田 軒, 徐洪濤, 馮曉軍, 王曉峰, 南 海, 馮 博, 封雪松, 趙 娟

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

炸藥在運輸、貯存、使用等過程中可能遇到各種異常環(huán)境，如燃料起火、車上裝載的易燃物品起火以及機械刺激、破片撞擊、沖擊波等[1-2]。在這些異常環(huán)境作用下，炸藥可能發(fā)生燃燒、爆炸等重大事故，從而造成不可挽回的重大損失。隨著國外對武器安全性能的重視程度日益提高，美國在20世紀(jì)后期陸續(xù)建立起了一系列的炸藥安全性能試驗及評估方法，如： 蘇珊試驗、滑道試驗、跌落試驗、槍擊試驗、隔板試驗、楔形試驗、飛片試驗、Spigot試驗、Steven試驗等[3]。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外大量研究表明，炸藥裝藥在上述環(huán)境中的安全性與含能材料的損傷密切相關(guān)，其中沖擊損傷是含能材料損傷研究領(lǐng)域的重要的方向之一。

國內(nèi)外針對含能材料的沖擊損傷已開展大量研究工作，如落錘試驗?zāi)M低速撞擊時中等應(yīng)變率下的損傷，高速彈丸、飛片撞擊試驗?zāi)M高應(yīng)變率下的損傷。陳鵬萬等[4]通過低速氣炮進(jìn)行沖擊加載，利用多種觀測方法獲取了幾種PBX炸藥的內(nèi)部損傷情況，并建立相關(guān)損傷模型用于評價含能材料的損傷度。王淑萍[5]、高立龍[6]等以落錘作為加載手段，開展了不同炸藥裝藥的安全性研究。目前，JO-8炸藥和B炸藥在我國已大量應(yīng)用[7]，但國內(nèi)對其沖擊損傷研究少，尤其對這兩種裝藥在低速撞擊下的響應(yīng)等安全問題關(guān)注不夠，研究方法多采用工程方法，缺少針對點火問題的科學(xué)研究和深入探討，這限制了對炸藥安全性的認(rèn)識。為此，本研究采用小落錘對JO-8和B炸藥這兩種典型炸藥進(jìn)行沖擊加載，利用高速攝影記錄了他們的整個加載及點火響應(yīng)過程，通過掃描電鏡分析獲取了兩種炸藥的微觀損傷特征，為炸藥在低速撞擊過程中的點火機理研究和新型炸藥的安全性設(shè)計提供了基礎(chǔ)試驗依據(jù)。

2 實驗部分

2.1 試樣制備

環(huán)三亞甲基三硝銨(RDX)，GJB296A-1995，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；環(huán)四次甲基四硝銨(HMX)，GJB2335-1995，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司； 三硝基甲苯(TNT)，湖北東方化工有限公司。對RDX和HMX分別篩分，篩分后晶體粒度分布為100～154 μm。

JO-8炸藥配方(質(zhì)量比)為HMX/粘結(jié)劑=95/5，B炸藥配方(質(zhì)量比)為TNT/RDX=40/60。采用熔鑄工藝制備B炸藥試樣，采用直接法壓裝工藝制備JO-8炸藥試樣。試樣尺寸為20 mm×5 mm藥片。JO-8和B炸藥的密度分別為1.81 g·cm-3和1.71 g·cm-3。

2.2 實驗儀器和裝置

2.2.1 小落錘加載試驗裝置

小落錘加載系統(tǒng)包括四個部分： 落錘裝置、撞擊裝置、地下防爆小室和氣敏檢測裝置，其示意圖如圖1所示。其中，落錘裝置通過工控機或LCD觸摸屏實現(xiàn)對落錘的高度、下落和上升過程的控制； 撞擊裝置用于控制藥柱承受撞擊的狀態(tài)、傳導(dǎo)落錘下落產(chǎn)生的能量； 防爆小室位于落錘裝置的地下部分，內(nèi)部安裝有撞擊裝置和氣體取樣裝置，是落錘裝置的基座； 氣敏檢測裝置通過微機控制對加載過程中產(chǎn)生的氣體成分進(jìn)行實時分析。所用的小落錘質(zhì)量為30 kg，有效落高180 cm，落錘高度定位精度為1 mm，落錘在同一高度10次落下末速度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于1%。

圖1小落錘加載試驗裝置

1—基板， 2—托錘架， 3—導(dǎo)桿， 4—電機， 5—掛錘架，6—錘頭， 7—氣缸

Fig.1Impact loading device of the small hammer

1—base board， 2—supporting hammer frame， 3—guide rod， 4—electric machinery， 5—hammer hanging rack，6—hammer， 7—air cylinder

2.2.2 高速攝影儀器

數(shù)字化高速攝影相機，Photron公司。實驗中攝像機距樣品3 m，拍攝速度為12500幅/s，曝光速度為2 μs，跟蹤試驗加載的整個過程。

2.2.3 環(huán)境掃描電鏡

FEI QUANTA600型環(huán)境掃描電鏡(ESEM)，美國FEI公司。實驗采用低真空模式，環(huán)掃電壓為20 kV，樣品室壓力為2600 Pa。

2.3 實驗原理及方法

沖擊加載實驗采用采用下限值法[8]。試樣的反應(yīng)情況主要通過高靈敏度氣體傳感器(氣體檢測濃度在mg·L-1級)對CO2、CO、HCl氣體的檢測結(jié)果判定。實驗時，試樣一旦發(fā)生反應(yīng)就降低重錘的高度，反之則提高重錘的下落高度，直至某一高度試驗3次下落均不發(fā)生反應(yīng)，而提高一個間隔的高度則發(fā)生反應(yīng)時為止，最終獲得炸藥的臨界點火閾值。結(jié)合第一步實驗得到的反應(yīng)下限落高為加載條件，對整個加載過程采用高速攝影記錄，并對加載后試樣進(jìn)行回收，利用掃描電鏡觀察試樣的微觀結(jié)構(gòu)變化。

沖擊加載實驗現(xiàn)場照片如圖2所示，試樣裝配示意圖如圖3所示，炸藥片安裝在落錘的下部。

圖2現(xiàn)場試驗照片

Fig.2Picture of the experiment scene

圖3試樣裝配示意圖

1—擊桿， 2—上擊柱， 3—試樣， 4—下?lián)糁?5—擊砧

Fig.3Schematic diagram of sample assembly

1—hammer rod， 2—upper impacted column， 3—sample，

4—nether impacted column， 5—anvil

3 結(jié)果與討論

3.1 小落錘撞擊試驗結(jié)果

JO-8炸藥和B炸藥的小落錘撞擊試驗結(jié)果見表1。

試驗中樣品發(fā)生點火(分解)反應(yīng)的判定以加載前后CO2、CO、HCl氣體產(chǎn)物濃度的變化為依據(jù)，發(fā)生燃燒反應(yīng)的判定以加載后擊柱表面的燒蝕為依據(jù)。從表1可以看出，當(dāng)落錘高度為1.2 m時，JO-8炸藥發(fā)生分解反應(yīng)，在落高為1.0 m時未發(fā)現(xiàn)； 當(dāng)落錘高度為1.0 m時，B炸藥發(fā)生分解反應(yīng)，在落高為0.8 m時未發(fā)現(xiàn)。因此，JO-8炸藥的臨界落高為1.0 m，B炸藥的臨界落高為0.8 m。即JO-8炸藥的臨界點火閾值為360 N，B炸藥的閾值為300 N。這表明: 在落錘低速撞擊加載下，JO-8炸藥具有更高的抗撞擊能力。

表1兩種炸藥的撞擊感度試驗結(jié)果

Table1Impact sensitivity of the explosive JO-8 and Comp. B

explosiveheight/mtestresultsJO-81.6decomposition1.4decomposition1.2decomposition1.0noreaction1.0noreaction1.0noreactionComp.B1.0decomposition0.8noreaction0.8noreaction0.8noreaction

3.2 高速攝影記錄結(jié)果

通過高速攝影相機記錄兩種炸藥的落錘加載過程，結(jié)果如圖4和圖5所示。

由圖4可以看出，當(dāng)落錘撞擊擊桿后，B炸藥因擊桿的下落運動受到擠壓(圖4b)，中心部分形成塑性流動并向周圍移動(圖4c和4d)，然后碎裂部分向四周飛散(圖4e和4f)，最后殘余炸藥發(fā)生反應(yīng)(圖4g)。

由圖5可以看出，當(dāng)落錘撞擊擊桿后，JO-8炸藥因擊桿的下落運動受到擠壓(圖5b)，中心部分形成塑性流動并向周圍移動(圖5c和圖5d)，然后碎裂部分向四周飛散(圖5e)，最后殘余炸藥發(fā)生反應(yīng)(圖5f和5g)。

由上可知，落錘低速撞擊加載作用下，JO-8和B炸藥均經(jīng)歷沖擊、塑性流動、飛散、反應(yīng)等階段，反應(yīng)過程發(fā)生在裝藥損傷后，對比兩種炸藥的撞擊反應(yīng)過程可知，JO-8炸藥的反應(yīng)滯后于B炸藥。

3.3 電鏡試驗結(jié)果

小落錘撞擊試驗中，落錘高度小于炸藥的臨界點火閾值時不會發(fā)生反應(yīng)。收集加載試驗后未反應(yīng)的Comp.B和JO-8樣品，進(jìn)行掃描電鏡分析，結(jié)果分別見圖6和圖7。

a. 0 msb. 0.08 msc. 0.16 msd. 0.24 mse. 0.32 msf. 0.56 msg. 0.8 ms

圖4落高1.0 m時B炸藥的動態(tài)響應(yīng)過程

Fig.4Dynamic responses process of the Comp. B at hammer height of 1.0 m

a. 0 msb. 0.08 msc. 0.16 msd. 0.24 mse. 0.56 msf. 0.8 msg. 0.88 ms

圖5落高1.2 m時JO-8炸藥的動態(tài)響應(yīng)過程

Fig.5Dynamic response course of JO-8 explosive at hammer height of 1.2 m

圖6為落高0.8 m時B炸藥在撞擊加載后的微觀形貌圖。由圖6可以看出，撞擊加載后B炸藥顆粒破碎，突出的炸藥顆粒和顆粒拔出后留下的凹坑，這表明B炸藥試樣中盡管RDX和TNT炸藥顆粒脆性都比較大，但在低速撞擊下的損傷模式主要以界面脫粘、沿晶斷裂為主，而穿晶斷裂比較少，見圖6a； 炸藥顆粒表面形成了部分孔洞，這表明炸藥裝藥在低速撞擊加載過程中形成局部熱點，可能導(dǎo)致炸藥出現(xiàn)局部相變等反應(yīng)，見圖6b。

a. rupture across the crystalb. local reaction(1000 times)

圖6落高0.8 m時B炸藥撞擊后的電鏡圖

Fig.6SEM photograph of the Comp.B after impact at hammer height of 0.8 m

a. rupture through the crystalb. shear distort

圖7落高1.0 m時JO-8炸藥撞擊后的電鏡圖

Fig.7SEM photographs of the JO-8 explosive after impact at hammer height of 1.0 m

圖7為落高1.0 m時JO-8炸藥撞擊加載后的電鏡圖，與B炸藥不同，JO-8炸藥的斷口比較平整，顆粒整體拔出的現(xiàn)象較少，穿晶斷裂明顯增多(圖7a)； 在剪切破壞裂紋路徑上觀察到剪切帶，這表明在撞擊加載過程中顆粒發(fā)生了較大的剪切塑性變形(圖7b)，這表明JO-8炸藥在低速撞擊加載下的損傷以剪切變形和穿晶斷裂為主。

3.4 損傷模式分析

當(dāng)炸藥柱受到低速撞擊時，首先在接觸面形成壓力為幾百兆帕的壓縮波，該壓縮波由以聲速傳播的彈性波和以較低塑性聲速傳播的塑性波組成，而一般炸藥的屈服應(yīng)力僅幾十兆帕，因此炸藥呈流動狀態(tài)。其中，含能材料晶體顆粒因位錯效應(yīng)形成剪切滑移，顆粒間因相對位移形成摩擦作用，炸藥柱最終出現(xiàn)徑向斷裂破壞。因此，在撞擊加載作用下，中心裝藥在摩擦，剪切，滑移帶等機制作用下發(fā)生塑性流動，裝藥在此過程中形成斷裂、滑移、穿晶等不同形式的損傷。

本研究認(rèn)為不同炸藥柱的沖擊損傷模式與炸藥材料特性和工藝過程有關(guān)。以B炸藥為例，B炸藥的損傷模式以TNT固相晶體的脆性斷裂為主，原因如下： (1)制備工藝決定著材料的微觀結(jié)構(gòu)。目前B炸藥通常采用熔鑄法制備，該工藝?yán)肨NT炸藥的固-液相變特點，通過加熱使TNT炸藥呈熔融態(tài)，然后加入固相顆?；旌?，隨著環(huán)境溫度逐步下降，熔態(tài)TNT原子間的引力逐漸加強，內(nèi)部顆粒的排列逐漸呈規(guī)則化，同時與RDX分子中的H、O原子形成氫鍵。在微觀結(jié)構(gòu)上，TNT作為粘結(jié)劑始終包裹著RDX顆粒。從含能材料的晶體力學(xué)強度看，TNT晶體彈性模量為10 GPa，RDX晶體彈性模量為18.4 GPa[9]，低速撞擊形成的應(yīng)力波強度低于炸藥的單晶力學(xué)強度，這是裝藥沒有發(fā)生瞬時點火的主要原因。高速攝影記錄說明應(yīng)力波加載破壞了炸藥柱的裝藥結(jié)構(gòu)，雖未直接引起炸藥晶體的點火，但炸藥柱內(nèi)部質(zhì)點在初始應(yīng)力波作用下持續(xù)變形，能量不斷轉(zhuǎn)化為裝藥的體積形變功，最終TNT晶體以脆性斷裂方式釋放累積的能量； (2)材料的熱性能決定材料的反應(yīng)模式。在整個加載過程中，應(yīng)力波通過質(zhì)點運動在裝藥內(nèi)部形成相對運動，因摩擦和剪切機制在TNT邊界層形成局部熱點，這是實驗室空氣中TNT濃度升高的主要原因。對于加入少量粘結(jié)劑的JO-8壓裝炸藥，由于具有粘彈性的粘結(jié)劑與炸藥顆粒緊密接觸結(jié)構(gòu)改善了HMX炸藥的脆性特征，且粘結(jié)劑保持自身形狀的能力強于固相炸藥，故這類裝藥在應(yīng)力波作用下的損傷以HMX晶體的剪切變形和穿晶斷裂為主。

根據(jù)霍-柯氏極限速度公式[10]，在彈性撞擊條件下，試樣的彈性、塑性極限速度與其力學(xué)性能和密度直接相關(guān)。由于B炸藥的壓縮強度僅10.5 MPa，JO-8炸藥為44.85 MPa[7]，當(dāng)裝藥密度相當(dāng)時，JO-8比B炸藥具有更高的極限速度，這是JO-8炸藥比B炸藥反應(yīng)滯后的主因。炸藥晶體發(fā)生延遲點火的原因可能是應(yīng)力波在裝藥與下?lián)糁佑|面形成反射，并對損傷顆粒造成了二次加載，但具體原因仍需試驗驗證。

4 結(jié) 論

(1) 對JO-8和B炸藥進(jìn)行了低速撞擊試驗，用高速攝影技術(shù)分析樣品撞擊受力和響應(yīng)過程，用掃描電鏡分析撞擊試驗后未反應(yīng)樣品的微觀形貌。撞擊試驗發(fā)現(xiàn)： JO-8炸藥的臨界點火閾值為360 N，B炸藥的閾值為300 N，JO-8炸藥比B炸藥具有更高的臨界點火閾值，這表明JO-8炸藥具有更高的抗撞擊能力； 高速攝影發(fā)現(xiàn)： 兩種炸藥均經(jīng)歷沖擊、塑性流動、飛散、反應(yīng)等階段，反應(yīng)在炸藥損傷后發(fā)生，其中JO-8炸藥的反應(yīng)滯后于B炸藥； 微觀分析表明： B炸藥在低速撞擊下的損傷以界面脫粘、沿晶斷裂為主，JO-8炸藥以剪切變形和穿晶斷裂為主。

(2) B炸藥的制備工藝決定了TNT包裹RDX的微觀結(jié)構(gòu)，TNT晶體較低的壓縮強度導(dǎo)致B炸藥在應(yīng)力波加載下首先發(fā)生斷裂； JO-8炸藥的制備工藝決定了粘結(jié)劑包裹HMX晶體的微觀結(jié)構(gòu)，粘結(jié)劑改善了炸藥晶體的脆性特征，致使JO-8炸藥的損傷模式不同； JO-8炸藥點火滯后的原因在于JO-8炸藥具有更好的壓縮強度。

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