李金河，文尚剛，譚多望，李 濤

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理國防科技重點實驗室，四川 綿陽 621900）

低沖擊作用下JO9159炸藥的反應(yīng)閾值*

李金河，文尚剛，譚多望，李 濤

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理國防科技重點實驗室，四川 綿陽 621900）

設(shè)計了改進的隔板實驗裝置，采用PVDF壓力計測量受試炸藥的入射壓力，利用高速分幅相機得到炸藥自由表面發(fā)展變化過程。通過分析計算得到入射壓力與自由表面粒子速度之間的關(guān)系，并與未反應(yīng)炸藥計算的自由面粒子速度進行了比較，得到JO-9159炸藥在低沖擊作用下的化學(xué)反應(yīng)閾值和點火閾值分別為1.13和1.98GPa。

爆炸力學(xué)；反應(yīng)閾值；隔板實驗；JO-9159炸藥；低沖擊；PVDF壓力計；高速分幅相機

炸藥的安全性和使用性能是含能材料最重要的2個研究方面。早期的爆轟基礎(chǔ)研究主要集中在較高壓力作用下炸藥的沖擊起爆機制和炸藥的爆轟性能。如今，炸藥在貯存、使用過程中的安全性也越來越受到重視，成為爆轟基礎(chǔ)研究中的一個重點。炸藥在貯存和使用過程中可能的危險源大致分為3類：機械撞擊、熱刺激和沖擊波作用［1］。由于強度和作用時間的不同，炸藥在3種危險源的作用下可能會產(chǎn)生不同的反應(yīng)情況，如化學(xué)反應(yīng)、點火、燃燒、爆燃、爆轟以及爆燃轉(zhuǎn)爆轟（deflagration-to-detonation transition，DDT）和延遲爆轟（delayed detonation，XDT）等現(xiàn)象。DDT和XDT現(xiàn)象是炸藥或武器系統(tǒng)貯存、使用過程中必須避免的，往往會導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。許多研究者采用多種實驗方法對XDT和DDT現(xiàn)象進行了研究［2－5］，雖然得到了一些普遍的認識，但由于其產(chǎn)生機理復(fù)雜、發(fā)生概率低、重復(fù)性差，直接研究進展不大。因此，人們退而研究更加基礎(chǔ)性的階段——熱和撞擊加載下含能材料的損傷與點火反應(yīng)，并在方法論上趨同于若干公認的、可比較的基準實驗及數(shù)值模擬［6］，如烤燃實驗、Steven實驗等［7－10］。而隔板實驗則是研究沖擊波作用下炸藥反應(yīng)機理的重要方法。P.J.Baker［11］認為研究在低刺激作用下炸藥的反應(yīng)很有意義，指出在低于一定壓力情況下炸藥不會發(fā)生反應(yīng)（即存在反應(yīng)閾值），但壓力在反應(yīng)閾值和爆轟閾值之間可能出現(xiàn)DDT、燃燒和爆炸等現(xiàn)象。S.K.Chidester等［12－13］用Steven實驗方法對PBX-9501等炸藥進行了研究，說明在低壓下存在燃燒性質(zhì)的反應(yīng)，炸藥發(fā)生反應(yīng)的閾值速度與其厚度無關(guān)。T.P.Liddiard等［14－15］通過改進的隔板實驗方法說明炸藥的反應(yīng)閾值與炸藥厚度無關(guān)，入射壓力在化學(xué)反應(yīng)閾值與點火閾值之間時，炸藥的反應(yīng)烈度很低。對于某些以HMX為主要成分的炸藥，在接近點火閾值時，大尺寸裝藥有可能發(fā)生災(zāi)害性的反應(yīng)。M.Kroh等［16］也采用改進的隔板實驗方法得到了低于炸藥爆轟閾值壓力的反應(yīng)閾值壓力?？梢姡ㄋ幵诘蜎_擊作用下存在反應(yīng)閾值，反應(yīng)閾值與炸藥的安全性密切相關(guān)，研究炸藥在低沖擊作用下的反應(yīng)閾值對炸藥的安全性有重要意義。

本文中改進傳統(tǒng)的隔板實驗裝置，采用PVDF壓力計和S150型等待式高速分幅相機聯(lián)合測試方法研究JO-9159炸藥在低沖擊作用下的反應(yīng)閾值，以期為炸藥的安全性評估提供參考。

1 實驗裝置

實驗裝置由傳統(tǒng)隔板實驗裝置改進而來，去掉了見證板，消除見證板產(chǎn)生的反射沖擊波對炸藥反應(yīng)的影響，以研究在沖擊波單獨作用下炸藥的反應(yīng)情況。實驗裝置示意圖如圖1所示，主要由雷管、平面波透鏡、有機玻璃隔板、受試炸藥、聚酯膜、PVDF壓力計、防護板、標尺等組成。平面波透鏡的直徑為100mm，產(chǎn)生的平面沖擊波作為裝置的初始壓力。有機玻璃隔板的總厚度可以通過改變隔板數(shù)量進行調(diào)節(jié)，以調(diào)整輸入到炸藥中的沖擊波強度。單塊有機玻璃板的尺寸為?100mm×10mm。受試炸藥JO-9159的尺寸為?40mm×25mm，為便于照相，安裝完成后將其柱面涂為黑色；聚酯膜厚度為0.04mm，貼在整個炸藥的自由面上，以減少炸藥樣品表面噴射物的影響，利于分辨炸藥自由面。PVDF壓力計用于測量經(jīng)有機玻璃衰減后的輸出壓力及受試炸藥的入射壓力；防護板厚度為30mm，用于阻止透鏡起爆后產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物過早進入高速分幅相機視場，影響測試效果；標尺可以作為計算自由面粒子運動時的參考，便于對實驗結(jié)果進行準確判讀。高速分幅相機采用氙燈面光源進行照明。共進行了5發(fā)實驗，隔板厚度d分別為50、70、80、90、100mm。

圖1 改進的隔板實驗裝置示意圖Fig.1Configuration of the modified gap test setup

2 實驗結(jié)果

2.1 等待式分幅相機記錄結(jié)果

等待式分幅相機記錄的典型炸藥自由面運動圖像見圖2。圖中的各幅圖像是經(jīng)過選取而來的，并不是原始連續(xù)拍攝結(jié)果，相機記錄幅頻為（2～3）×105s－1。

圖2 不同隔板厚度情況下炸藥自由面運動圖像Fig.2 Motion images of the free surface of the explosive in the cases of different gaps

由實驗拍攝所得自由面運動圖像可知，隨著隔板厚度增加，隔板輸出壓力減小，炸藥表面入射壓力降低，自由面速度減小，炸藥反應(yīng)的劇烈程度也逐漸減弱，發(fā)生最強烈反應(yīng)的位置逐漸后移，相應(yīng)地發(fā)生最強烈反應(yīng)的時間也有一定延遲。隔板厚度為50mm時，炸藥在底部發(fā)生了可能是爆炸性質(zhì)的劇烈反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物迅速向軸向和徑向擴散。隔板厚度為70mm時，炸藥發(fā)生了強烈的反應(yīng)，最先發(fā)生反應(yīng)的位置在底部，但是反應(yīng)最強烈的位置位于炸藥的中下部。隔板厚度為80和90mm時，炸藥自由面的運動過程較相似，發(fā)生了明顯的反應(yīng)，但是反應(yīng)最強烈的位置進一步后移，位于炸藥的中上部。隔板厚度為100mm時，反應(yīng)產(chǎn)物在接近頂部位置出現(xiàn)了“牛角”狀突起，說明炸藥在頂部附近發(fā)生了較微弱的反應(yīng)，產(chǎn)物在向外擴散的時候形成了突起。壓力降低后，炸藥反應(yīng)最強烈的位置后移以及時間的延遲可能與炸藥低壓下發(fā)生XDT或DDT現(xiàn)象存在一定的關(guān)系。

2.2 PVDF壓力計測試結(jié)果

PVDF壓力計不僅可以測量受試炸藥的入射壓力，還能區(qū)別受試炸藥是否發(fā)生了強烈反應(yīng)（爆炸）。圖3給出了實驗中PVDF壓力計的典型實驗波形，可以看出，隔板厚度為50和100mm時，入射壓力波形有較大的區(qū)別。隔板厚度為50mm時，PVDF壓力計的測量結(jié)果比隔板厚度為100mm時多了一段壓力突躍過程，持續(xù)時間為約1μs。這主要是由于隔板厚度為50mm時炸藥在底部附近發(fā)生了比較強烈的反應(yīng)導(dǎo)致壓力迅速上升。而隔板厚度為100mm時，炸藥沒有發(fā)生強烈反應(yīng)，在PVDF壓力計的測量結(jié)果上沒有出現(xiàn)壓力突躍現(xiàn)象。5發(fā)實驗的PVDF壓力計測試波形表明，隔板厚度為50和70mm時，炸藥發(fā)生了強烈的反應(yīng)；而隔板厚度為80、90和100mm時，炸藥反應(yīng)程度較弱。

圖3 PVDF壓力計測得的典型實驗波形Fig.3 Typical experimental waves captured by PVDF pressure gauges

3 分析與討論

根據(jù)等待式分幅相機的記錄結(jié)果，由相鄰圖像之間標尺與炸藥自由面位置變化關(guān)系以及實驗時相機采用的幅頻，可以計算自由面粒子速度up，計算結(jié)果見表1。PVDF壓力計的實驗波形可以根據(jù)PVDF壓力計的標定方程轉(zhuǎn)換為壓力波形，并由此得到受試炸藥的入射壓力pi，見表1。由此可得入射壓力和自由表面粒子速度之間的關(guān)系，見圖4。

表1 受試炸藥入射壓力和自由面粒子速度Table 1 Input pressures and free-surface particle velocities of test explosive

由圖4可知，在隔板厚度為80～100mm之間時，受試炸藥的入射壓力較低，實驗測得的自由表面粒子速度與未反應(yīng)炸藥自由表面粒子速度之間具有較小的速度差；并且速度與壓力呈線性關(guān)系。由該線性關(guān)系擬合出的直線與未反應(yīng)炸藥自由面粒子速度曲線相交，交點即為受試炸藥的化學(xué)反應(yīng)閾值點，相應(yīng)的受試炸藥的化學(xué)反應(yīng)閾值壓力約1.13GPa。在隔板厚度小于80mm時，受試炸藥自由面粒子速度急劇增加，說明炸藥發(fā)生反應(yīng)的性質(zhì)已經(jīng)有了明顯改變，80mm隔板厚度附近是由化學(xué)反應(yīng)向點火反應(yīng)發(fā)生的轉(zhuǎn)折點，該點即為點火閾值點，相應(yīng)的點火閾值壓力為約1.98GPa。

炸藥的點火閾值壓力比爆轟閾值壓力小，但他們之間存在一定的關(guān)系。在低于爆轟閾值壓力沖擊下，炸藥發(fā)生點火后，在適當(dāng)?shù)募s束或2次沖擊波的作用下，有可能進一步成長為爆炸或爆轟，產(chǎn)生所謂的延遲爆轟現(xiàn)象。由此可以說明點火閾值對炸藥的安全性有重要影響，是表征炸藥在低壓沖擊作用下感度的重要指標。當(dāng)炸藥的入射壓力在化學(xué)反應(yīng)閾值與點火閾值之間時，炸藥發(fā)生反應(yīng)的速度較慢，反應(yīng)的劇烈程度較低，在較弱的約束條件或無外加能量下，反應(yīng)不能自持而熄滅，但在一定約束或其他條件下有進一步發(fā)展成為點火的可能。當(dāng)炸藥的入射壓力在低于其化學(xué)反應(yīng)閾值時，炸藥不會發(fā)生反應(yīng)，也不會發(fā)展為點火反應(yīng)或爆轟反應(yīng)。在正常貯存、運輸?shù)冗^程中，為保證安全，應(yīng)盡量將炸藥受到外界刺激產(chǎn)生的入射壓力控制在化學(xué)反應(yīng)閾值以下。

圖4 自由面粒子速度與入射壓力之間的關(guān)系Fig.4 Relation between free surface particle velocity and input pressure

4 結(jié) 論

改進了傳統(tǒng)隔板實驗裝置，發(fā)展了采用PVDF壓力計和等待式分幅相機研究炸藥反應(yīng)閾值的聯(lián)合測試方法。實驗表明，低壓沖擊下，JO-9159炸藥存在反應(yīng)閾值，實驗得到的化學(xué)反應(yīng)閾值壓力為約1.13GPa，點火閾值壓力為約1.98GPa。點火閾值是表征炸藥在低壓沖擊作用下感度的重要指標，與炸藥發(fā)生延遲爆轟可能有一定關(guān)系，化學(xué)反應(yīng)閾值是充分保證炸藥貯存、運輸安全的重要參考依據(jù)。

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Reaction threshold of explosive JO-9159under low-amplitude shock＊

LI Jin-he，WEN Shang－gang，TAN Duo-wang，LI Tao
（National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics，Institute of Fluid Physics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，Sichuan，China）

The modified gap test setup was designed.The input pressure of acceptor explosive was measured by applying a PVDF gauge，and the motion images of the free surface were recorded by using a high-speed frame camera.The relation between the free-surface particle velocity and input pressure of explosive were obtained and compared with the calculated free-surface particle velocity of unreacted explosive.Comparison shows that the chemical reaction threshold and ignition threshold of explosive JO-9159are 1.33and 1.98GPa，respectively.

mechanics of explosion；reaction threshold；gap test；explosive JO-9159；low-amplitude shock；PVDF gauge；high-speed frame camera

8September 2009；Revised 12October 2010

LI Jin-he，103lijinhe＠live.cn

（責(zé)任編輯 張凌云）

O389 國標學(xué)科代碼：130·35

A

1001-1455（2011）02-0148-05＊

2009-09-08；

2010-10-12

李金河（1979— ），男，學(xué)士，助理研究員。