姚奎光，鐘　敏，代曉淦，呂子劍

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽621900)

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緩慢熱作用下PBX-9炸藥的響應(yīng)特性

姚奎光，鐘敏，代曉淦，呂子劍

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽621900)

摘要：為研究RDX基PBX-9炸藥的熱響應(yīng)規(guī)律，分別采用1.5、3.0、4.5、8.0℃/min的升溫速率對PBX-9炸藥藥柱進(jìn)行了烤燃試驗(yàn)。用熱電偶測試了藥柱表面的溫度變化，通過測量沖擊波超壓和收集試驗(yàn)彈殘骸，分析了藥柱的反應(yīng)程度，獲得了不同升溫速率下的響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明，升溫速率為1.5~8.0℃/min時(shí)，對PBX-9炸藥的響應(yīng)溫度沒有明顯的影響，試驗(yàn)彈響應(yīng)時(shí)藥柱溫度約為140~150℃，均為燃燒反應(yīng)?？救歼^程中黏結(jié)劑的分解對PBX-9炸藥響應(yīng)特性影響較大，使其反應(yīng)程度一致。采用FLUENT軟件對該烤燃試驗(yàn)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到PBX-9炸藥反應(yīng)的活化能和指前因子分別為184.2×103J/mol和7.24×1018s-1。

關(guān)鍵詞：爆炸力學(xué)；PBX-9炸藥；升溫速率；烤燃試驗(yàn)；數(shù)值模擬；響應(yīng)特性

behavior

引言

烤燃是研究固體炸藥熱感度的一種方法，主要模擬炸藥在制造、運(yùn)輸、貯存和使用過程中遇到火災(zāi)而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的程度，對炸藥安全性評估具有重要意義。目前，國內(nèi)外開展了大量關(guān)于炸藥安全性的烤燃試驗(yàn)以及數(shù)值模擬研究。Victor等[1]對烤燃試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，認(rèn)為含能材料熱分解和熱傳導(dǎo)符合Frank-Kamenetskii方程。McCelland M A等[2]對LX-10炸藥進(jìn)行了烤燃試驗(yàn)，并用一維ALE3D烤燃模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。Erdǒgan A等[3]對PBXN-10進(jìn)行了烤燃試驗(yàn)，用TGA測得該炸藥的活化能以及指前因子等參數(shù)。陳朗、馬欣等[4-5]對HMX和TATB基PBX炸藥進(jìn)行了烤燃試驗(yàn)和數(shù)值模擬，并獲得兩種PBX基炸藥的點(diǎn)火時(shí)間和溫度。向梅、代曉淦等[6-7]用烤燃試驗(yàn)研究了不同升溫速率下HMX基PBX炸藥的響應(yīng)規(guī)律，結(jié)果表明，升溫速率對炸藥的點(diǎn)火時(shí)間和溫度有較大影響。牛余雷等[8]研究了不同升溫速率下RDX基PBX炸藥的溫度變化情況，研究表明，隨著升溫速率的降低及點(diǎn)火時(shí)間的增加，炸藥點(diǎn)火位置由邊緣向中心靠近。

目前國內(nèi)外研究者針對TATB和HMX基PBX炸藥，采用烤燃試驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值計(jì)算的方式，獲得了反應(yīng)模型參數(shù)[3-6]。本研究對RDX基PBX-9炸藥進(jìn)行了不同升溫速率下的烤燃試驗(yàn)，研究了PBX-9炸藥在緩慢加熱作用下的響應(yīng)規(guī)律，并通過數(shù)值計(jì)算對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，獲得PBX-9炸藥反應(yīng)模型參數(shù)，以期為評估分析RDX基熱固炸藥的熱安全性提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1樣品及儀器

PBX-9炸藥主要由RDX、123樹脂和固化劑等組成[9]，藥柱尺寸為Φ50mm×100mm，密度約1.65g/cm3，質(zhì)量約320g，由中國工程物理研究院化工材料研究所提供。

K型熱電偶，重慶川儀金屬功能材料分公司；LT-I8000-24溫度數(shù)據(jù)采集儀，中國工程物理研究院化工材料研究所；CY-YD-202型壓電式壓力傳感器、YE5852型電荷放大器、PIC4712多通道數(shù)據(jù)采集儀，江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司。

1.2試驗(yàn)裝置

慢速烤燃試驗(yàn)彈裝置如圖1所示[7]。試驗(yàn)彈殼體材料為Q235鋼，厚度為4mm ,采用電加熱帶以一定的升溫速率對烤燃試驗(yàn)彈進(jìn)行加熱，熱量以熱傳導(dǎo)的方式通過試驗(yàn)彈體對藥柱進(jìn)行緩慢加熱。采用直徑約1.5mm熱電偶測試炸藥邊緣的溫度，得到藥柱表面與試驗(yàn)彈內(nèi)壁接觸處的溫度變化曲線。發(fā)生突變時(shí)的時(shí)間和溫度分別為試驗(yàn)彈的響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)溫度。

在升溫速率分別為1.5、3.0、4.5和8.0℃/min條件下，通過測量溫度、超壓以及回收的殘骸綜合判斷PBX-9炸藥在熱作用下的反應(yīng)程度。

2結(jié)果與討論

2.1升溫速率對響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)溫度的影響

不同升溫速率(β)下PBX-9炸藥的溫度變化曲線如圖2所示。響應(yīng)時(shí)間(t)和響應(yīng)溫度(T)見表1。

圖2　不同升溫速率下PBX-9炸藥藥柱表面的溫度變化曲線Fig.2　Surface temperature changing curves ofPBX-9 at different heating rates

β/(℃·min-1)t/sT/℃1.575571453.043111504.527431438.01853151

注：β為升溫速率；t為響應(yīng)時(shí)間；T為響應(yīng)溫度。

從圖2可知，升溫速率為1.5℃/min時(shí)，響應(yīng)時(shí)間最長；升溫速率為8.0℃/min時(shí)，響應(yīng)時(shí)間最短，這說明升溫速率對PBX-9炸藥的響應(yīng)時(shí)間有顯著影響，隨著升溫速率的升高，響應(yīng)時(shí)間逐漸縮短。從表1可知，升溫速率對PBX-9炸藥的響應(yīng)溫度沒有明顯影響，在升溫速率為1.5、3.0、4.5和8.0℃/min的熱加載條件下，PBX-9炸藥響應(yīng)溫度在140~150℃。其主要原因是PBX-9炸藥中黏結(jié)劑123樹脂在100℃以上穩(wěn)定性較差，熱分解產(chǎn)生的氣體對RDX有加速分解作用[10]，造成PBX-9炸藥的響應(yīng)溫度在一定溫度范圍內(nèi)變化。

2.2升溫速率對反應(yīng)程度的影響

4種升溫速率下PBX-9炸藥烤燃試驗(yàn)殘余物照片見圖3。從圖3可以看出，在不同升溫速率下試驗(yàn)彈端蓋略微變形，殼體被撕裂，均有未燃燒的PBX-9炸藥。升溫速率為4.5℃/min時(shí)，PBX-9炸藥藥柱完好，但在其他升溫速率下，PBX-9炸藥藥柱有明顯的燃燒產(chǎn)物，表明發(fā)生了燃燒，說明PBX-9炸藥對熱反應(yīng)均較溫和。

圖3　4種升溫速率下PBX-9炸藥烤燃試驗(yàn)殘余物照片F(xiàn)ig.3　Photographs of scrap in cook-off test of PBX-9at four heating rates

在4種升溫速率下，均未測到PBX-9炸藥的反應(yīng)超壓。綜合圖3試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為PBX-9炸藥在慢速烤燃試驗(yàn)中的反應(yīng)程度為燃燒，且1.5~8.0℃/min的升溫速率對PBX-9炸藥的反應(yīng)程度沒有明顯的影響。

123樹脂和PBX-9炸藥的TG曲線如圖4所示。從圖4可以看出，123樹脂在100℃時(shí)就已明顯出現(xiàn)熱失重，100℃左右熱失重約為5%。而PBX-9炸藥在130~140℃開始出現(xiàn)熱失重，190℃左右熱失重約為6%，根據(jù)其組分含量以及圖4中的數(shù)據(jù)可知，在130℃時(shí)123樹脂發(fā)生分解，隨著溫度進(jìn)一步升高，RDX也開始發(fā)生分解，在225℃左右時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，熱失重達(dá)到77%左右，說明在200~225℃主要是RDX發(fā)生分解。

圖4　123樹脂和PBX-9炸藥的TG曲線Fig.4　TG curves of 123 resin and PBX-9 explosive

可見，PBX-9炸藥慢烤試驗(yàn)中，隨著時(shí)間的增加，藥柱溫度逐漸升高，當(dāng)達(dá)到130℃時(shí)，PBX-9炸藥開始發(fā)生熱分解，此時(shí)主要是123樹脂發(fā)生熱分解，在烤燃試驗(yàn)彈內(nèi)逐漸形成高壓。隨著烤燃彈溫度的升高，200℃左右RDX也開始分解，烤燃試驗(yàn)彈內(nèi)壓力更高，最后達(dá)到殼體破壞強(qiáng)度，使得殼體破裂而導(dǎo)致壓力突然卸載，最終導(dǎo)致炸藥的反應(yīng)不能持續(xù)，難以形成高級反應(yīng)。

3數(shù)值計(jì)算

為研究PBX-9炸藥在不同升溫速率下的響應(yīng)過程，根據(jù)烤燃試驗(yàn)裝置，建立了炸藥烤燃二維數(shù)值計(jì)算模型，并確定了相關(guān)反應(yīng)模型參數(shù)。模型中主要考慮炸藥和殼體，其中殼體外壁面為加熱邊界，并假定：殼體和炸藥各項(xiàng)同性；忽略氣體產(chǎn)物對傳熱的影響；在炸藥內(nèi)部的熱傳遞只有導(dǎo)熱作用，且不考慮相變。根據(jù)假設(shè)，計(jì)算模型中藥柱的反應(yīng)和熱傳導(dǎo)遵循Frank-Kamenetskii方程[11]

(1)

式中：ρ為物質(zhì)密度，g/cm3；c為比熱，J/(kg·K)；T為溫度，K；t為時(shí)間，s；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；S為化學(xué)反應(yīng)放熱源項(xiàng)，可由Arrhenius方程表示

(2)

式中：Q為反應(yīng)熱，kJ/kg；Z為指前因子，s-1；α為已反應(yīng)炸藥質(zhì)量分?jǐn)?shù)；n為反應(yīng)級數(shù)；E為活化能，J/mol；R為普朗克氣體常數(shù)，J/(mol·K)，取8.314。

采用流體力學(xué)FLUENT軟件對炸藥烤燃過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，炸藥自熱反應(yīng)源項(xiàng)通過C語言編寫為子程序，并以自定義函數(shù)的形式加載到軟件中。采用升溫速率為8.0℃/min的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了標(biāo)定，獲得了PBX-9炸藥的活化能和指前因子等參數(shù)，其他參數(shù)如表2所示。

不同升溫速率下PBX-9炸藥烤燃溫度計(jì)算值(炸藥半徑處)與試驗(yàn)值對比曲線如圖5所示。從圖5可以看出， PBX-9炸藥的響應(yīng)時(shí)間和溫度的計(jì)算值與試驗(yàn)值基本一致，炸藥半徑處的溫度變化過程與試驗(yàn)結(jié)果基本相符。

表2　數(shù)值計(jì)算材料參數(shù)

圖5　不同升溫速率下烤燃模擬溫度計(jì)算值與試驗(yàn)值對比Fig.5　Comparison of the calculated data and the experimentalones for cook-off simulation temperature at different heating rates

PBX-9炸藥響應(yīng)時(shí)間和溫度試驗(yàn)值與計(jì)算值的對比如表3所示。從表3可知，試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬計(jì)算獲得的響應(yīng)時(shí)間基本相符，但在升溫速率4.5℃/min時(shí)誤差較大。從圖3(c)可見，在該升溫速率下藥柱未反應(yīng)，123樹脂分解產(chǎn)生的氣體沖開試驗(yàn)彈，從而導(dǎo)致響應(yīng)時(shí)間誤差較大。然而，試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算獲得的響應(yīng)溫度卻隨著升溫速率的降低而增大，這主要是因?yàn)?23樹脂分解的氣體對RDX有加速分解作用，造成試驗(yàn)獲得的響應(yīng)溫度在一定的范圍內(nèi)變化，而且升溫速率越低，這種作用越明顯，但采用的數(shù)值計(jì)算方法沒有考慮到123樹脂分解氣體對RDX加速分解作用，導(dǎo)致試驗(yàn)與計(jì)算所得響應(yīng)溫度誤差增大。因此，在今后炸藥烤燃數(shù)值計(jì)算中，對于某些炸藥需要考慮黏結(jié)劑分解產(chǎn)物對炸藥熱響應(yīng)特性的影響作用。

表3　PBX炸藥響應(yīng)時(shí)間和溫度的試驗(yàn)值與計(jì)算值對比

注：β為升溫速率；t為響應(yīng)時(shí)間；T為響應(yīng)溫度；ηt為響應(yīng)時(shí)間的相對誤差；ηT為響應(yīng)溫度的相對誤差。

4結(jié)論

(1)采用不同升溫速率對RDX基PBX-9炸藥進(jìn)行了烤燃試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算，結(jié)果表明，升溫速率為1.5~8.0℃/min時(shí)，PBX-9炸藥的響應(yīng)溫度范圍為140~150℃，反應(yīng)程度均為燃燒。

(2)在烤燃過程中，PBX-9炸藥中的123樹脂先發(fā)生分解，使不同升溫速率下PBX-9炸藥的響應(yīng)溫度及反應(yīng)程度一致。

(3)不同升溫速率下，PBX-9炸藥的響應(yīng)時(shí)間和溫度數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，獲得了PBX-9炸藥Arrhenius反應(yīng)模型參數(shù)，為評估分析不同邊界條件下PBX-9炸藥的熱安全性提供了數(shù)據(jù)支撐。

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Response Characteristics of PBX-9 Explosive under Slow Thermal Stimulus

YAO Kui-guang，ZHONG Min，DAI Xiao-gan，Lü Zi-jian

(Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang Sichuan 621900, China)

Abstract:To study the thermal response rule of RDX-based polymer bonded explosive (PBX-9), the cook-off tests of PBX-9 explosive at heating rates of 1.5, 3.0, 4.5, 8.0℃/min were carried out. Temperature changing process of the surface of PBX-9 explosive was measured by thermocouples. The reaction degree of the sample was analyzed and the response rules of PBX-9 explosive at different heating rates were obtained by measuring the shock wave overpressure and the collected test projectile. The results show that the heating rate from 1.5℃/min to 8.0℃/min has no obvious effect on the response temperature of PBX-9 explosive, and the response temperature of grain of test bomb is about 140~150℃. The degree belongs to the combustion reaction. In the process of cook-off test, the decomposition of binder has great influence on the response behavior of PBX-9 explosive and the reaction degree is accordant. The numerical simulation of cook-off test was conducted using FLUENT software. The kinetic parameters such as activation energy and pre-exponential factor for the reaction of PBX-9 explosive obtained from the numerical simulation were 184.2×103J/mol and 7.24×1018s-1, respectively.

Keywords:explosion mechanics; PBX-9 explosive; heating rate; cook-off test; numerical simulation; response

通訊作者:代曉淦(1978-),男，博士研究生，副研究員，從事炸藥安全性研究。

作者簡介:姚奎光(1987-),男，碩士，研究實(shí)習(xí)員，從事炸藥安全性研究。

基金項(xiàng)目:國防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目(CB1520132004)

收稿日期:2015-08-25；修回日期:2015-10-15

中圖分類號：TJ55; O389

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)06-0056-05

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.06.011