杜 斌，姚洪志，趙鳳起，趙 團(tuán)，楊 帆

(1.西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710062；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安 710061；3.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引言

射頻電磁場(chǎng)(頻率100KHz～300GHz的電磁場(chǎng))識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種利用電磁場(chǎng)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行識(shí)別的新型生產(chǎn)管理技術(shù)。其原理是通過發(fā)射源向目標(biāo)物體發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波通過鑲嵌在目標(biāo)物體表面或內(nèi)部的電子標(biāo)簽做出響應(yīng)，從而將目標(biāo)物體的信息方便、快捷地記錄下來(lái)。RFID技術(shù)已經(jīng)在許多生產(chǎn)領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。若能在炸藥的生產(chǎn)、貯存、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)推廣使用RFID技術(shù)，將會(huì)大大提高對(duì)炸藥的管理效率和管理能力。

在民用炸藥領(lǐng)域中，已有團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出使用射頻電磁技術(shù)監(jiān)管炸藥的監(jiān)控系統(tǒng)，然而該技術(shù)遇到了瓶頸：使用射頻電磁場(chǎng)可能會(huì)引發(fā)炸藥的爆炸事故或者改變炸藥的使用性能，從而使得該技術(shù)難以得到推廣。在軍事領(lǐng)域中，隨著雷達(dá)、電磁彈、電磁脈沖武器、激光武器的飛速發(fā)展，各類武器彈藥面臨復(fù)雜電磁環(huán)境和電子攻擊的危險(xiǎn)，以及高功率電磁波、激光等定向能武器的非對(duì)稱打擊風(fēng)險(xiǎn)。已有機(jī)構(gòu)提出了“安全彈藥”的概念[1],并將電磁能量作為一種意外刺激明確列出[2]。因此，研究炸藥在射頻電磁場(chǎng)作用下的安全性具有重要的民用價(jià)值和軍事意義。

在現(xiàn)有的炸藥感度理論中，常見的炸藥感度包括熱感度、火焰感度、撞擊感度、針刺感度、摩擦感度、慣性力感度、沖擊波感度、靜電感度等。只要有足夠的場(chǎng)強(qiáng)和能量，射頻電磁場(chǎng)也可引發(fā)炸藥爆炸[3]，引起炸藥爆炸的最小射頻電磁能量可定義為炸藥的射頻敏感度。炸藥的感度理論目前缺乏射頻感度的內(nèi)容，盡管炸藥的射頻敏感度可能很高，但感度理論應(yīng)該包括射頻敏感度方面的內(nèi)容。本研究綜述了射頻技術(shù)在監(jiān)控火炸藥中的應(yīng)用情況，定義了射頻電磁敏感度，分析了射頻電磁場(chǎng)中炸藥產(chǎn)生熱點(diǎn)的可能性。

1 射頻技術(shù)在監(jiān)控火炸藥中的應(yīng)用

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，使用射頻技術(shù)監(jiān)控火炸藥的設(shè)想始于21世紀(jì)初[4-5]，該設(shè)想引起了各方研究人員的重視[6-7]。張蕊等[8]設(shè)計(jì)開發(fā)了一套炸藥信息識(shí)別系統(tǒng)，其工作原理為：通過射頻識(shí)別閱讀器發(fā)射電磁能量，附著在炸藥包裝材料上的耦合元件做出應(yīng)答和數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)炸藥的智能監(jiān)控，如圖1所示。

圖1 炸藥信息識(shí)別系統(tǒng)工作原理圖

該系統(tǒng)與庫(kù)房監(jiān)控系統(tǒng)、運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)融合可形成智能監(jiān)控平臺(tái)，如圖2所示。

圖2 炸藥智能倉(cāng)儲(chǔ)及運(yùn)輸管理系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)開發(fā)成功后遇到了推廣應(yīng)用的困難，主要是因?yàn)檎ㄋ幵谑艿诫姶泡椛浜笃洳糠中阅馨l(fā)生了改變，從而使得監(jiān)管層在推廣該技術(shù)時(shí)非常謹(jǐn)慎。

2 射頻電磁場(chǎng)對(duì)炸藥能量的影響

在射頻電磁場(chǎng)作用于炸藥時(shí)，炸藥可從空間吸收一定的電磁能量。寬帶電磁感應(yīng)傳感器(WEMI)揭示了炸藥分子與射頻電磁的相互作用[9]。在一定的照射強(qiáng)度和作用時(shí)間下，電磁能量可在炸藥內(nèi)部積累，并轉(zhuǎn)化成熱能[10]。炸藥反應(yīng)進(jìn)程和反應(yīng)行為方式[11]隨著電磁能量的注入[12]會(huì)發(fā)生變化。炸藥被射頻電磁能量加熱是不均勻的過程[13]，從而在其內(nèi)部形成一定的溫度梯度[14]，如圖3所示。

圖3 輻照時(shí)炸藥絕對(duì)溫度變化圖

CRANE C A等[15]發(fā)現(xiàn)把鋁粉、石墨及Fe2O3加入炸藥中可以將炸藥吸收電磁場(chǎng)能量的吸收效率提高10%。利用碳基聚合物能夠改變TNT炸藥的感度[16]。FORBES T P等[17]使用電流聚焦分析儀(Desorption electro-flow focusing ionization，DEFFI)可以獲得RDX受射頻照射時(shí)的信號(hào)輸出強(qiáng)度。THOMAS P F等[18]發(fā)現(xiàn)當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為100～1500V/m時(shí)對(duì)RDX炸藥感度產(chǎn)生較大影響。ALVEY B等[19]發(fā)現(xiàn)寬頻帶電磁波可對(duì)炸藥產(chǎn)生一定的危害，且寬頻帶電磁波具有傅里葉特征[20]；Rodzevich A P與Gazenaur E G[21]研究了不同的電磁場(chǎng)發(fā)射方法對(duì)炸藥敏感度的影響； Sardar R與Liyanage T[22]研究了一種基于電磁波理論的高靈敏傳感器，該傳感器可以十分靈敏地探測(cè)到非常微量的炸藥；Sigman J B與Barrowes B E[23]研究了一種高頻電磁感應(yīng)耦合線圈，該線圈可以用來(lái)探測(cè)炸藥；Nassim B 和 Zhang Q[24]用麥克斯韋方程組計(jì)算了混合炸藥(RDX/IPN/Al)在電磁環(huán)境下的熱感度，計(jì)算表明，電磁場(chǎng)可以影響該混合炸藥的熱感度。

總之，從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，有足夠的證據(jù)表明炸藥可從射頻電磁場(chǎng)中吸收能量。能量在炸藥內(nèi)部并不是均勻分布，而是形成了熱梯度，如圖4所示。

圖4 HMX-air殼體吸收電磁波后的溫度(HMX直徑為5mm)

3 炸藥的射頻電磁場(chǎng)敏感度

嚴(yán)格上說，炸藥的射頻電磁場(chǎng)敏感度還沒有被國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)定義。為研究方便，特提出此概念。炸藥的射頻電磁場(chǎng)敏感度是指炸藥在受到射頻電磁場(chǎng)輻射時(shí)，其熱力學(xué)性能、起爆性能、安全性能等發(fā)生改變的難易程度，即炸藥性能對(duì)射頻電磁場(chǎng)的敏感程度。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始了射頻電磁場(chǎng)對(duì)炸藥性能影響的研究工作。國(guó)內(nèi)學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)手段對(duì)乳化炸藥、RDX、含鋁粉RDX(DHL)在射頻電磁場(chǎng)中的分子形貌、紅外光譜、熱力學(xué)參數(shù)、感度變化等進(jìn)行了研究。

杜斌等[25]使用頻率為915MHz、場(chǎng)強(qiáng)為200V/m的電磁場(chǎng)對(duì)乳化炸藥進(jìn)行連續(xù)照射(如圖5所示)10min至3h后，發(fā)現(xiàn)乳化炸藥的安全性未發(fā)生明顯改變(見表1)，但分子形貌發(fā)生改變, 如圖6所示。

圖5 射頻輻照系統(tǒng)

表1 915MHz電磁場(chǎng)對(duì)乳化炸藥輻照試驗(yàn)

圖6 乳化炸藥掃描電鏡圖片(915MHz, 1∶10000)

通過對(duì)乳化炸藥原樣及經(jīng)射頻電磁場(chǎng)照射后的樣品進(jìn)行紅外光譜分析，兩種樣品紅外光譜出峰位置并無(wú)明顯差異，但出現(xiàn)強(qiáng)度上的差異，如圖7所示。

圖7 乳化炸藥經(jīng)射頻電磁場(chǎng)照射后紅外光譜分析

文獻(xiàn)[25]還采用DSC法對(duì)乳化炸藥的相容性進(jìn)行對(duì)比分析，如圖8所示。對(duì)比分析兩個(gè)乳化炸藥樣本，兩種樣本的峰形及出峰位置存在差異，且經(jīng)輻照后的乳化炸藥樣本存在明顯放熱峰，這說明經(jīng)射頻電磁場(chǎng)照射后其熱性能產(chǎn)生了一定的變化。

圖8 乳化炸藥經(jīng)射頻電磁場(chǎng)照射后的DSC譜線

金建峰等[26]在 833MHz-200V/m、5565MHz-200V/m、13482MHz-200V/m 3種條件下，對(duì) DHL 炸藥進(jìn)行電磁輻射照射，照射時(shí)間 3h。然后采用隧道掃描電鏡觀察DHL炸藥外觀變化，采用 DSC 分析其成分變化，并測(cè)試了其機(jī)械感度，結(jié)果見表2。表2表明: DHL炸藥經(jīng)歷不同電磁輻射后, O元素含量、撞擊感度、熱力學(xué)參數(shù)存在規(guī)律性變化。從表2可以看出，經(jīng)過3h射頻照射后，乳化DHL炸藥C、N、O、Al 的含量發(fā)生了變化，其中O元素含量下降，下降幅度約為2%～4%；熱分解峰溫下降約2～3℃，峰值溫度差的下降說明DHL炸藥的熱力學(xué)參數(shù)發(fā)生了改變；DHL炸藥的撞擊感度發(fā)生明顯降低，并且照射的頻率越高，撞擊感度下降幅度越大。

表2 DHL 原樣和經(jīng)歷3種電磁輻射照射后炸藥性能變化

陳誠(chéng)等[27]使用13.56MHz和925MHz電磁場(chǎng)對(duì)RDX分別進(jìn)行連續(xù)照射,發(fā)現(xiàn)射頻電磁場(chǎng)對(duì)RDX影響較小。

以上研究表明，炸藥在受到電磁場(chǎng)輻射后，其分子形貌、熱性能、撞擊感度、熱力學(xué)參數(shù)等性能會(huì)發(fā)生改變，即炸藥存在電磁敏感度；不同炸藥的電磁敏感度不同，且炸藥的電磁敏感度與炸藥的分子結(jié)構(gòu)、組成成分、輻照頻率等因素有關(guān)。

在理論方面，馮睿智等[28-29]借助分子動(dòng)力學(xué)理論研究了HMX/FOX-7及HMX/NQ共晶炸藥晶體表面成鍵能和力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果表明共晶復(fù)合物的形成使HMX引發(fā)鍵N—NO2增強(qiáng),感度降低，正方向外電場(chǎng)增大了晶面成鍵能和N—NO2鍵離解能,降低了HMX的撞擊感度；任福德等[30]借助分子動(dòng)力學(xué)方法研究了不同分子比例的β-HMX/FOX-7、β-HMX/NQ和CL-20/FOX-7部分晶面的成鍵能和力學(xué)性質(zhì)；借助B3LYP/6-311++G(2d,p)和M06-2X/6-311++G(2d,p)理論方法發(fā)現(xiàn)在外電場(chǎng)作用下,1,4-二硝基咪唑-N-氧化物(1,4-DNIO)炸藥的N─NO2是最可能的引發(fā)鍵,其次是N→O,最后是C─NO2鍵，如圖9所示[27]。沿N→O、C─NO2鍵軸正方向和N─NO2負(fù)方向的外電場(chǎng)使N→O和C─NO2鍵離解能減小、N─NO2鍵離解能增大、撞擊感度降低[31]，見表3。

圖9 1，4 DNIO的引發(fā)健、離解能等在外電場(chǎng)作用下的變化

表3 復(fù)合物中HMX在不同電場(chǎng)強(qiáng)度的撞擊感度

韓剛等[32]采用量子力學(xué)方法對(duì)奧克托今(HMX)分別施加不同大小的外電場(chǎng)(-0.010～0.010a.u.),得到不同外電場(chǎng)下的穩(wěn)定構(gòu)型(如圖10所示)。隨著正向外電場(chǎng)的增強(qiáng),HMX的引發(fā)鍵鍵長(zhǎng)變短,解離能增加,感度降低；劉媛媛等[33]運(yùn)用密度泛函理論方法,對(duì)三硝基芳香族炸藥分子的活化能、表面靜電勢(shì)等計(jì)算后發(fā)現(xiàn)、撞擊感度與活化能、表面靜電勢(shì)及外電場(chǎng)能量之間存在很好的相關(guān)關(guān)系。唐翠明等[34]采用DFT-B3LYP方法研究發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)會(huì)對(duì)硝銨類炸藥的分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響；智春燕等[35]研究表明炸藥的電火花感度會(huì)隨分子能隙的減小而增大。

圖10 HMX在不同外電場(chǎng)下的靜電云圖

以上理論研究表明，利用低頻率、低場(chǎng)強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)部分工業(yè)炸藥進(jìn)行輻照時(shí)，炸藥分子引發(fā)健、離解能、活化能等會(huì)發(fā)生變化。這是炸藥在電磁場(chǎng)作用下其撞擊感度、沖擊波感度、靜電火花感度等發(fā)生變化的原因。

4 炸藥在射頻電磁場(chǎng)中形成熱點(diǎn)的可能性

熱點(diǎn)學(xué)說認(rèn)為，在機(jī)械作用下，產(chǎn)生的熱來(lái)不及均勻分布到整個(gè)炸藥，而是集中在個(gè)別的小點(diǎn)處(稱之為熱點(diǎn))，當(dāng)熱點(diǎn)溫度高于爆發(fā)點(diǎn)時(shí)，炸藥開始燃燒，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為爆燃和爆轟?，F(xiàn)有的熱點(diǎn)理論主要將炸藥熱點(diǎn)的形成歸因于氣泡、空穴、間隙、雜質(zhì)及密度間斷等，并借助多種數(shù)學(xué)方法建立了氣泡絕熱壓縮模型、空隙沖擊塌陷模型、剪切摩擦模型、裂紋尖端加熱模型、晶體位錯(cuò)堆積雪崩模型、積累損傷模型、激光吸收模型等。這些模型主要用來(lái)解釋撞擊、沖擊波、火焰、激光等外界能量激發(fā)與熱點(diǎn)形成之間的關(guān)系。

在以上熱點(diǎn)理論研究中，生成熱點(diǎn)的能量一般來(lái)源于摩擦、撞擊產(chǎn)生的熱量等，而對(duì)于從電磁場(chǎng)吸收能量生成熱點(diǎn)的情況研究較少。應(yīng)用時(shí)域有限差分法可對(duì)射頻電磁場(chǎng)入射到炸藥形成的熱點(diǎn)進(jìn)行模擬[36]；根據(jù)電磁場(chǎng)理論，對(duì)電磁場(chǎng)作用于炸藥的能量分布進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)電磁能量的空間分布并不均勻，而是在個(gè)別位置形成小點(diǎn)[37-38]。小點(diǎn)處的溫度明顯高于周圍炸藥，如圖11所示。

圖11 炸藥在射頻電磁場(chǎng)作用下能量分布圖

當(dāng)該小點(diǎn)處的溫度積累能夠達(dá)到炸藥的爆發(fā)點(diǎn)時(shí)，爆炸就會(huì)開始。這揭示了電磁場(chǎng)能量在炸藥內(nèi)部激發(fā)熱點(diǎn)的可能性。

5 結(jié)束語(yǔ)

射頻電磁場(chǎng)具有一定的穿透性，且能量的空間分布具有不均勻性，在一定場(chǎng)強(qiáng)和電磁能量持續(xù)作用下，可在炸藥表面或者內(nèi)部形成熱點(diǎn)。僅用熱起爆理論描述炸藥在強(qiáng)電磁場(chǎng)中的爆炸行為是不夠精確的,用熱點(diǎn)理論更為合適。現(xiàn)有的熱點(diǎn)理論中關(guān)于強(qiáng)電磁場(chǎng)作用于炸藥的熱點(diǎn)生成機(jī)理等內(nèi)容還有待補(bǔ)充。

國(guó)外已有學(xué)者通過數(shù)值模擬的方法研究射頻電磁場(chǎng)作用下炸藥的熱點(diǎn)生成過程。國(guó)內(nèi)研究限于低頻率低場(chǎng)強(qiáng)情況，未對(duì)高頻率和強(qiáng)場(chǎng)強(qiáng)情況進(jìn)行研究，且未對(duì)炸藥分子的諧振頻率進(jìn)行研究；同時(shí)，炸藥在射頻電磁場(chǎng)中的安全性研究以試驗(yàn)研究為主，沒有進(jìn)行深入的理論分析。總體而言，射頻電磁場(chǎng)作用于炸藥研究仍處于起步階段。建議未來(lái)炸藥在射頻電磁場(chǎng)中的安全性研究方向?yàn)椋?/p>

(1)研究炸藥分子在射頻電磁場(chǎng)作用下的熱力學(xué)行為，建立熱力學(xué)行為與化學(xué)反應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)，建立電磁場(chǎng)作用于炸藥的能量耦合模型，以理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證為研究方法探明炸藥分子對(duì)電磁場(chǎng)能量的響應(yīng)。

(2)研究炸藥在射頻電磁場(chǎng)作用下的射頻電磁敏感度。開發(fā)炸藥電磁敏感度測(cè)試系統(tǒng)，選擇RDX、HMX、乳化炸藥、含金屬粉末炸藥等典型炸藥作為測(cè)試炸藥，獲得不同場(chǎng)強(qiáng)、不同頻率下典型炸藥的射頻敏感度。

(3)進(jìn)行射頻電磁場(chǎng)作用下炸藥熱點(diǎn)生成機(jī)理研究，探索強(qiáng)電磁場(chǎng)作用下炸藥熱點(diǎn)的生成方式及生成機(jī)理。