李宏偉 郭婉肖 王 茂 韓志偉 陳 坤 王伯良南京理工大學(xué)化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

引言

炸藥在運(yùn)輸、儲存和使用等過程中，可能處于機(jī)械刺激、破片撞擊和沖擊波等各種惡劣環(huán)境[1]，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。因此，針對炸藥的撞擊安全性問題，國內(nèi)外已經(jīng)開展了廣泛的研究，主要方法有落錘加載試驗[2-3]、霍普金森桿試驗[4]和Steven試驗[5-6]等。

Hamdan等[7]利用改造的落錘儀研究炸藥在撞擊過程中的應(yīng)力變化。吳艷青等[8]利用改進(jìn)后的落錘儀研究了RDX/HMX炸藥的點火-燃燒機(jī)理，結(jié)果表明，HMX顆粒在固相中點火，燃燒反應(yīng)前常常發(fā)生劇烈的濺射現(xiàn)象。陳春燕等[9]將落錘撞擊試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合發(fā)現(xiàn)，高應(yīng)力和高應(yīng)變率使?jié)沧BX內(nèi)部顆粒間發(fā)生摩擦剪切作用，其產(chǎn)生的熱量大于PBX燃燒反應(yīng)所需熱量，從而發(fā)生點火反應(yīng)。尚海林等[10]采用改進(jìn)后的落錘試驗裝置研究了HMX顆粒炸藥在低速撞擊下的點火燃燒反應(yīng)并發(fā)現(xiàn)，撞擊速度越低，顆粒炸藥越容易發(fā)生噴射；撞擊速度越高，顆粒炸藥越容易發(fā)生點火燃燒。李宇翔等[11]利用自行設(shè)計的落錘加載裝置與掃描電鏡(SEM)的方法研究發(fā)現(xiàn)，撞擊作用下粒徑較大的HMX主要發(fā)生孔穴壓縮與顆粒破碎，粒徑較小的HMX主要發(fā)生顆粒層的剪切滑移。李亮亮等[12]基于分離式霍普金森桿并結(jié)合SEM研究了含鋁炸藥裝藥在雙脈沖加載時的微觀損傷模式。代曉淦等[13]通過Steven試驗采用錳銅壓力計和PVDF壓力傳感器測定炸藥在撞擊下的壓力變化，研究其響應(yīng)規(guī)律。

以上學(xué)者從藥粉和藥柱層面研究了炸藥低速撞擊條件下的敏感性，但炸藥在高速撞擊條件下的響應(yīng)敏感性研究較少，尤其是溫壓炸藥在高速撞擊下的響應(yīng)情況；而且研究方法多采用藥柱被動撞擊方式，無法得到藥柱發(fā)生點火時的撞擊速度。因此，以3種溫壓炸藥為研究對象，通過自行設(shè)計的動態(tài)加載裝置研究藥柱撞擊響應(yīng)規(guī)律，利用高速攝影機(jī)記錄藥柱的撞擊及點火響應(yīng)過程，獲得藥柱的臨界點火速度和加載后試樣的燃燒特性，為溫壓炸藥的安全性設(shè)計提供基礎(chǔ)試驗依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 樣品

藥柱為壓裝溫壓炸藥，采用壓裝工藝制備炸藥試樣。試樣尺寸為?18 mm×30 mm，藥柱間密度極差不超過0.02 g/cm3，3種溫壓炸藥配方及平均密度見表1。

1.2 儀器和裝置

1.2.1 動態(tài)加載試驗裝置

圖1為炸藥藥柱動態(tài)加載試驗裝置的示意圖。該裝置由加載裝置、彈托分離裝置、測速裝置、高速攝影機(jī)和鋼質(zhì)靶板等部分構(gòu)成。加載裝置為30 mm口徑的簡易火炮，通過控制藥室內(nèi)火藥質(zhì)量實現(xiàn)對炸藥試樣撞擊速度的控制。為避免炸藥藥柱被藥室內(nèi)高壓氣體推動時與發(fā)射管內(nèi)壁摩擦產(chǎn)生碎裂甚至燃燒，在炸藥藥柱外嵌套一個彈托(見圖2)，能夠保證炸藥藥柱在發(fā)射裝置內(nèi)的安全性，同時能夠保持炸藥藥柱飛行的氣動穩(wěn)定性。撞靶前，彈托會與藥柱自動分離，不影響撞靶過程。測速裝置由炮口與靶板處的傳感器組成(兩者距離一定)，用于測試藥柱飛行時間，通過計算得到炸藥藥柱的撞擊速度。高速攝影機(jī)(MotionPro Y4，美國IDT公司)用以拍攝炸藥藥柱的動態(tài)撞擊過程及點火情況。試驗中，攝影機(jī)距靶板3 m，拍攝速度為5 000幀/s，每幅圖間隔時間0.2 s。鋼質(zhì)靶板中心距離地面83 cm，尺寸為300 mm×300 mm。

1.2.2 密閉燃燒罐

撞擊后的炸藥藥粉通過尺寸為?50 mm×50 mm的圓筒形密閉燃燒罐進(jìn)行燃燒特性試驗。密閉燃燒罐包含點火系統(tǒng)和壓力采集系統(tǒng)，如圖3所示。點火系統(tǒng)包括直流穩(wěn)壓電源(0～15 V)、自制電極、電阻絲(鎳鎘絲)和電線；壓力采集系統(tǒng)包括壓力傳感 器(102A06型，靈敏度689.65 kPa/V，量程0～3.45 MPa，美國PCB Piezotronics公司)和數(shù)據(jù)采集分析儀(TraNET FE 208型，瑞士Elsys AG公司)，試驗采樣頻率取500 kHz。

表1 溫壓炸藥配方與平均密度Tab.1 Formula and average density of thermobaric explosive

1.3 試驗方法

藥柱撞擊剛性靶板試驗采用下限值法。試驗時，炸藥藥柱一旦發(fā)生點火反應(yīng)就降低試樣的撞擊速度，直至某一撞擊速度下不發(fā)生點火反應(yīng)；反之則提高撞擊速度，至發(fā)生點火反應(yīng)為止；最終獲得炸藥的臨界點火速度。回收撞擊后的試樣，利用密閉燃燒罐分析撞擊后炸藥試樣的燃燒特性。

2 結(jié)果與討論

2.1 動態(tài)加載過程

表2為炸藥藥柱的高速撞擊試驗結(jié)果。根據(jù)1.3中臨界點火速度的判別方法，從表2中可以看出，HMX基溫壓炸藥的臨界點火速度為302.9 m/s；HMX/NTO基溫壓炸藥的臨界點火速度為312.3 m/s；HMX/FOX-7基溫壓炸藥的臨界點火速度為315.3 m/s。這表明，在高速撞擊條件下，配方中加入鈍感炸藥NTO或FOX-7能夠提高溫壓炸藥的臨界點火速度。

3種配方溫壓炸藥發(fā)生點火反應(yīng)的動態(tài)響應(yīng)見圖4～圖6。由圖4可以看出，HMX基溫壓炸藥以302.9 m/s速度正面撞擊靶板后，在撞擊瞬間因慣性作用導(dǎo)致其整體急劇壓縮，發(fā)生塑性變形，并發(fā)生破碎向四周迅速擴(kuò)散；藥柱從接觸靶板到壓縮的過程在0.4 ms內(nèi)完成，在0.2 ms發(fā)生點火反應(yīng)，熱點隨著藥柱破碎擴(kuò)散而擴(kuò)散，但未引起剩余藥粉發(fā)生反應(yīng)；而以328.6 m/s速度撞擊靶板時，瞬間產(chǎn)生熱點并發(fā)生劇烈點火反應(yīng)，在0.8～1.4 ms之間，點火反應(yīng)有減弱的趨勢，但持續(xù)至3.4 ms之后，點火反應(yīng)更加劇烈，表明1.4 ms之后持續(xù)的點火反應(yīng)蔓延至周圍破碎藥粉引起其反應(yīng)。對于HMX/NTO基溫壓炸藥，由圖5可以看出，試樣以312.3 m/s速度撞擊，0.2 ms時在藥柱前端產(chǎn)生熱點，僅有極少量炸藥參與點火反應(yīng)，0.2 ms后僅有藥柱破碎向四周飛散現(xiàn)象；撞擊速度達(dá)到320.0 m/s時，0.2 ms時產(chǎn)生熱點并引起小范圍點火反應(yīng)持續(xù)至1.0 ms。圖6中，HMX/FOX-7基溫壓炸藥以315.3 m/s速度撞擊靶板時，在0.2 ms時藥柱前端產(chǎn)生熱點，極少量炸藥參與點火反應(yīng)；在撞擊速度增至322.4 m/s時，點火反應(yīng)從0.2 ms持續(xù)至0.8 ms。

表2 3種炸藥藥柱的高速撞擊試驗結(jié)果Tab.2 High-speed impact test results of three explosive charges

在高速撞擊加載作用下，HMX基、HMX/NTO基和HMX/FOX-7基溫壓炸藥均經(jīng)歷沖擊、塑性變形、破碎飛散和點火反應(yīng)階段。在臨界點火速度下，3種試樣在0.2 ms時均有明顯的點火反應(yīng)，反應(yīng)并沒有引起周圍破碎藥粉發(fā)生大范圍點火反應(yīng)。在該試驗條件下，配方中加入鈍感炸藥NTO或FOX-7的試樣的火光持續(xù)時間都較短。當(dāng)撞擊速度為320～329 m/s時，HMX基溫壓炸藥產(chǎn)生強(qiáng)烈火光，發(fā)生劇烈的點火反應(yīng)，持續(xù)時間為2.0 s；HMX/NTO基溫壓炸藥產(chǎn)生火光，持續(xù)0.8 ms；HMX/FOX-7基溫壓炸藥產(chǎn)生火光，持續(xù)0.6 ms。結(jié)果表明，溫壓炸藥中加入鈍感炸藥NTO或FOX-7能夠明顯提高其抗撞擊能力，具有更好的安全性。

2.2 燃燒特性表征

HMX基、HMX/NTO基、HMX/FOX-7基溫壓炸藥撞擊靶板后的燃燒特性可以通過密閉燃燒罐內(nèi)試樣的燃燒壓力峰值pmax、升壓時間t1、壓力持續(xù)時間t2和升壓速率△p/△t判斷(罐內(nèi)氣氛為空氣)。為了對比3種溫壓炸藥燃燒特性的差異，選取撞擊速度相近(303 m/s左右)試樣的回收藥粉開展試驗。取3種溫壓炸藥撞擊后的試樣各50 mg，并過30目篩，進(jìn)行燃燒特性表征。試驗過程中，通過電熱絲點燃試驗樣品，并記錄燃燒壓力時程曲線。3種溫壓炸藥回收樣品燃燒的壓力時程曲線見圖7，表征結(jié)果見表3。

由圖7可知，3種溫壓炸藥的t1(燃燒壓力從0 kPa升至pmax所用時間)和壓力持續(xù)時間t2(燃燒壓力從上升再降至基線所用時間)都較長，壓力波形為燃燒波，處于燃燒狀態(tài)。

從表3可知，對于3種溫壓炸藥試樣以相近速度撞擊后，pmax無明顯差別，但t1、t2和△p/△t有較顯著差異。溫壓炸藥中加入NTO和FOX-7后，t1和t2明顯增大，其中t1分別增加103.6%和103.3%，t2分別增加44.6%和12.2%；但△p/△t降低，與樣品1＃相比，分別下降17.3%(樣品2＃)和21.1%(樣品3＃)。這說明，溫壓炸藥中加入鈍感炸藥降低了其撞擊后所回收藥粉的燃燒性能。另外，從升壓速率數(shù)據(jù)可以看出，HMX/FOX-7基溫壓炸藥燃燒反應(yīng)速率更慢，具有更好的安全性。

2.3 機(jī)理分析

炸藥以一定速度v軸向撞擊剛性靶板，如果v足夠小，那么在撞擊時藥柱內(nèi)部會產(chǎn)生彈性應(yīng)力波，幅值σ為

表3 3種溫壓炸藥撞擊后的燃燒性能Tab.3 Combustion characteristics of three thermobaric explosives after impact

式中:ρ0為藥柱密度；c0為聲速。

當(dāng)v足夠高，藥柱內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力會超過炸藥材料本身的屈服應(yīng)力Y，在臨界狀態(tài)產(chǎn)生的應(yīng)力所對應(yīng)屈服應(yīng)力水平的撞擊速度，即屈服速度vY為

材料聲速c0可根據(jù)材料的彈性模量E和密度ρ0計算

根據(jù)式(2)、式(3)，得:

試樣藥柱的彈性模量在250 MPa左右，屈服應(yīng)力在4 MPa左右，密度為1.90～1.92 g/cm3。因此，由式(4)可得，藥柱的屈服速度在6 m/s左右。在撞擊試驗中，試樣的撞擊速度均在200 m/s以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于炸藥試樣屈服速度；因此，炸藥試樣在這一速度量級下撞擊剛性靶板，必然發(fā)生大的變形和破碎。

點火反應(yīng)是應(yīng)力和應(yīng)力作用時間共同作用的結(jié)果，而壓裝成型的溫壓炸藥是一種損傷材料，在壓制成型的過程中，造型粉顆粒間相互擠壓，已經(jīng)開始出現(xiàn)缺陷[14]。由于初始缺陷的存在，在高速撞擊作用下，炸藥顆粒之間相互擠壓、剪切和摩擦等作用加劇，導(dǎo)致炸藥感度提高。在高速撞擊下，炸藥藥柱在撞擊靶板階段會產(chǎn)生塑性應(yīng)力波，引起塑性大變形，藥柱所具有的動能通過塑性功轉(zhuǎn)熱過程轉(zhuǎn)化為炸藥內(nèi)能，使得炸藥內(nèi)部溫度迅速上升[15]。隨著撞擊速度的增大，塑性應(yīng)力波的幅值也隨之增大，炸藥藥柱的塑性變形和塑性功轉(zhuǎn)熱也逐漸加劇，從而發(fā)生點火反應(yīng)。

由上述試驗知，在高速撞擊下，F(xiàn)OX-7的降感效果優(yōu)于NTO。NTO標(biāo)準(zhǔn)摩爾比熱容[16]為141.53 J/(mol·K)，F(xiàn)OX-7的標(biāo)準(zhǔn)摩爾比熱容[17]為176.59 J/(mol·K)；與HMX相比，NTO和FOX-7的比熱容較大，在受到撞擊作用時，會從熱點處吸收較多的熱量。鈍感炸藥的加入較為顯著地降低了HMX基溫壓炸藥的燃燒速率，HMX/FOX-7基溫壓炸藥更不易產(chǎn)生熱點，具有更高的臨界點火速度，安全性更好。燃燒特性表征結(jié)果表明，鈍感炸藥的加入較為顯著地降低了撞擊后的HMX基溫壓炸藥的燃燒速率。

3 結(jié)論

為研究溫壓炸藥在高速撞擊條件下的響應(yīng)敏感性，通過藥柱撞擊剛性靶板試驗和密閉燃燒罐試驗對HMX基、HMX/NTO基和HMX/FOX-7基3種溫壓炸藥的臨界點火速度及高速撞擊后藥粉的燃燒特性進(jìn)行分析，結(jié)論如下:

1)高速撞擊下，3種溫壓炸藥均經(jīng)歷沖擊、塑性變形、破碎飛散和點火反應(yīng)階段。HMX基、HMX/NTO基和HMX/FOX-7基溫壓炸藥的臨界點火速度分別為302.9、312.3、315.3 m/s。這表明，配方中加入鈍感炸藥NTO和FOX-7能夠提高溫壓炸藥的臨界點火速度。

2)303 m/s左右速度撞擊后，HMX/NTO基和HMX/FOX-7基的溫壓炸藥升壓時間比HMX基溫壓炸藥分別增加103.6%和103.3%，升壓速率比HMX基溫壓炸藥分別降低17.3%和21.1%。這說明，HMX基溫壓炸藥中加入鈍感炸藥NTO和FOX-7，降低了撞擊后藥粉的燃燒速率，提高了溫壓炸藥的安全性。