申春迎，黃 謙，向 永，鄧 川

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621900)

摩擦一直被認(rèn)為是炸藥發(fā)生意外點火的重要原因之一［1］。Peter Dickson列舉了炸藥件在加工、檢測、運輸和銷毀各個環(huán)節(jié)中由于摩擦引發(fā)的意外爆炸事故［2］。國內(nèi)外都非常重視炸藥在摩擦下的安全性，并建立了一系列從毫克到克、千克量級的摩擦試驗方法來考察炸藥的安全性研究其響應(yīng)機(jī)制。研究結(jié)果表明:毫克量級的粉狀炸藥和大型藥球的摩擦試驗在炸藥爆炸危險性方面得出的結(jié)果并不完全一致［2］。這與兩者模擬的環(huán)境不同導(dǎo)致的反應(yīng)增長模式不同有關(guān)。小型試驗由于試驗藥量小成本低檢測方便在炸藥配方篩選和日常質(zhì)量檢測中發(fā)揮重要作用，但與實際使用環(huán)境相差甚遠(yuǎn)，大型試驗則對炸藥加工、操作、運輸、使用過程中的安全性評估起著重要作用，但試驗成本太高、樣品加工周期長，不可能做大量試驗。大型試驗和小型試驗相互補(bǔ)充，兩者都不可或缺。

滑道試驗用來模擬炸藥件在生產(chǎn)、裝配、運輸與使用中由于意外跌落發(fā)生撞擊、摩擦等刺激作用的危險性評價，而且可用于鑒定炸藥工廠的不同材料地面覆蓋物引起的爆炸效應(yīng)。美國原子能委員會曾把這種試驗方法作為鑒定炸藥工廠作業(yè)安全最有實用價值的方法［3］。Bowden和Yoffe等人通過試驗證明，炸藥在滑道試驗中點火是由于炸藥在受到撞擊、摩擦后，機(jī)械能在極小的局部地方轉(zhuǎn)化為熱能形成熱點造成的［4］。Peter Dickson和Gary Parker將傳統(tǒng)的滑道試驗的靶板進(jìn)行改進(jìn)，通過高速攝影觀察到了熱點的產(chǎn)生、增長和熄滅等過程［4］。

美國能源部的IHE鑒定試驗中規(guī)定滑道試驗中要求三發(fā)標(biāo)準(zhǔn)炸藥球在落高20ft(6.1 m)、14°撞擊角條件下無反應(yīng)［5］。本研究對幾種壓制PBX炸藥進(jìn)行了滑道試驗，發(fā)現(xiàn)高速攝影幅頻對鑒定低感炸藥是否為鈍感炸藥具有重要作用，討論了影響炸藥在滑道試驗中的響應(yīng)的因素。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

試驗裝置主要由懸掛系統(tǒng)、試驗件、釋放裝置、樣品提升系統(tǒng)、靶五部分組成，如圖1所示。

圖1 滑道試驗裝置示意圖

為了觀察炸藥在滑道試驗中受到摩擦撞擊時的點火及熱點發(fā)展情況，將國軍標(biāo)GJB772A—1997中的(炸藥試驗方法斜撞擊感度滑道試驗法)滑道試驗件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將半球基體材料上半部分材料改為鋁，下半部分材料改為有機(jī)玻璃。Φ80 mm×50 mm炸藥柱鑲嵌在有機(jī)玻璃中。改進(jìn)后的試驗件重心位置不變，試驗件的重量保持不變，約10 kg。

1.2 測試系統(tǒng)

采用中科動態(tài)智能動態(tài)測試儀、江蘇聯(lián)能電荷放大器YE6600B、江蘇聯(lián)能加速度傳感器CY-YD-113、美國PCB公司137A自由場壓力傳感器和多通道信號適配器組成的壓力、加速度測試系統(tǒng);用高速攝影儀GX-1記錄炸藥撞擊、點火、爆炸過程，攝影幅頻8000 fps。

2 試驗結(jié)果

2.1 幾種PBX炸藥的試驗結(jié)果

滑道試驗是將試驗件提升到預(yù)定高度后，試驗件自由擺落并以一定的角度撞擊水平靶板，測試炸藥球發(fā)生反應(yīng)的程度，評價其安全性。本次滑道試驗撞擊角度為14°，靶板為35鋼，上表面噴涂50～70目的石英砂，厚度為1～1.3 mm。試驗樣品為分別以 TATB、TATB/HMX、HMX/TATB、HMX為基的幾種 PBX炸藥，成型方式為壓制。其中 PBX-1和PBX-4分別含95%左右的 TATB和 HMX，PBX-2含有70%以上的TATB和少量HMX，PBX-3含有80%以上的HMX和少量TATB。

對4種PBX炸藥進(jìn)行了不同落高下撞擊角度為14°的滑道試驗，滑道試驗結(jié)果見表1。

2.2 高速攝影測試結(jié)果

通過高速攝影觀測到PBX-1和PBX-2炸藥件在落高6.1 m、撞擊角度為14°的滑道試驗中沒有點火現(xiàn)象發(fā)生。PBX-3炸藥在相同條件下則發(fā)生了點火、燃燒等反應(yīng)。PBX-3樣品從撞靶到發(fā)生點火、點火熄滅或點火增長過程的高速攝影圖像見圖2。攝像幅頻為8000 fps。

表1 幾種PBX炸藥滑道試驗結(jié)果

圖2 PBX-3炸藥滑道試驗高速攝影圖像(落高6.1 m，14°，幅頻8000 fps)

從高速攝影的圖像可以清楚的看到，PBX-3炸藥在落高6.1 m、撞擊角度為14°試驗條件下與砂靶撞擊摩擦?xí)r發(fā)生了點火。以炸藥件撞擊靶面作為零時，PBX-3-1炸藥在經(jīng)過1.125 ms的延時后，炸藥發(fā)生了點火，而后火焰擴(kuò)大熱點進(jìn)一步發(fā)展，隨著炸藥的破碎，火焰很快變小，并逐漸向裂紋內(nèi)部發(fā)展，熱點進(jìn)一步增長，最后形成了較大的火焰，炸藥發(fā)生了燃燒。試驗結(jié)束后回收到炸藥小碎塊185 g。而另外兩發(fā)PBX-3炸藥在相同試驗條件下的結(jié)果比較類似，都是在炸藥撞擊靶板后經(jīng)過1.5 ms左右的延時，炸藥發(fā)生了點火，隨著炸藥柱產(chǎn)生裂紋和破碎，熱點很快熄滅(0.125～0.25 ms)，反應(yīng)沒有發(fā)展下去。試驗后可以回收到絕大部分炸藥。

從上面PBX-3炸藥的高速攝影圖像觀察可以發(fā)現(xiàn)，炸藥反應(yīng)特征的趨勢可能是火焰?zhèn)鞑ヅc由炸藥球撞擊形成的裂紋和破裂導(dǎo)致的熄火之間的競爭結(jié)果。

在同樣試驗條件下進(jìn)行了PBX-4炸藥的滑道試驗。其高速攝影圖像見圖3，從圖3中可以看到PBX-4炸藥在撞擊靶板1.625 ms后發(fā)生點火出現(xiàn)火光，而后擴(kuò)展到炸藥內(nèi)部裂紋中，很快成長為爆炸波。

圖3 PBX-4炸藥滑道試驗高速攝影圖像

2.3 加速度、超壓測試數(shù)據(jù)分析

在炸藥試件上表面均布3只加速度傳感器，用來測試撞擊過程中的加速度。在距撞擊點3 m處布置壓力傳感器，用來測試炸藥反應(yīng)產(chǎn)生的超壓。撞擊過程中產(chǎn)生的加速度和超壓值見表2。從表2中可以看出，當(dāng)炸藥發(fā)生反應(yīng)時，加速度值明顯升高，加速度測量值從6500 m/s2升高到9600 m/s2以上，在發(fā)生爆炸及以上等級的反應(yīng)時加速度值更高，超過20000 m/s2。炸藥發(fā)生爆炸反應(yīng)時，產(chǎn)生的空氣沖擊波超壓比較大，而發(fā)生三級及以下等級的反應(yīng)時，產(chǎn)生的超壓很小，僅幾千帕，因此超壓值可作為反應(yīng)等級劃分的參考。

表2 幾種炸藥的加速度和超壓測試結(jié)果

3 討論

從上面的試驗結(jié)果可以看出，4種PBX炸藥在滑道試驗中的結(jié)果差異比較明顯。PBX-1和PBX-2兩種炸藥比較安全，而PBX-4炸藥則比較敏感。

Bowden和Yeffe等通過試驗研究，認(rèn)為在滑道試驗中炸藥點火主要是在由于炸藥局部受到撞擊或摩擦形成熱點造成的［7］，半球撞擊摩擦產(chǎn)生的熱能集中在很小的區(qū)域(直徑約1 inch)。

根據(jù)Randolph等建立的預(yù)測炸藥臨界落高的滑道試驗?zāi)Ｐ停Σ涟咧睆娇砂聪率接嬎悖?］:

式(1)中:dc為摩擦斑直徑(cm);D為半球直徑(m);H為跌落高度(m);Φ為撞擊角度(°);W為半球重量(kg);σ為極限動力學(xué)強(qiáng)度(MPa)。

摩擦接觸時間

從上面可以看出，炸藥撞擊摩擦形成的摩擦斑大小與摩擦系數(shù)無關(guān)，但與樣品的力學(xué)強(qiáng)度、跌落高度、撞擊角度以及樣品重量、尺寸大小有關(guān)。摩擦接觸時間與摩擦系數(shù)以及撞擊角度無關(guān)，但與半球的重量、大小以及力學(xué)性能有關(guān)。

根據(jù)Charles Anderson的滑道試驗?zāi)Ｐ?，摩擦產(chǎn)生的摩擦斑的溫度可用下式表示［7］

式(2)中:TS為溫度(℃);α為熱擴(kuò)散率(cm2/s);σ為極限動態(tài)力學(xué)強(qiáng)度(MPa);δ為常數(shù);λ為導(dǎo)熱系數(shù)(cal/cm·s·℃);μ為炸藥在砂靶上的摩擦系數(shù)。

對于這幾種炸藥半球，其半球直徑相同重量相近，極限動態(tài)力學(xué)強(qiáng)度越高其與靶板摩擦接觸時間越短，摩擦斑的直徑也越小，摩擦斑的溫度越高。摩擦系數(shù)的大小直接影響摩擦斑的熱點溫度。摩擦系數(shù)越大，摩擦斑點的溫度越高，炸藥越容易發(fā)生反應(yīng)。

幾種炸藥的力學(xué)性能如表3所示。有研究表明:材料越軟，摩擦撞擊產(chǎn)生的摩擦斑點越大，炸藥越安全。從上面的公式也可以看出，炸藥的極限動態(tài)力學(xué)強(qiáng)度對炸藥在滑道試驗中的安全性影響比較大。選擇合適的極限動態(tài)力學(xué)強(qiáng)度和摩擦系數(shù)對于預(yù)估炸藥臨界落高的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，但極限動態(tài)力學(xué)強(qiáng)度和摩擦系數(shù)很難獲得準(zhǔn)確值。

參照GB10006—1988塑料薄膜和薄片摩擦系數(shù)測定方法，測得50目～70目石英砂砂靶與PBX-3炸藥之間的摩擦系數(shù)在0.40 ～0.60范圍內(nèi)。

按照式(3)估算出摩擦系數(shù)分別為0.45和0.5時4種PBX炸藥的熱點溫度。結(jié)果見表4。從表中數(shù)據(jù)可以看出，摩擦系數(shù)對熱點溫度影響明顯。Beedham、Dyer等報到在滑道試驗中引發(fā)HMX和RDX炸藥反應(yīng)的熱點溫度在400～470℃，遠(yuǎn)高于熱點火溫度 215 ～ 260℃［8］。PBX-3 和PBX-4炸藥在落高6.1 m、撞擊角度為14°時的熱點溫度都超過了400℃，因此可能發(fā)生點火。由于噴砂的靶板表面不規(guī)則，炸藥和靶板之間摩擦?xí)r主要是突出點的接觸，因此實際接觸面積比理論接觸面小，這些接觸點的溫度比預(yù)測的熱點溫度高。由于噴砂靶板粗糙度和平整度不可能完全一致，因此即使在相同的落高和撞擊角度條件下，熱點溫度也會有差別，這也就導(dǎo)致試驗結(jié)果具有一定的分散性。

表3 幾種炸藥的力學(xué)性能

表4 幾種炸藥的熱點溫度計算結(jié)果

由于PBX-2和PBX-3、PBX-4這3種炸藥中都含有比較敏感的HMX成分，引發(fā)炸藥發(fā)生反應(yīng)的熱點溫度相近。從表4可以看出，在相同試驗條件下，PBX-3的熱點溫度明顯高于PBX-2。同時PBX-2中含有大量TATB成分，不僅可降低熱點溫度，而且可以大大降低反應(yīng)劇烈程度，因此PBX-2炸藥在滑道試驗中的安全性明顯高于PBX-3炸藥。當(dāng)然，炸藥發(fā)生點火后的反應(yīng)等級與炸藥本身的性能密切相關(guān)，如PBX-4炸藥在發(fā)生點火后，很容易轉(zhuǎn)化為爆炸或爆轟反應(yīng)，而PBX-3炸藥由于含有少量的TATB炸藥，明顯降低了炸藥反應(yīng)的劇烈程度，其在相同試驗條件下，點火要么熄滅要么成長為燃燒，但都沒發(fā)展到爆炸或爆燃反應(yīng)。

對于PBX-1炸藥，其成分為TATB和粘接劑，而TATB的熱安全性遠(yuǎn)優(yōu)于HMX炸藥，故PBX-1炸藥發(fā)生反應(yīng)所需的熱點溫度要高于另外3種PBX炸藥。在撞擊角度和摩擦靶面相同的條件下，要使其在滑道試驗中發(fā)生點火需要的落高也要高于另外幾種PBX炸藥，安全性更好。

滑道試驗中，高速攝影圖像對炸藥的反應(yīng)等級的判別至關(guān)重要。特別是對于一些比較低感的炸藥，反應(yīng)等級較低，沒有超壓產(chǎn)生，點火后反應(yīng)迅速熄滅(從點火到熄滅不到0.2 ms)，試驗件和靶板上也可能沒有明顯燒蝕痕跡，如果高速攝影儀攝像的幅頻低很可能拍不到點火過程，導(dǎo)致試驗反應(yīng)級別誤判，因此，試驗中高速攝影的幅頻不能低于8000幅/s。

4 結(jié)論

試驗結(jié)果表明，PBX-1炸藥和PBX-2炸藥在跌落高度6.1 m、撞擊角度14°的滑道試驗沒有發(fā)生反應(yīng)，而PBX-3炸藥則發(fā)生了燃燒反應(yīng)，PBX-4炸藥在相同條件下發(fā)生了強(qiáng)烈的爆燃反應(yīng)。PBX-1和PBX-2炸藥在滑道試驗中的安全性明顯優(yōu)于PBX-3和PBX-4炸藥。

PBX-3炸藥、PBX-4炸藥在跌落高度6.1 m、撞擊角度14°的滑道試驗中點火延遲時間區(qū)別不大，都在1.5 ms左右。

對于低感炸藥，滑道試驗中，高速攝影儀的攝影幅頻不能低于8000幅/s。

炸藥在滑道試驗中的安全性不僅與炸藥本身的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，還和其力學(xué)性能和熱物理性能及炸藥與靶板之間的摩擦系數(shù)等密切相關(guān)。

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