　　实践表明，炸药晶体的特性直接与其细微结构密切相关。其中，炸药晶体内部缺陷是影响炸药材料性能的一个关键因素，尤其是其内部孔隙对炸药的密度、力学性能和安全性能等重要的性能都有明显的影响。在炸药晶体内部孔隙率未能准确地、直接地测定时，炸药成型件性能的不稳定性仍是一直难以控制的难题。因此，为了提高炸药晶体品质和成型件的性能，正确地掌握炸药细微结构非常重要，目前国内外凸现出的 μCT 及其三维图像处理技术便能准确地描述高能炸药这类细小的晶体结构特征，μVCT 主要采用了微焦点 X 射线源及面阵列探测器，通过样平台一次 360°旋转扫描，直接获得样品的三维 CT 图像，另外采用高比例的放大成像方式来进一步提高检测分辨力，其检测分辨力可达微米级别。国内外应用 μCT 在材料微结构检测及性能表征等方面开展了研究，如 Donoghue 等[1]应用 X 射线CT 研究了材料中微米晶胚的形态，Carlson 等[2]利用高分辨率 CT 研究了晶体的斑状变晶机制，Williams[3]等对材料的多孔性、颗粒结构的三维特征进行了定量测量，Lin 等[4]应用锥束微焦点 CT 进行了多相材料的分析，Toda 等[5]、Wildenschild 等[6]和 Ketcham 等[7-8]应用高分辨率 CT 研究了材料的微结构，LeBret 等[9]、Masad 等[10]和 Geet 等[11]应用高分辨率 CT进行了晶体缺陷检测、粒子表面特性等方面的研究。

　　本文主要探索 HMX 晶体微米级缺陷的 μVCT 试验研究及晶体内部孔隙率的定量，HMX 晶体的全部 CT 切片图像在微焦点 CT 系统上获得，所获得的图像具有足够高的空间分辨率和视场并有利于计算晶体内部的孔隙率。

　　1 试验方法

　　本文中 HMX 晶体采用两种，一种是经过工艺成型的普通 HMX(N-HMX)，另一种则是再经过一次特殊工艺处理后得到的 HMX(D-HMX)，HMX 晶体尺寸在 0.2～1mm 之间。CT 检测则通过 225kV 微焦点 X 射线 CT 系统获取结构图像，晶体通过制样固定于样品台，样平台自动旋转并在 z 轴方向平移，晶体旋转 360°同时由平板探测器接收 X 射线图像，其中 CT 图像主要由样品的 X 射线线性衰减系数值重建成立方阵列，每一立方对应于样品的体元。晶体内部细节的分辨体元尺寸与样品至射线源的距离和探测器至射线源的距离、探元尺寸、扫描投影幅数、重建算法等密切相关，检测时 X 射线源电压 130kV，电流 50mA，扫描投影幅数为600 幅，空间分辨力为 7.1μm，整个检测过程大约 40min，图像重建由 10 个处理器进行，处理时间约 3min。图 1(a)给出了 HMX 晶体的典型 X 射线强度直方图，可明显区别 HMX 物质相，其中第二个峰值对应于 HMX 晶体材料。图 1(b)和图 1(c)则是通过相分离分别给出了松装 N-HMX和 D-HMX 晶体的三维重建结果，晶体一些物理特性的评价将直接从相分离的 CT 图像实现。