王 碩，盧芳云，陳 榮

(國防科技大學 文理學院，湖南 長沙 410000)

引 言

含能材料作為戰(zhàn)斗部裝藥的核心部件，在受到意外刺激時可能發(fā)生點火，炸藥點火后傳導燃燒，甚至可進一步發(fā)展為對流燃燒[1]。對流燃燒產(chǎn)生的局部高壓足以驅(qū)動炸藥中的裂紋高速擴展，進一步提高燃燒比表面積，驅(qū)使反應升級并向高烈度轉(zhuǎn)化，甚至演化為爆轟。

對密實炸藥點火后反應演化的研究仍主要依托于實驗，現(xiàn)階段針對對流燃燒的縫隙增壓實驗[2-8]關(guān)注于炸藥預制間隙中反應產(chǎn)物的對流過程及表面燃燒行為。為了觀測密實炸藥內(nèi)部點火后的燃燒反應演化，Dickson等[9]采用可視化的約束烤燃實驗直接觀察PBX9501在烤燃之后的反應傳播過程?；谠摷s束烤燃實驗改進的Cindy實驗[1]則被用來研究約束PBX9501中心點火后的反應，該實驗采用電熱絲加熱進行點火，通過高速攝像機直接觀察點火后的燃燒反應過程。Holmes 等[10-11]則進一步采用激光點火研究了不同預應力條件下藥柱中心點火后的反應演化，結(jié)果表明后續(xù)的反應響應受到加載預應力的影響，預應力對點火氣體的密封限制作用是對流燃燒反應早期演化的主控因素之一。

在炸藥事故反應中，炸藥變形和斷裂行為特性以及氣態(tài)反應產(chǎn)物壓力均顯著依賴于周邊結(jié)構(gòu)的約束狀態(tài)[12]。不同約束狀態(tài)下的燃燒反應演化特征也不同[13-15]，現(xiàn)有的研究尚未精細地分析約束作用對反應烈度和演化過程的影響，因此本研究擬開展不同約束作用下的PBX炸藥點火后反應演化實驗研究，通過拍攝點火后反應演化圖像并進行深入分析，獲取約束條件對反應演化的影響規(guī)律，揭示其影響反應演化過程的作用機制，為進一步開展裝藥意外點火后的安全性研究提供技術(shù)支撐。

1 實 驗

1.1 樣 品

實驗所用炸藥樣品為某HMX基PBX，由西安近代化學研究所提供，各組分的質(zhì)量分數(shù)分別為：HMX 95%、黏結(jié)劑5%；其理論最大密度為1.887g/cm3，實測密度為1.760g/cm3；樣品直徑為(19.97±0.02)mm，高度為(2.03±0.02)mm，藥片試樣如圖1所示。炸藥片試樣細觀光學顯微形貌及斷面掃描電鏡圖如圖2所示。

圖1 HMX基PBX炸藥片試樣的宏觀形貌Fig.1 Macro-morphology of HMX based PBX

圖2 炸藥片試樣細觀和微觀形貌Fig.2 The micro and macro morphology of an PBX sample

由圖1和圖2可以看到粒徑為毫米量級且形狀各異的大顆粒，該大顆粒由許多細小的晶體小顆粒和較少的包覆黏結(jié)劑構(gòu)成，大顆粒之間存在清晰的顆粒交界面。由于大顆粒粒徑形狀有一定隨機性，不同藥片試樣、同一藥片不同位置處的細觀形貌略有不同，部分區(qū)域大顆粒間交界面不明顯。由圖2(b)可以看到，基體中暴露出的炸藥晶體顆粒粒徑在10μm量級；晶體顆粒之間相互擠壓，部分顆粒內(nèi)部存在微裂紋；黏結(jié)劑對晶體顆粒的包覆程度較好，晶體顆粒交界處和晶體表面存在細密的黏結(jié)劑。

圖3 實驗裝置示意圖Fig.3 Diagram of the apparatus

1.2 實驗裝置

實驗裝置示意圖如圖4所示，通過上下端蓋、鋼化玻璃底座、窗口、聚四氟乙烯墊片和金屬圓環(huán)組合形成的密閉空間來約束炸藥片。通過6個12.9級強度的M8螺栓對裝置進行緊固，聚四氟乙烯墊片高度為(1.15±0.02)mm，直徑為(19.98±0.03)mm；炸藥片高度為(2.03±0.02)mm，直徑為(19.97±0.02)mm。金屬圓環(huán)高度為(3.0±0.03)mm，略低于聚四氟乙烯墊片和炸藥片高度之和，螺栓預緊力能直接作用在炸藥片上，進而保證炸藥片上下端面具有一定的氣密性，不會在尚未發(fā)生劇烈反應前發(fā)生大面積泄壓。在炸藥片中心預制0.85mm的通孔，通孔內(nèi)設(shè)置Cr20Ni80電熱絲，通過直流電源對電熱絲進行通電加熱，進而點燃電熱絲附近的炸藥。

圖4 3種金屬約束圓環(huán)Fig.4 Metal rings for restraints

采用如圖4所示的3種不同的金屬圓環(huán)，以實現(xiàn)對炸藥片徑向方向變形進行不同程度的約束。3種約束圓環(huán)的高度均為(3.0±0.03)mm，內(nèi)徑為(19.98±0.02)mm，該約束圓環(huán)內(nèi)徑尺寸保證了約束圓環(huán)與藥片、聚四氟乙烯墊片之間具有極小的裝配間隙；在軸向螺栓預緊力的作用下，藥片發(fā)生一定程度的徑向變形，以保證其與約束圓環(huán)之間進一步緊密貼合。3種約束圓環(huán)具有不同的外徑，其中，外徑為22.0mm(寬度1.0mm)和外徑為28.0mm(寬度4.0mm)的約束圓環(huán)材料為黃銅，外徑為33.0mm(寬度6.5mm)的圓環(huán)材料為鋼。3種約束圓環(huán)分別代表不同強度的約束條件，寬度1.0mm銅環(huán)代表弱約束強度；寬度4.0mm銅環(huán)代表中等約束強度；寬度6.5mm鋼環(huán)代表強約束強度。

1.3 測試方法

實際實驗裝置如圖5所示，將其置于爆炸罐內(nèi)進行點火實驗，以實現(xiàn)對測試設(shè)備的防護。爆炸罐罐口設(shè)置有鋼化玻璃觀察窗口；通過該觀察窗口，采用高速相機拍攝炸藥點火后的反應演化過程，拍攝幀頻為2×105s-1；采用補光燈對炸藥片進行補光。高速相機、補光燈及設(shè)備防護的設(shè)置情況如圖6所示。

圖5 實際實驗裝置圖Fig.5 Experimental apparatus

圖6 高速相機和防護裝置實物圖Fig.6 High speed camera and protection device

2 結(jié)果及分析

2.1 不同約束下的實驗結(jié)果

2.1.1 弱約束點火反應實驗

在弱約束下，炸藥反應演化圖像見圖7。

圖7 1.0mm銅環(huán)約束作用下PBX炸藥中心點火反應演化過程Fig.7 Evolution process of central ignition reaction of PBX explosive under 1.0mm copper ring constraint

由圖7可見，在電熱絲加熱的作用下，炸藥中心在0μs發(fā)生點火并發(fā)出可見的亮光；35μs后點火處的火光明顯變亮，并初步發(fā)出4條放射狀裂紋。在燃燒火焰的驅(qū)動下裂紋在30μs內(nèi)持續(xù)傳播約5.4mm，其中3條裂紋的傳播在65μs時發(fā)生停滯，可以觀察到在炸藥邊緣與放射狀裂紋尖端之間存在點亮的徑向分支裂紋；95μs時，各分支裂紋內(nèi)部接近主裂紋處也分別被點燃，火焰沿分支裂紋內(nèi)部向約束邊界傳播，并在155μs時先后達到炸藥與圓環(huán)約束接觸界面，接觸間隙也初步被點燃。隨著各主裂紋和分支裂紋之間的裂紋尖端緩慢地擴展，最終在195μs時先后發(fā)生貫通，且燃燒反應進一步進入炸藥與圓環(huán)的接觸面內(nèi)。

隨著反應持續(xù)演化，可以觀察到在410μs時刻反應劇烈程度達到高峰，火光明顯增強，約束接觸間隙內(nèi)的反應面積顯著增大；在接下來的85μs內(nèi)反應又逐漸減弱，約束接觸間隙內(nèi)的反應面積減小，裂紋內(nèi)的火光明顯弱于裂紋剛貫通時。隨后，反應烈度又逐漸恢復并升高，并在640μs時刻又一次達到高峰，約束接觸間隙內(nèi)的反應面積和裂紋內(nèi)的反應火光均大于第一次；反應持續(xù)195μs后又顯著降低，約束接觸間隙和各分支裂紋內(nèi)的燃燒火焰近乎完全熄滅，僅在主裂紋中仍存在暗淡的火光，被分割為4塊的炸藥基體中存在數(shù)條放射狀徑向裂紋。反應烈度在其后的60μs內(nèi)又迅速增大，環(huán)形的約束接觸間隙在895μs時刻幾乎被完全點燃，炸藥基體內(nèi)更多的徑向裂紋被點燃，反應劇烈程度超過前幾次高峰；劇烈反應持續(xù)40μs，隨著燃燒火焰逐漸貫通和交匯，炸藥基體被進一步地切割為大小不一的十幾塊，圓環(huán)解體而不再起到約束作用，部分炸藥碎塊逐漸被拋出。隨著約束圓環(huán)解體和泄壓，反應在55μs內(nèi)迅速下降并徹底熄滅。

2.1.2 中等約束點火反應實驗

在中等約束作用下，炸藥反應演化圖像見圖8。由圖8可見，在電熱絲加熱的作用下，炸藥中心在0μs發(fā)生點火并發(fā)出可見的亮光；在點火發(fā)生35μs后，炸藥中心點火處的火光明顯增強并初步顯現(xiàn)出5條放射狀裂紋。在150μs時刻，放射狀裂紋在燃燒反應的驅(qū)動下部分到達炸藥與圓環(huán)約束接觸界面；在30μs后(180μs時刻)5條裂紋均達到約束接觸面，接觸間隙被大面積點燃，裂紋內(nèi)部反應火光也進一步增強，被切為5塊炸藥基體局部發(fā)生了“角裂”式的破碎。隨著反應持續(xù)增強，圓環(huán)發(fā)生極速擴張，炸藥基體進一步破碎，反應在220μs時刻達到高峰；在接下來的120μs內(nèi)，各裂紋內(nèi)部的燃燒反應逐漸熄滅，反應烈度逐漸下降，在340μs時刻反應徹底熄滅。

圖8 4.0mm銅環(huán)約束作用下PBX炸藥中心點火反應演化過程Fig.8 Evolution process of central ignition reaction of PBX explosive under 4.0mm copper ring confinement

2.1.3 強約束點火反應實驗

在強約束作用下，炸藥反應演化圖像見圖9。由圖9可見，在電熱絲加熱的作用下，炸藥中心在0μs發(fā)生點火并發(fā)出可見的亮光；持續(xù)引燃100μs后，炸藥中心點火處的燃燒區(qū)域面積顯著增大，并逐步開始向外傳播；在125μs時刻，燃燒反應驅(qū)動數(shù)條裂紋向外傳播。在220μs時刻裂紋內(nèi)部反應烈度進一步增加，裂紋及點火處發(fā)出劇烈的火光，反應演化圖像顯示左下方存在大面積的火焰，其原因可能是該區(qū)域炸藥片和玻璃窗口之間氣密性不良，導致左下方裂紋內(nèi)部氣體大量溢出。在240μs時刻，反應驅(qū)動裂紋到達約束接觸界面，且在裂紋與界面交匯處發(fā)出多道強烈的火光，在之后的20μs內(nèi)，反應烈度急劇增加，鋼化玻璃窗口破碎；這也說明反應烈度升級的主要原因是圖像中3條裂紋內(nèi)的反應演化，而不是圖像中左下方大面積的燃燒火焰。在315μs時刻，隨著鋼化玻璃的破碎噴出，反應火光逐漸熄滅。

圖9 6.5mm鋼環(huán)約束作用下PBX炸藥中心點火反應演化過程Fig.9 Evolution process of central ignition reaction of PBX explosive under the constraint of 6.5mm steel ring

2.2 約束條件對反應烈度的影響

為了定性分析PBX炸藥片中心點火后的反應烈度，本研究對拍攝得到的反應演化圖像進行處理，提取能夠反映反應烈度的特征量?；贛ATLAB進行圖像處理，得到非黑即白的二值化圖像。假定該圖像中白色區(qū)域代表高光區(qū)域，表示該區(qū)域正在發(fā)生燃燒反應或存在爆炸、燃燒火焰；而黑色區(qū)域則表示該區(qū)域當前時刻未發(fā)生反應或不存在爆炸、燃燒火焰。選定將二值化圖像中白色像素點的個數(shù)作為表征反應烈度的特征量。考慮初始未點火時圖像背景可能存在部分高光區(qū)域，對該特征量進行零初始化，并將不同時刻的白色像素點個數(shù)除以總像素點個數(shù)，進而將該特征量進行無量綱化。對各個時刻的反應演化圖像重復上述過程，得到能夠定性表征反應烈度演化的特征量曲線如圖10所示。

圖10 不同約束下的反應演化特征量曲線及相應反應階段Fig.10 The characteristic curves and associated reaction stages of the reaction under different constraints

由圖10可以看出，弱約束條件作用下的反應烈度最低，反應火光相較于中、強約束條件下則明顯暗淡，僅在各裂紋和約束界面上發(fā)出明顯火光；最終炸藥的基體破碎為相對較為完整的十幾塊；反應升級過程經(jīng)歷了3次明顯的反應增長-降低-增長，從反應傳播階段的主裂紋貫通到第一次反應烈度高峰共計歷時約215μs，到第4次反應烈度高峰則共計歷時約685μs。中等約束條件作用下的反應烈度則明顯高于弱約束情況，尤其是約束界面被點燃后發(fā)出強烈的火光；炸藥基體破碎為許多小碎塊；且不同于弱約束條件下圓環(huán)解體時部分炸藥碎片被拋擲，中等約束條件下的圓環(huán)始終保持完整，這表明最終反應熄滅時缺失的部分炸藥可能是在數(shù)十微秒內(nèi)被快速消耗；反應升級過程從反應傳播階段的主裂紋貫通到反應烈度高峰則共計歷時約70μs。強約束條件作用下的反應烈度最高，約束界面被點燃后發(fā)出劇烈的火光，并瞬間布滿整個視場；鋼化玻璃窗口完全破碎；從反應傳播階段的主裂紋貫通到反應烈度高峰僅歷時約40μs。

2.3 約束條件對反應演化影響的機制分析

本研究將炸藥中心點火后的反應演化過程分為如下4個階段，并基于該4個階段對約束強度影響反應演化過程的機制進行分析。反應烈度演化的特征量曲線按該4個階段進行劃分，如圖10所示。

(1)階段一：裂紋擴展及燃燒火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

以炸藥片中心出現(xiàn)明顯可見的亮光為初始點火時刻，經(jīng)過一段時間的累積后，點火區(qū)域反應明顯增長，初步形成以點火區(qū)域為中心數(shù)條向外發(fā)散的放射狀主裂紋。如圖10所示，強約束條件下的點火過程持續(xù)時間更久；隨著約束強度減弱，反應演化更快地進入階段一。這是由于約束條件改變導致中心點火處生成初始裂紋需要的壓力也相應改變，裂紋在弱約束條件下更容易生成。

放射狀主裂紋出現(xiàn)后，燃燒火焰沿著裂紋內(nèi)部傳播并驅(qū)動該主裂紋向前擴展。不同約束條件下的燃燒火焰尖端在徑向方向傳播的位移時間曲線如圖11所示。其中，弱約束條件下的火焰尖端傳播速度最快；隨著約束強度的增加，燃燒火焰尖端的傳播速度逐漸變慢。分析火焰尖端傳播速度隨約束強度增強而減慢的原因，可能是由裂紋傳播和火焰?zhèn)鞑ナ芟迌煞矫鎸е碌摹?/p>

圖11 不同約束下的燃燒火焰尖端傳播位移時間曲線Fig.11 Displacement-time curves for flame tips under different constraints

對于裂紋傳播過程，根據(jù)斷裂力學理論可知放射狀裂紋為二維張開型(I型)裂紋，其裂紋擴展的驅(qū)動力主要為垂直于裂紋面內(nèi)由高壓氣體產(chǎn)生的拉應力。當裂紋尖端拉應力對應的應力強度因子大于炸藥材料的止裂韌度時，裂紋發(fā)生擴展；而應力強度因子小于止裂韌度時，裂紋擴展停滯。隨著約束強度的增強，反應演化過程中的炸藥片在徑向方向的變形被約束，炸藥片內(nèi)部在周向方向受到更強的壓應力。在裂紋尖端處，強約束導致的壓應力部分抵消了裂紋尖端拉應力，使得應力強度因子減小，相應的裂紋更難以擴展。

對于火焰?zhèn)鞑ミ^程，強約束條件也限制了裂紋內(nèi)部燃燒火焰的快速傳播。由于強約束導致的高周向壓應力限制了裂紋的開度，而狹窄縫隙內(nèi)壁面的摩擦效應和黏性約束效應更加明顯，狹窄裂紋內(nèi)部氣體流動受限，導致火焰?zhèn)鞑ズ腿紵磻獋鞑ニ俣冉档汀＿@種現(xiàn)象與炸藥縫隙燃燒演化實驗[3,6]觀測結(jié)果相一致，該實驗表明：隨著裂縫寬度的增加，縫隙內(nèi)對流燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣群头磻嚸嫠俣染饾u增加。

由上述分析可知，強約束下的縫隙開度較小，且縫隙上下端面受到更大的周向壓應力作用，縫隙內(nèi)氣體流動受限，這些都導致強約束下狹窄縫隙內(nèi)的氣體壓力高于弱約束下縫隙內(nèi)的氣壓；而更高的氣體壓力和溫度使得縫隙壁面燃燒反應速度迅速增加，相應反應演化速度更快、反應烈度更高。

此外，反應傳播驅(qū)動放射狀主裂紋迅速穿透炸藥基體，導致基體細觀結(jié)構(gòu)差異性對裂紋傳播過程的影響較小。中等約束實驗回收得到的部分藥片碎塊如圖12(a)所示，紅色箭頭所示為主裂紋面，可以觀察到主裂紋面穿透了由許多晶體小顆粒和較少包覆黏結(jié)劑構(gòu)成的大顆粒。如1.1節(jié)所述，不同藥片細觀結(jié)構(gòu)的差異主要源于大顆粒的粒徑和形狀具有一定隨機性，而快速穿透基體的裂紋并非沿大顆粒之間的界面?zhèn)鞑?，其傳播路徑上發(fā)生大量的穿晶斷裂，如圖12(b)所示。因此，本研究認為各藥片細觀結(jié)構(gòu)差異對實驗結(jié)果的影響可忽略不計。

圖12 回收藥片試樣形貌Fig.12 Morphology of recovered sample

(2)階段二：火焰達到約束界面并沿界面?zhèn)鞑ァ?/p>

隨著放射狀裂紋內(nèi)的火焰尖端傳播到達約束界面后，縫隙內(nèi)的高壓氣體直接作用在約束圓環(huán)上。弱約束條件下，約束圓環(huán)更容易發(fā)生變形，導致圓環(huán)與炸藥片之間產(chǎn)生間隙。燃燒火焰進入該界面，幾乎整個圓環(huán)-炸藥片接觸間隙均發(fā)生對流燃燒。而隨著約束強度的增加，圓環(huán)抵抗變形的能力增強。中等約束條件下，較小的圓環(huán)局部變形導致火焰進入界面的面積顯著小于弱約束條件下的情況。

對比弱、中等約束條件下的反應演化過程，弱約束條件下的大面積界面反應傳播雖然有助于增加反應面積，但是整體的反應烈度明顯低于中等約束條件，相應的反應演化速度也較慢，如圖10所示。分析其原因，接觸界面的氣體流動一定程度上可以視為是對炸藥主裂紋內(nèi)氣體進行泄壓；而燃燒反應類似于熱分解，具有自加速的特征，且燃燒速度強烈地依賴于氣體壓力；因此，氣體流入接觸間隙將導致主裂紋內(nèi)的增壓速度降低、反應演化速度變慢。強約束條件下幾乎不發(fā)生界面火焰?zhèn)鞑?，反應演化速度則極快，當火焰尖端接觸到圓環(huán)接觸界面后，該處的反應烈度迅速增大，反應演化過程直接到達階段三。

(3)階段三：基體破碎、燃燒反應面積和反應烈度迅速增大。

隨著主裂紋、約束接觸界面內(nèi)的反應演化和壓力迅速增長，炸藥基體進一步發(fā)生斷裂和破碎。弱約束作用下，主裂紋、約束接觸界面內(nèi)氣體壓力差距不大，炸藥基體內(nèi)應力梯度較低，炸藥基體主要以宏觀裂紋傳播和貫通的方式破碎為較為完整的幾大塊。強約束作用下，接觸間隙內(nèi)的對流燃燒被限制，局部區(qū)域反應達到更高的壓力，在該高壓力的作用下炸藥基體破碎為細小碎塊，反應面積迅速增大導致反應烈度急劇增高。

(4)階段四：燃燒火焰熄滅。

在高壓下約束圓環(huán)變形、斷裂或鋼化玻璃解體導致泄壓；燃燒火焰熄滅。

3 結(jié) 論

(1) 點火后的反應演化過程可以分為4個階段：裂紋擴展及燃燒火焰?zhèn)鞑ィ换鹧孢_到約束界面并沿界面?zhèn)鞑?；基體破碎、燃燒反應面積和反應烈度迅速增大；約束解體，火焰逐漸熄滅。

(2) 在裂紋擴展及燃燒火焰?zhèn)鞑ルA段，圓環(huán)約束作用主要通過影響炸藥內(nèi)部應力狀態(tài)進而影響裂紋擴展和燃燒反應傳播的速度。弱約束強度作用下的對流燃燒驅(qū)動火焰尖端傳播速度明顯快于強約束中火焰尖端的傳播速度。

(3) 在火焰達到約束界面并沿界面?zhèn)鞑ルA段，約束圓環(huán)變形進而引導燃燒火焰反應進入圓環(huán)與炸藥的界面。弱約束下，大面積界面被點燃，但相應的反應升級速度較慢、烈度較低；強約束下，圓環(huán)抵抗變形能力更強，界面氣體流動減小，炸藥主裂紋內(nèi)的反應烈度升級速度更快。

(4) 炸藥基體斷裂和破碎是導致反應烈度進一步升級的關(guān)鍵機制。強約束下，主裂紋端部迅速增壓導致的基體局部破碎進一步加劇了反應烈度的升高。