白志鑫,蔣城露,劉福生,劉其軍

(1.西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610031;2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電學(xué)院,四川 雅安 625014)

引 言

凝聚炸藥相比于氣體炸藥,具有密度大、爆速高、爆轟壓力大、能量密度高以及在形態(tài)上便于存儲(chǔ)、運(yùn)輸、成型加工和使用等特點(diǎn)[1],因此,在軍事和民用上均得到了廣泛關(guān)注。根據(jù)凝聚炸藥的物理性質(zhì),可將炸藥分為均相凝聚炸藥和非均相凝聚炸藥。均相凝聚炸藥是指炸藥內(nèi)部各處均勻且物理性質(zhì)相同的炸藥,例如,硝基甲烷、硝化甘油液體、泰安單晶等[1]。關(guān)于均相凝聚炸藥的沖擊起爆,多數(shù)學(xué)者認(rèn)為在沖擊波進(jìn)入炸藥后,波陣面后面的炸藥首先受沖擊整體加熱,然后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[2]。非均相凝聚炸藥是指炸藥內(nèi)部產(chǎn)生了密度的不連續(xù)(如氣泡、孔洞、雜質(zhì)、裂紋、間隙等),從而引起了炸藥物理結(jié)構(gòu)的不均勻和物理性質(zhì)的不一致。由于非均相凝聚炸藥的普遍性,人們對(duì)其起爆機(jī)理進(jìn)行了大量而深入的研究。最早是由Berthelot[3]提出的“熱學(xué)說(shuō)”,即機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,使整個(gè)炸藥的溫度升高到爆發(fā)點(diǎn),繼而發(fā)生爆炸。但是,Taylor和Weale[4-5]隨后發(fā)現(xiàn),即使炸藥把機(jī)械能轉(zhuǎn)化的熱能全部吸收,炸藥所能達(dá)到的溫升也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于整個(gè)炸藥起爆的臨界溫度。后來(lái)有學(xué)者提出了“摩擦化學(xué)假說(shuō)”[1],但這種假設(shè)理論的局限性太大,并不被人們所接受。到了20世紀(jì)50年代,Bowden等[6]在研究摩擦學(xué)的基礎(chǔ)上提出了目前較為公認(rèn)的非均相凝聚炸藥起爆機(jī)理,即“熱點(diǎn)學(xué)說(shuō)”。該學(xué)說(shuō)能夠較好地解釋炸藥在機(jī)械能作用下發(fā)生爆炸的原因。隨后,Campbell等[7]通過(guò)沖擊加載含氣泡的含能材料,首次在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了“熱點(diǎn)”的存在。熱點(diǎn)學(xué)說(shuō)認(rèn)為,在機(jī)械作用下產(chǎn)生的熱來(lái)不及均勻地分布在全部炸藥上,而是集中分布在炸藥的密度不連續(xù)點(diǎn)處,例如氣泡、孔洞、雜質(zhì)、裂紋等。當(dāng)這些點(diǎn)的溫度高于炸藥熱爆炸臨界溫度時(shí),炸藥就會(huì)從這些“點(diǎn)”處開(kāi)始爆炸,這些溫度很高的“點(diǎn)”被稱為熱點(diǎn)[8]。綜上所述,非均相凝聚炸藥的爆炸首先從熱點(diǎn)處開(kāi)始,然后擴(kuò)展到整個(gè)炸藥區(qū)域。

在實(shí)際應(yīng)用中,大量的含能材料都存在熱點(diǎn)現(xiàn)象,如固體炸藥、液體炸藥、黏結(jié)劑炸藥、帶殼炸藥、固體推進(jìn)劑、低熔點(diǎn)的熔鑄炸藥等。這些含能材料從開(kāi)始制備到最后應(yīng)用,在各個(gè)環(huán)節(jié)、任意時(shí)刻都有可能受到意外撞擊或者周?chē)h(huán)境變化等的影響而發(fā)生意外爆炸事故,因此對(duì)含能材料安全性的研究就顯得尤為重要。眾所周知,感度是衡量含能材料安全性的重要指標(biāo)之一,且大量與感度相關(guān)的工作被報(bào)道。但是,僅僅關(guān)注含能材料的感度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,為了預(yù)防含能材料發(fā)生意外爆炸事故,就必須從其起爆的內(nèi)在物理機(jī)制入手,來(lái)研究如下問(wèn)題:(1)含能材料的起爆因素;(2)含能材料起爆的臨界條件;(3)起爆原因,即能否建立一個(gè)可靠的模型來(lái)詮釋含能材料的起爆過(guò)程。以上研究有利于為含能材料全壽命周期過(guò)程提供非常重要的指導(dǎo),也有利于為含能材料的設(shè)計(jì)及性能評(píng)估提供可靠的支持。

研究含能材料起爆的因素、條件及原因,對(duì)熱點(diǎn)問(wèn)題的研究就顯得尤其重要。目前,關(guān)于含能材料“熱點(diǎn)”的研究主要分為實(shí)驗(yàn)研究、理論研究和數(shù)值模擬研究。由于含能材料的起爆過(guò)程是一個(gè)高速、高溫、高壓的過(guò)程,且其內(nèi)產(chǎn)生的熱點(diǎn)尺寸通常在微米級(jí)別內(nèi),因此國(guó)內(nèi)外關(guān)于“熱點(diǎn)”產(chǎn)生過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究較少;再加上含能材料起爆實(shí)驗(yàn)的高成本和危險(xiǎn)性,國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量有關(guān)含能材料 “熱點(diǎn)”的理論研究和數(shù)值模擬研究工作,如以離散元為代表的粒子類方法[9-13]、以有限元為代表的基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的傳統(tǒng)數(shù)值模擬[14-15]、以第一性原理為基礎(chǔ)的分子動(dòng)力學(xué)模擬[16]和經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬等[17]。

本文主要對(duì)含能材料的“熱點(diǎn)”點(diǎn)火研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述,介紹了影響含能材料熱點(diǎn)點(diǎn)火的因素,關(guān)于熱點(diǎn)點(diǎn)火臨界條件的相關(guān)研究,關(guān)于含能材料熱點(diǎn)點(diǎn)火的微觀機(jī)制以及相關(guān)物理模型,并對(duì)含能材料的熱點(diǎn)研究進(jìn)行了總結(jié)和展望,以期為含能材料的安全性研究提供參考。

1 影響含能材料熱點(diǎn)點(diǎn)火的因素

影響非均相含能材料熱點(diǎn)點(diǎn)火的因素是眾多且非常復(fù)雜的。多年來(lái),關(guān)于影響熱點(diǎn)點(diǎn)火階段的因素被大量報(bào)道,主要分為內(nèi)部影響因素和外部影響因素,即其不僅與材料本身的物理化學(xué)特性和缺陷類型有關(guān),也與材料所處的裝藥條件以及添加劑有關(guān),具體的影響因素如圖1所示。

1.1 內(nèi)部影響因素

含能材料的溫度在機(jī)械作用下會(huì)逐漸升高,當(dāng)溫度達(dá)到一定值時(shí),含能材料顆粒會(huì)熔化發(fā)生熱力學(xué)一級(jí)相變,吸收熱量。因此,炸藥的熔點(diǎn)與其點(diǎn)火有很大的關(guān)系。張?zhí)┤A等[18]基于動(dòng)力有限元方法,探究了RDX和TNT炸藥的熱點(diǎn)形成機(jī)理,發(fā)現(xiàn)孔洞邊界熔化后會(huì)減緩炸藥表面升溫速率,即低熔點(diǎn)的炸藥會(huì)降低炸藥的點(diǎn)火。當(dāng)炸藥中有微裂紋或者有類似裂紋的缺陷時(shí),其在機(jī)械作用下,會(huì)發(fā)生裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展現(xiàn)象。斷裂韌性用來(lái)表征材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的能力,顯然,這一特性對(duì)炸藥的點(diǎn)火有很大的影響。成麗蓉等[19]發(fā)現(xiàn)炸藥自身的斷裂韌性越低,裂紋越容易擴(kuò)展,裂紋面局部溫升越高,炸藥越容易點(diǎn)火。由于物體具有黏度這一物理特性,其在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)受到阻力,進(jìn)而造成機(jī)械損耗。呂春玲等[20]基于兩相黏彈點(diǎn)火模型[21]發(fā)現(xiàn),固體炸藥的黏度越大,其內(nèi)越不容易形成熱點(diǎn)。同時(shí),固體黏度與其顆粒尺寸有很強(qiáng)的相關(guān)性,即顆粒尺寸越大,黏度越小[20]。因此,大尺寸顆粒的固體炸藥更容易發(fā)生點(diǎn)火。大量研究已經(jīng)表明炸藥顆粒度(炸藥顆粒尺寸)對(duì)其熱點(diǎn)的形成有非常重要的影響。劉清等[22]基于HMX材料中外部聲子模式與分子內(nèi)部振動(dòng)模式能量交換的熱力學(xué)模型,探究得到同種炸藥,其顆粒度越細(xì),點(diǎn)火敏感性越低,而轉(zhuǎn)爆轟能力可能越高。溫麗晶等[23]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究得到,精細(xì)炸藥在沖擊作用下更為敏感。段卓平等[24]基于有限元方法,發(fā)現(xiàn)顆粒度越小,炸藥點(diǎn)火越難,但炸藥顆粒中爆轟波的傳播速度更快。同樣地,蔣城露等[25]基于三維離散元方法,探究了奧克托今顆粒在落錘作用下的點(diǎn)火燃燒,發(fā)現(xiàn)小尺寸炸藥顆粒對(duì)落錘的響應(yīng)更快,但是大尺寸炸藥顆粒在落錘作用下的溫升更大,更容易點(diǎn)火。同時(shí),炸藥顆粒的形狀也會(huì)對(duì)炸藥產(chǎn)生影響,研究表明,平頂炸藥顆粒和尖頂炸藥顆粒的點(diǎn)火機(jī)制有明顯差異,分別對(duì)應(yīng)平頂顆粒剪切加熱機(jī)制和尖頂變形加熱點(diǎn)火機(jī)制[25]。吳艷青等[26-27]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),顆粒排列越松散的炸藥其塑性擴(kuò)展時(shí)間越短,越容易形成多個(gè)熱點(diǎn),多個(gè)顆粒的燃燒反應(yīng)比單個(gè)顆粒的燃燒反應(yīng)更劇烈。

熱點(diǎn)理論表明,在炸藥的密度不連續(xù)處會(huì)產(chǎn)生熱點(diǎn)。韓小平等[14]基于有限元方法探究了含孔洞炸藥的黏塑性動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)在孔洞附近區(qū)域有局部的高溫產(chǎn)生。在初始作用階段,孔洞周?chē)ㄋ帟?huì)產(chǎn)生較快的應(yīng)變;隨后,應(yīng)變硬化和應(yīng)變率硬化發(fā)揮主導(dǎo)作用,抑制孔洞周?chē)鷳?yīng)變速率的增加;但是隨著機(jī)械力的持續(xù)作用,孔洞周?chē)钠骄冃稳栽诶^續(xù)增加,孔洞周?chē)ㄋ幹饾u熔化;孔洞周?chē)ㄋ幍娜刍龠M(jìn)了該區(qū)域的進(jìn)一步塑性流動(dòng),產(chǎn)生更高的局部溫度,進(jìn)而產(chǎn)生熱點(diǎn)。因此,當(dāng)材料的應(yīng)變硬化足夠大時(shí),熱軟化作用將難以平衡材料的應(yīng)變阻力,會(huì)對(duì)炸藥中熱點(diǎn)的產(chǎn)生有抑制作用[14]。炸藥的孔隙度表征了炸藥中孔洞、微裂紋和微損傷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。因此,孔隙率對(duì)炸藥中熱點(diǎn)的形成有很重要的影響。覃錦程等[28]發(fā)現(xiàn)孔隙率越低,炸藥中缺陷越少,越難以在其內(nèi)形成熱點(diǎn),因而越難以點(diǎn)火。張?zhí)┤A等[18]認(rèn)為在孔洞半徑相同的情況下,孔隙率越大,胞元厚度越薄,在炸藥胞元內(nèi)部積聚的能量就越多,溫升就越高,越容易形成熱點(diǎn)。成麗蓉等[19]發(fā)現(xiàn)鉆地戰(zhàn)斗部的初始孔隙率越大,侵徹過(guò)程中戰(zhàn)斗部裝藥越不安全。同理,孔洞的尺寸和形狀也是炸藥點(diǎn)火的重要影響因素。一般情況下,大顆粒炸藥的孔洞尺寸較大,小顆粒炸藥的孔洞尺寸較小[18]。初始孔洞尺寸將決定熱點(diǎn)尺寸,即大尺寸孔洞將產(chǎn)生大尺寸的熱點(diǎn),這更有利于炸藥的點(diǎn)火[29]。尚海林等[30]基于三維離散元方法,發(fā)現(xiàn)由于大尺寸的孔洞在塌縮過(guò)程中形成的會(huì)聚流動(dòng)相比小尺寸孔洞形成的會(huì)聚流動(dòng)更劇烈,有更多的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,因此,大尺寸孔洞塌縮后產(chǎn)生的熱點(diǎn)溫度更高。相比之下,小尺寸孔洞塌縮所需要的時(shí)間更短,溫度上升更快,在完全塌縮之前小尺寸孔洞周?chē)钠骄鶞囟雀?。然?大尺寸孔洞在塌縮之后,周?chē)钠骄鶞囟冗h(yuǎn)遠(yuǎn)高于小尺寸孔洞塌縮后炸藥周?chē)钠骄鶞囟?。韓小平等[15]發(fā)現(xiàn)圓柱形孔洞周?chē)鷷?huì)在外力作用下產(chǎn)生更強(qiáng)烈的畸變,剪切應(yīng)變高度集中,孔洞周?chē)鷾厣啾惹蛐慰锥春蜋E球形孔洞周?chē)鷾厣?。球形孔洞周?chē)臏厣饕性诎部锥吹囊粋€(gè)薄層內(nèi),離孔洞較遠(yuǎn)處幾乎沒(méi)有溫升。橢球形孔洞周?chē)臏厣饕性跈E球形孔洞長(zhǎng)軸附近。張?zhí)┤A等[18]也發(fā)現(xiàn)橢球形孔洞的長(zhǎng)軸附近變形較大,溫升更明顯,且橢球形孔洞比球形孔洞更易閉合。尚海林等[30]發(fā)現(xiàn),由于球形孔洞具有一定的聚心作用,其熱點(diǎn)溫度相比立方體孔洞更高。Hatano等[31]等發(fā)現(xiàn)熱點(diǎn)溫度隨孔洞縱向(沿沖擊波的傳播方向)尺寸的增大而增大,熱點(diǎn)溫度會(huì)在孔洞的縱向尺寸和橫向尺寸相同時(shí)達(dá)到最高。孔洞的空間分布也會(huì)對(duì)炸藥點(diǎn)火產(chǎn)生重要影響。周新利等[32]發(fā)現(xiàn),由于膨化硝酸銨內(nèi)部孔洞的分布是無(wú)序且雜亂無(wú)章的,其在外界刺激下熱點(diǎn)的形成也是隨機(jī)的。如果忽略熱點(diǎn)的產(chǎn)生過(guò)程,對(duì)于含有熱點(diǎn)的奧克托今顆粒三維離散元模型,分散的熱點(diǎn)分布將更有利于炸藥的起爆[33]。

1.2 外部影響因素

通常作用在炸藥上的外界刺激主要為力、熱、光和電等。這些外界刺激的強(qiáng)度、速度、持續(xù)時(shí)間等都會(huì)對(duì)炸藥的點(diǎn)火產(chǎn)生重要影響。不同的沖擊波強(qiáng)度作用在炸藥上會(huì)有不同的點(diǎn)火機(jī)制。張?zhí)┤A等[18]發(fā)現(xiàn)當(dāng)沖擊波強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí),材料的力學(xué)行為主要由材料的狀態(tài)方程描述,溫升主要由壓縮耗散功產(chǎn)生。反之,材料的力學(xué)行為主要由本構(gòu)方程描述,溫升主要由黏塑性耗散功產(chǎn)生。覃錦程等[28]認(rèn)為10GPa以上和10GPa以下沖擊波加載的炸藥起爆機(jī)制存在明顯差異,隨著沖擊波強(qiáng)度的增加,炸藥起爆機(jī)制逐漸由熱點(diǎn)“冷起爆”向沖擊波對(duì)炸藥整體加熱的“熱起爆”轉(zhuǎn)化。傅華等[34]基于離散元方法,探究了含孔洞的HMX在不同沖擊作用下的孔洞塌縮和熱點(diǎn)生成過(guò)程,發(fā)現(xiàn)在低沖擊作用下,孔洞周?chē)鷷?huì)發(fā)生較大的剪切變形,黏塑性作功形成熱點(diǎn);而在高沖擊作用下,孔洞塌縮產(chǎn)生射流,匯聚流動(dòng),熱點(diǎn)的形成在炸藥的沖擊下游。呂春玲等[20]發(fā)現(xiàn),沖擊波壓力越大,孔洞塌縮所形成的熱點(diǎn)溫度越高,越容易起爆。HMX炸藥顆粒在落錘作用下的研究也表明,在較高的落錘作用下,炸藥的塑性擴(kuò)展時(shí)間越短,炸藥越容易發(fā)生點(diǎn)火而不易發(fā)生噴射現(xiàn)象;反之,易發(fā)生噴射現(xiàn)象而非點(diǎn)火[35-37]。王新征等[29]探究了鋁熱劑體系在不同沖擊速度下的點(diǎn)火情況,發(fā)現(xiàn)當(dāng)沖擊速度較高時(shí),孔洞會(huì)塌縮形成射流,產(chǎn)生溫度較高的熱點(diǎn);當(dāng)沖擊速度較低時(shí),孔洞無(wú)法塌縮,形成的熱點(diǎn)溫度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于孔洞塌縮后產(chǎn)生的熱點(diǎn)溫度。但是如果沖擊速度在可以使孔洞塌縮的范圍內(nèi),改變沖擊速度對(duì)熱點(diǎn)溫度的影響較小。韓小平等[14]發(fā)現(xiàn)在較高應(yīng)變速率下,由于孔洞塌縮需要的時(shí)間較短,應(yīng)變產(chǎn)生的內(nèi)能只有少量可以傳遞到周?chē)?產(chǎn)生了較大的溫度梯度,熱點(diǎn)更容易形成。張?zhí)┤A等[18]發(fā)現(xiàn),孔洞塌縮過(guò)程中,其表面升溫速率很快,冷卻速率也很快,因此,如果沖擊波持續(xù)時(shí)間很短,孔洞表面溫度也會(huì)很快降下來(lái),并不利于熱點(diǎn)的形成。丁洋等[38]基于有限元方法,探究激光輻照帶殼炸藥的點(diǎn)火過(guò)程,結(jié)果發(fā)現(xiàn),炸藥熱響應(yīng)和金屬-炸藥接觸熱阻對(duì)炸藥溫升影響較大,而對(duì)輻照板溫升幾乎沒(méi)有影響。成麗蓉等[19]開(kāi)展了鉆地戰(zhàn)斗部侵徹單層和多層兩種典型靶板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程,發(fā)現(xiàn)侵徹速度越高,溫升越快,戰(zhàn)斗部尾部裝藥也越容易產(chǎn)生熱點(diǎn)。并且發(fā)現(xiàn)靶材層數(shù)的不同會(huì)造成戰(zhàn)斗部裝藥點(diǎn)火機(jī)制的不同,單層靶主要是裂紋摩擦機(jī)制,而多層靶的主要機(jī)制是孔洞塌縮和裂紋摩擦兩種機(jī)制。

由于炸藥的基本組成中都還有氧化劑和還原劑,其在一定的外界刺激下就可以釋放大量能量并對(duì)工質(zhì)作功。但是,為了滿足一些其他要求,例如使炸藥成型、有更好的力學(xué)性能、燃燒性能、安全性能等,實(shí)際中會(huì)加入一些添加劑,例如黏結(jié)劑、增塑劑、鈍感劑等,當(dāng)炸藥本身為負(fù)氧平衡時(shí),還會(huì)加入氧化劑[39]。顯然,這些添加劑對(duì)炸藥點(diǎn)火的影響至關(guān)重要。陳廣南等[39]基于動(dòng)力有限元分析方法,發(fā)現(xiàn)氧化劑的顆粒越小,其單位質(zhì)量的表面積越大,傳熱性能越好,受熱分解越快。黏合劑在炸藥中的作用是將炸藥中的各個(gè)組分粘結(jié)成具有一定物理、力學(xué)性能的便于裝藥的成型炸藥。傅華等[40]將有限元方法和離散元方法相結(jié)合,發(fā)現(xiàn)炸藥中產(chǎn)生的熱點(diǎn)主要集中在炸藥晶體變形較大的黏結(jié)劑部分,其溫升主要是由黏性摩擦和塑性剪切耗散引起的。并且發(fā)現(xiàn)塑性黏結(jié)劑的溫度高于炸藥晶體,炸藥晶體內(nèi)部的溫度低于炸藥與黏結(jié)劑的邊界溫度。劉超等[41]基于三維離散元方法,發(fā)現(xiàn)由于黏結(jié)劑較軟,能夠起到一定的緩沖作用,在變形過(guò)程中可吸收能量有效降低炸藥顆粒邊界處的溫度和壓力。增塑劑的主要作用包括降低體系黏度、改善炸藥的加工流動(dòng)性、降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,改善火炸藥的力學(xué)性能,提高能量或改善氧平衡以及提高安全性[42]。陳廣南等[26]發(fā)現(xiàn),增塑劑可以使固化反應(yīng)的起始溫度升高,并且降低終止溫度。鈍感劑,顧名思義是對(duì)炸藥降感。沈瑞強(qiáng)等[43]探究了鈍感劑LLM-105對(duì)RDX基澆注炸藥熱安全的影響,發(fā)現(xiàn)在升溫加載下,LLM-105先于RDX吸收熱量,減緩了RDX的外界熱刺激,延后了形成熱源的時(shí)間,進(jìn)而在整體上延滯炸藥點(diǎn)火。并且發(fā)現(xiàn),如果將LLM-105的形狀細(xì)化成無(wú)棱角的小的顆粒形狀,會(huì)抑制熱點(diǎn)的形成,進(jìn)而提高了該澆注炸藥的熱安全性。還發(fā)現(xiàn)LLM-105含量的增加會(huì)導(dǎo)致點(diǎn)火源數(shù)量的減少,且點(diǎn)火時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。陳軍等[44]基于能量禁錮機(jī)制,認(rèn)為添加劑石墨的形狀也會(huì)對(duì)炸藥的點(diǎn)火造成影響,研究發(fā)現(xiàn)層狀和鏈狀的石墨對(duì)PBX炸藥有降感作用。張朝陽(yáng)等[45-46]發(fā)現(xiàn)石墨和石蠟等的添加可以降低HMX炸藥顆粒的感度,因?yàn)檫@些添加劑對(duì)炸藥的表面有潤(rùn)滑作用。實(shí)際使用中會(huì)加入金屬粉末以提高炸藥的燃燒和爆轟性能。李軍等[47]研究了乳化炸藥間斷乳化時(shí)的點(diǎn)火行為,發(fā)現(xiàn)當(dāng)乳化基質(zhì)中混有氣泡或者硫粉和鋁粉時(shí),其臨界點(diǎn)火溫度急劇下降,危險(xiǎn)性會(huì)大大提高。

2 熱點(diǎn)點(diǎn)火的臨界條件

如上所述,含能材料熱點(diǎn)點(diǎn)火的影響因素是眾多且相互制約的,盡可能多地將這些影響因素考慮在內(nèi)建立一個(gè)能夠較好地確定含能材料點(diǎn)火的點(diǎn)火判據(jù)是目前關(guān)于熱點(diǎn)理論的重要課題之一。炸藥在外界能量刺激下起爆過(guò)程的示意圖[48]如圖2所示。

圖2 炸藥在外界能量刺激下起爆過(guò)程的示意圖[48]Fig.2 Schematic diagram of initiation process under external energy stimulation for explosive [48]

首先,在外界能量刺激下,炸藥顆粒之間會(huì)產(chǎn)生摩擦、剪切、擠壓等相互作用,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能,炸藥內(nèi)部的內(nèi)能分布會(huì)因?yàn)椴牧蟽?nèi)部本身的不均勻性而局域化,從而產(chǎn)生“熱點(diǎn)”;然后,炸藥內(nèi)部的溫升會(huì)加快炸藥的熱分解反應(yīng),當(dāng)放熱速率大于散熱速率時(shí),內(nèi)能就會(huì)不斷積累,進(jìn)而導(dǎo)致溫度不斷升高;最后,當(dāng)炸藥表面局部溫度增加到臨界點(diǎn)火溫度時(shí),發(fā)生爆炸[48]。因此,炸藥能否點(diǎn)火的關(guān)鍵是看炸藥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)放熱和熱傳導(dǎo)散熱哪個(gè)處于優(yōu)勢(shì)地位[49],當(dāng)炸藥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的放熱速率大于熱傳導(dǎo)的散熱速率時(shí),炸藥即可點(diǎn)火;反之,視為炸藥的點(diǎn)火無(wú)法實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō),炸藥的點(diǎn)火判據(jù)是對(duì)其開(kāi)始發(fā)生自維持化學(xué)反應(yīng)宏觀條件的量化[50]。

關(guān)于非均相凝聚炸藥點(diǎn)火的臨界條件,國(guó)內(nèi)外學(xué)者付出了諸多心血。首先是Walker和Wasley提出了非常著名的起爆判據(jù)p2τ=C[51],該判據(jù)分別從宏觀角度(飛片輸入炸藥能量的角度)[51]和細(xì)觀角度(黏彈塑性熱點(diǎn)燃燒模型)[52]被證明。在該判據(jù)的進(jìn)一步使用中,為了使其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得更好,胡雙啟等[53]對(duì)熱點(diǎn)高壓區(qū)內(nèi)的側(cè)向傳播面積進(jìn)行了修正,Peter等[54]引入點(diǎn)火延遲時(shí)間對(duì)該判據(jù)進(jìn)行了修正。Rideal等[55]得到了熱點(diǎn)增長(zhǎng)過(guò)程中熱點(diǎn)最小半徑和熱點(diǎn)臨界溫度之間的關(guān)系。Boddington[56]給出了熱點(diǎn)升溫的解析式,并且求出了熱點(diǎn)溫度升高至“無(wú)窮大”所需的時(shí)間。Thomas[57]得到了熱點(diǎn)發(fā)生劇烈反應(yīng)時(shí)的臨界溫度和與之對(duì)應(yīng)的沖擊波輸入能量的解析關(guān)系。章冠人[58]通過(guò)熱起爆理論的熱點(diǎn)能量平衡方程式推導(dǎo)出了各種熱點(diǎn)臨界溫度的近似公式。趙省向等[59]基于熱爆炸理論計(jì)算了幾種熔鑄炸藥的臨界熱點(diǎn)參數(shù)——臨界尺寸和臨界溫度,并且就臨界熱點(diǎn)參數(shù)和撞擊感度之間的關(guān)系進(jìn)行了討論。王鵬等[60]分別對(duì)橋絲式電火工品熱點(diǎn)火的升溫階段和爆炸階段建立了橋絲電熱升溫模型和絕對(duì)超臨界化學(xué)放熱模型,求解了恒定電流點(diǎn)火升溫時(shí)間、電容放電點(diǎn)火升溫時(shí)間以及爆炸時(shí)間,并定義了熱點(diǎn)火的溫度及其表達(dá)式。胡榮祖等[61]推導(dǎo)了估算含能材料熱點(diǎn)起爆臨界溫度的Brucman-Guillet表達(dá)式,提出了估算起爆臨界溫度的數(shù)值方法,并且編制了相應(yīng)的計(jì)算程序。張奇等[62]通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究,在直徑為1mm的孔隙附近施加溫度,探究了溫度載荷在孔隙周?chē)膫鬟f過(guò)程和規(guī)律,并且給出了熱點(diǎn)起爆的臨界參數(shù)估算方法。覃錦程等[28]也探究了TATB和HMX炸藥在不同沖擊壓力下的起爆臨界閾值。

總之,炸藥點(diǎn)火的關(guān)鍵是熱點(diǎn)的尺寸、溫度以及持續(xù)時(shí)間。這些熱點(diǎn)的特征是相互制約的,熱點(diǎn)尺寸越小,其溫度反而越高。特別地,當(dāng)熱點(diǎn)的尺寸相當(dāng)大時(shí),其溫度并不能維持劇烈的化學(xué)反應(yīng)。大量研究已經(jīng)表明,一般情況下,當(dāng)熱點(diǎn)的尺寸在0.1～10μm范圍內(nèi),溫度高于700K,持續(xù)時(shí)間為10-5～10-3s時(shí),才能引發(fā)炸藥的爆炸,否則熱點(diǎn)只能引發(fā)炸藥的熱分解,直到最后熱點(diǎn)消失,并不會(huì)引發(fā)炸藥爆炸[63]。但是,關(guān)于熱點(diǎn)的尺寸、溫度以及持續(xù)時(shí)間與很多因素有關(guān),并且涉及到力學(xué)、熱學(xué)以及化學(xué)等多門(mén)學(xué)科的相關(guān)知識(shí),想找到一個(gè)能夠準(zhǔn)確描述炸藥點(diǎn)火的判據(jù)還需要進(jìn)一步研究。

3 熱點(diǎn)形成的微觀機(jī)制

不同的炸藥在不同的裝藥條件下會(huì)有不同的點(diǎn)火燃燒特性,其主要原因在于不同的炸藥在不同的裝藥條件下引起的炸藥點(diǎn)火機(jī)理是不同的。因此,僅僅通過(guò)炸藥點(diǎn)火的一些表觀現(xiàn)象是無(wú)法全面了解炸藥的點(diǎn)火過(guò)程的,必須從熱點(diǎn)形成的微觀機(jī)制入手,搞清楚炸藥是怎樣起爆的,即炸藥的熱點(diǎn)是如何形成、長(zhǎng)大及點(diǎn)火的,如何燃燒或爆炸的。而熱點(diǎn)是如何形成的這一問(wèn)題是炸藥點(diǎn)火過(guò)程研究工作中的重中之重。國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有大量文獻(xiàn)報(bào)道了關(guān)于炸藥熱點(diǎn)形成的微觀機(jī)制以及相關(guān)物理模型,目前公認(rèn)的熱點(diǎn)形成微觀機(jī)制有:孔洞塌縮機(jī)制、剪切摩擦機(jī)制、氣泡絕熱壓縮機(jī)制、裂紋尖端加熱機(jī)制、以及晶體形變產(chǎn)生熱點(diǎn)機(jī)制等。

3.1 孔洞塌縮機(jī)制

基于孔洞塌縮的熱點(diǎn)形成特點(diǎn)為:沖擊波與微孔洞發(fā)生相互作用,微孔洞受壓塌縮,使得位于孔洞周?chē)恼ㄋ幵诳锥粗行漠a(chǎn)生會(huì)聚作用,產(chǎn)生的內(nèi)能積聚在微孔洞中心,產(chǎn)生熱點(diǎn)[30]。Kornfeld等[64]首次發(fā)現(xiàn)孔隙的不對(duì)稱塌縮會(huì)使炸藥發(fā)生點(diǎn)火。Mader[65]研究了圓柱形和球形孔洞與沖擊波的相互作用,給出了熱點(diǎn)的形成特征。大量研究表明,孔洞的塌縮機(jī)制是熱點(diǎn)的主要產(chǎn)生機(jī)制。由于炸藥的“熱點(diǎn)”實(shí)驗(yàn)研究具有很大的局限性,研究炸藥的起爆機(jī)理就需要建立相關(guān)的物理模型并借助計(jì)算機(jī)和數(shù)值方法來(lái)模擬炸藥的起爆過(guò)程。為了探究炸藥的起爆機(jī)理,研究者們建立了各種“熱點(diǎn)”的物理模型。這些物理模型主要分為兩大類:一類是不區(qū)分熱點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)制的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?另一類是基于不同的熱點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)制,建立的能夠反映沖擊波傳播過(guò)程中其與非均質(zhì)炸藥相互作用的微觀力學(xué)模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚66-71]雖然能夠較好地反映炸藥在起爆過(guò)程中的大部分特征,但是沒(méi)有考慮熱點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)制,也不能解釋炸藥的細(xì)觀結(jié)構(gòu)(例如炸藥的孔隙率、顆粒大小等)對(duì)炸藥起爆過(guò)程的影響。1972年,Carroll等[72]首次建立了延性材料的黏塑性空心球模型,將孔洞的塌縮過(guò)程分為3個(gè)階段,分別為初始的彈性階段、彈性到塑性的轉(zhuǎn)變階段以及塑性階段,并且研究發(fā)現(xiàn)前兩個(gè)階段的孔隙率幾乎無(wú)變化,因此只考慮了最后的塑性階段。但是,對(duì)于低沖擊條件下的孔洞塌縮,只考慮塑性階段的假設(shè)是無(wú)效的。1981年,Khasaivov等[21]首次將黏塑性孔洞塌縮模型應(yīng)用到炸藥的沖擊起爆中。到目前為止,基于孔洞塌縮機(jī)制的熱點(diǎn)模型主要是Kim提出的彈黏塑性單球殼塌縮熱點(diǎn)反應(yīng)模型(見(jiàn)圖3)[73]和段卓平提出的雙球殼模型(見(jiàn)圖4)[74]。

圖3 Kim的彈黏塑性單球殼塌縮熱點(diǎn)反應(yīng)模型[73]Fig.3 Hot spot reaction model for collapse of elastic-visco-plastic single spherical shell proposed by Kim [73]

圖4 DZK模型[74]Fig.4 DZK model [74]

彈黏塑性單球殼塌縮熱點(diǎn)反應(yīng)模型[73]是Kim在將彈性階段和彈性到塑性轉(zhuǎn)變階段也考慮在內(nèi)的基礎(chǔ)上提出來(lái)的。炸藥受到?jīng)_擊壓縮時(shí),在孔洞周?chē)鷷?huì)發(fā)生整體力學(xué)變形。但是,該模型并沒(méi)有考慮力學(xué)變形的具體形式(剪切帶、摩擦、射流沖擊等),認(rèn)為所有熱點(diǎn)都是相似的,從而通過(guò)研究一個(gè)熱點(diǎn)來(lái)代表炸藥所有熱點(diǎn)的特征。

基于Kim的彈黏塑性單球殼塌縮熱點(diǎn)反應(yīng)模型,大量的關(guān)于炸藥熱點(diǎn)點(diǎn)火的研究工作被報(bào)道。1994年,張振宇等[75]考慮了炸藥的熔化效應(yīng),建立了多孔炸藥黏塑性孔洞塌縮熱點(diǎn)模型,研究了多孔低熔點(diǎn)TNT炸藥的熱點(diǎn)生成過(guò)程。把整個(gè)物質(zhì)分成各含一個(gè)孔隙的相同空心球胞元,然后根據(jù)胞元的行為來(lái)研究整個(gè)多孔炸藥的行為。該項(xiàng)研究工作忽略了密實(shí)材料本身受沖擊壓縮時(shí)造成的整體溫升,但是當(dāng)加載壓力較大時(shí),這部分溫升并不能忽略。2008年,Whitworth等[76]考慮了孔洞彈黏塑性作功產(chǎn)生的溫升,建立了彈黏塑性空心球孔洞塌縮模型。但是,該模型并沒(méi)有將熱傳導(dǎo)對(duì)溫升的影響考慮在內(nèi)。2016年,成麗蓉等[77]考慮了孔洞在持續(xù)壓縮、拉伸以及壓縮交變兩種不同外力等復(fù)雜受力的運(yùn)動(dòng)模式下的熱點(diǎn)生成特點(diǎn),建立了復(fù)雜受力環(huán)境下非均質(zhì)炸藥孔洞塌縮熱點(diǎn)模型。前面提到的基于孔洞塌縮機(jī)制的模型都是基于固體基質(zhì)不可壓縮假設(shè)的基礎(chǔ)上提出的,但是雨貢紐曲線表明,在高沖擊條件下,固體材料的密度變化會(huì)對(duì)炸藥溫升有很重要的影響。因此,2017年,Li等[78]在Kim模型的基礎(chǔ)上,基于廣義胡克定律描述材料的可壓縮性,求解了可壓縮偏微分方程以及初始條件和邊界條件的控制方程,提出了能夠模擬“熱點(diǎn)”形成的解析型可壓縮彈黏塑性孔洞塌縮模型。

以上提到的模型均忽略了黏結(jié)劑效應(yīng),不能描述黏結(jié)劑在熱點(diǎn)形成和點(diǎn)火階段的力學(xué)影響。但實(shí)際上黏結(jié)劑炸藥在實(shí)際中應(yīng)用非常廣泛,其在熱點(diǎn)形成和熱點(diǎn)點(diǎn)火過(guò)程中的力學(xué)影響是不能忽略不計(jì)的。于是,段卓平等[74]提出了含有黏結(jié)劑的雙球殼塌縮熱點(diǎn)反應(yīng)模型。

基于雙球殼塌縮熱點(diǎn)反應(yīng)模型,該團(tuán)隊(duì)做了大量的有關(guān)炸藥點(diǎn)火的研究工作。2011年,該團(tuán)隊(duì)[79]假設(shè)黏結(jié)劑為剛塑性材料,炸藥為彈黏塑性材料,建立了剛塑性黏結(jié)劑的雙球殼塌縮熱點(diǎn)反應(yīng)模型。該模型能夠解釋了黏結(jié)劑強(qiáng)度對(duì)沖擊起爆過(guò)程的影響,但是不能反映黏結(jié)劑含量的影響,也沒(méi)有體現(xiàn)在沖擊作用下炸藥顆粒之間的摩擦、剪切等其他機(jī)制引起的熱點(diǎn)點(diǎn)火。接著,他們假設(shè)黏結(jié)劑和炸藥均為彈黏塑性材料,建立了彈黏塑性雙球殼塌縮熱點(diǎn)反應(yīng)模型(即DZK模型)[80]。該模型不僅能夠描述黏結(jié)劑強(qiáng)度對(duì)炸藥起爆過(guò)程的影響,也能描述黏結(jié)劑含量對(duì)沖擊起爆過(guò)程的影響?？刂普ㄋ幷麄€(gè)反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)速率模型由點(diǎn)火項(xiàng)、Kim的低壓慢反應(yīng)項(xiàng)[81]和張振宇提出的高壓快反應(yīng)項(xiàng)[82]構(gòu)成。2012年,該團(tuán)隊(duì)[23]采用原位錳壓阻式壓力測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了沖擊起爆實(shí)驗(yàn),研究了HMX顆粒尺寸對(duì)PBXC03炸藥(組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:87% HMX、7% TATB以及6% 氟橡膠)沖擊起爆過(guò)程的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),由于精細(xì)的顆粒炸藥具有更大的比表面積,使得熱點(diǎn)成長(zhǎng)更快,即精細(xì)顆粒炸藥具有更好的敏感性。筆者也基于DZK模型進(jìn)行了數(shù)值模擬,精細(xì)顆粒炸藥的模擬結(jié)果能夠與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好,但是中等顆粒和粗顆粒炸藥的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合地并不好,這可能是因?yàn)镈ZK模型只將一種點(diǎn)火機(jī)制考慮在內(nèi),使得模型太簡(jiǎn)單以至于不能準(zhǔn)確地描述較為復(fù)雜的情況。2013年,該團(tuán)隊(duì)[83]建立了二元混合PBX炸藥孔隙塌縮熱點(diǎn)模型。該模型對(duì)每種組分建立了一個(gè)雙球殼胞元模型,忽略了兩種炸藥組分在塌縮過(guò)程中的相互作用,假設(shè)兩種炸藥組分各自做球?qū)ΨQ一維變形運(yùn)動(dòng)而互不影響。通過(guò)對(duì)兩種炸藥組分熱點(diǎn)反應(yīng)速率按照體積配比進(jìn)行加權(quán)就得到了整個(gè)二元混合PBX炸藥的熱點(diǎn)反應(yīng)速率。2014年,他們從理論和實(shí)驗(yàn)出發(fā),驗(yàn)證了DZK熱點(diǎn)反應(yīng)速率模型能夠很好地描述初始溫度對(duì)炸藥沖擊起爆過(guò)程的影響[84]。2016年,該團(tuán)隊(duì)利用加權(quán)平均的思想,建立了適用于多元混合PBX炸藥沖擊點(diǎn)火的熱點(diǎn)反應(yīng)速率方程[85]。2019年,該團(tuán)隊(duì)對(duì)DZK模型的反應(yīng)速率方程進(jìn)行了修正,使該模型能準(zhǔn)確描述平均顆粒尺寸對(duì)炸藥沖擊起爆過(guò)程的影響[24]。

3.2 剪切摩擦機(jī)制

在沖擊作用下,含能材料的密度不連續(xù)處會(huì)迅速發(fā)生塑性變形。當(dāng)沖擊波進(jìn)入含微孔洞的炸藥時(shí),在微孔洞正面的炸藥可能會(huì)產(chǎn)生剪切,當(dāng)沖擊波沖入微孔洞后在其兩邊形成剪切帶[1],剪切帶內(nèi)的摩擦生熱使得溫度升高,形成熱點(diǎn)。很多文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道了剪切摩擦是熱點(diǎn)形成的有效機(jī)制[86-88]。在低溫條件下,剪切摩擦被認(rèn)為是復(fù)合推進(jìn)劑熱點(diǎn)形成的重要機(jī)制[89]。Dienes等[90]通過(guò)量級(jí)分析發(fā)現(xiàn),對(duì)于顆粒填充聚合物類型的含能材料,如復(fù)合推進(jìn)劑等,裂紋摩擦是在其內(nèi)部產(chǎn)生熱點(diǎn)的最可能機(jī)制。

大量的關(guān)于復(fù)合推進(jìn)劑的點(diǎn)火機(jī)制被相繼報(bào)道。1998年,Dienes等[90]首先提出使用統(tǒng)計(jì)裂紋力學(xué)(SCRAM)方法,探究HMX炸藥的沖擊點(diǎn)火問(wèn)題。此項(xiàng)工作的一個(gè)不足之處是只考慮了張開(kāi)型裂紋擴(kuò)展,但是裂紋摩擦作為熱點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)制的前提條件是在裂紋閉合時(shí)裂紋之間產(chǎn)生滑移摩擦。基于此,2004年,陳廣南等[91]將滑移型和張開(kāi)型兩種類型的裂紋擴(kuò)展都考慮在內(nèi),建立了微觀熱點(diǎn)模型,分析了推進(jìn)劑內(nèi)部初始裂紋在機(jī)械沖擊載荷作用下的擴(kuò)展以及與反應(yīng)氣體產(chǎn)物的相互作用。通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬了不同壓應(yīng)力和剪應(yīng)力以及裂紋擴(kuò)展速度對(duì)推進(jìn)劑內(nèi)部熱點(diǎn)形成的影響。結(jié)果表明,當(dāng)作用在裂紋面上的壓力一定時(shí),其局部的溫升隨裂紋面的滑移速度增加而增加。但是,如果繼續(xù)增加滑移速度,溫升將隨滑移速度增加的幅度變小。并且發(fā)現(xiàn),裂紋間氣相產(chǎn)物的存在以及外界壓力對(duì)氣體做功都會(huì)對(duì)推進(jìn)劑內(nèi)部熱點(diǎn)的形成產(chǎn)生重要影響。2006年,陳廣南等[92]分兩階段建立了裂紋摩擦的熱點(diǎn)模型,對(duì)推進(jìn)劑裂紋摩擦進(jìn)行了分析探討。第一階段是無(wú)獨(dú)立氣層的開(kāi)始階段,此階段的氣體產(chǎn)物不會(huì)對(duì)上下裂紋之間的摩擦產(chǎn)生影響;第二階段是有獨(dú)立氣層以后使得裂紋上下表面不再存在有效摩擦。但是,其計(jì)算結(jié)果表明,即使在第二階段不再存在有效摩擦,由于氣相與固相之間質(zhì)量和能量的交換,裂紋面局部位置的溫度還會(huì)繼續(xù)上升,形成熱點(diǎn),從而使得推進(jìn)劑著火燃燒。同年,該團(tuán)隊(duì)基于動(dòng)力有限元方法,計(jì)算分析了機(jī)械撞擊下發(fā)動(dòng)機(jī)殼體與裝藥結(jié)構(gòu)變形、推進(jìn)劑內(nèi)部細(xì)觀裂紋滑移、擴(kuò)展和熱點(diǎn)的形成過(guò)程[93]。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)撞擊速度增加到一定值時(shí),推進(jìn)劑初始裂紋將滑移和擴(kuò)展,裂紋摩擦使表面溫度升高。當(dāng)撞擊速度進(jìn)一步增加,裂紋表面溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速上升,此時(shí)裝藥內(nèi)部形成高溫?zé)狳c(diǎn),從而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)著火燃燒。2013年,成麗蓉等[94]基于Dienes理論,建立了耦合宏觀力學(xué)變形與微裂紋損傷演化的黏彈性炸藥本構(gòu)關(guān)系以及裂紋摩擦生熱細(xì)觀模型。利用數(shù)值模擬,分析了戰(zhàn)斗部裝藥在不同侵徹條件下的損傷及熱點(diǎn)生成機(jī)理。2016年,張家希[95]基于有限元方法,探究了摩擦刺激對(duì)固體推進(jìn)劑溫升的影響,發(fā)現(xiàn)由摩擦引起的溫升并不能使炸藥達(dá)到點(diǎn)火條件,化學(xué)反應(yīng)放熱才是導(dǎo)致炸藥點(diǎn)火的主要熱源。并且從實(shí)際出發(fā),探究了管形自由裝填炸藥3種可能的危險(xiǎn)高溫?zé)狳c(diǎn)。

3.3 氣泡絕熱壓縮機(jī)制

一般情況下,材料在裝藥時(shí)會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生氣泡。由于氣泡的比熱比固體炸藥的低,在沖擊作用下,氣泡的溫度會(huì)更高,從而在材料內(nèi)形成熱點(diǎn)。Bowden和Yoffe[6]也認(rèn)為氣泡絕熱壓縮是影響液體炸藥感度的重要因素。Starkenberg[96]用活塞壓縮含有空氣隙的炸藥,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,空氣隙的溫度在絕熱壓縮時(shí)會(huì)上升,進(jìn)而形成熱點(diǎn)。根據(jù)理想多方氣體絕熱壓縮后的溫度表達(dá)式[1],可得出氣隙內(nèi)的初始?jí)毫υ酱?絕熱壓縮后的溫度就越低。但是,該實(shí)驗(yàn)觀察到的是炸藥的感度隨氣隙初始?jí)毫Φ脑黾佣黾?。因?Starkenberg認(rèn)為不能僅用絕熱壓縮機(jī)制來(lái)解釋非均相凝聚炸藥的熱點(diǎn)點(diǎn)火過(guò)程。Chaudhri等[97]發(fā)現(xiàn)該熱點(diǎn)形成機(jī)制只適用于低沖擊壓縮速度且大氣泡尺寸的情況。

3.4 裂紋尖端加熱機(jī)制

在沖擊作用下,炸藥內(nèi)部裂紋發(fā)生傳播,由于在裂紋尖端處有較強(qiáng)的應(yīng)力場(chǎng),使得炸藥材料發(fā)生塑性形變,從而形成熱點(diǎn)[98]。Field[89]探究了炸藥在沖擊作用下的點(diǎn)火機(jī)理,并且提出裂紋尖端加熱并不能使炸藥達(dá)到點(diǎn)火條件。Yu等[99]對(duì)復(fù)合材料在不對(duì)稱加載下的超音速剪切裂紋傳播過(guò)程進(jìn)行了模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn),如果給裂紋尖端足夠的能量,裂紋的傳播速度可以達(dá)到超音速,并且在裂紋尖端通過(guò)的區(qū)域形成一連串的熱點(diǎn)。該熱點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)制并不能解釋單質(zhì)晶體炸藥的點(diǎn)火,只適用于具有一定顆粒尺寸的含能材料或者增強(qiáng)型復(fù)合含能材料的點(diǎn)火過(guò)程[98,100]。

3.5 晶體形變產(chǎn)生熱點(diǎn)機(jī)制

晶體形變總是伴隨著位錯(cuò)的增長(zhǎng)。在平面滑移發(fā)展的同時(shí),強(qiáng)剪切應(yīng)變區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)具有相反帕格斯矢量的位錯(cuò)對(duì)。當(dāng)它們相互作用時(shí),會(huì)產(chǎn)生完整的結(jié)構(gòu)并放出位錯(cuò)帶有的能量[1]。但是,只有當(dāng)含能材料層面壓實(shí),剪切應(yīng)力值較高時(shí),該熱點(diǎn)形成機(jī)制才起主導(dǎo)作用[89]。

綜上所述,可以發(fā)現(xiàn),目前建立的有關(guān)“熱點(diǎn)”形成的物理模型與實(shí)驗(yàn)還有一定差距,解決這一問(wèn)題的根本是建立一個(gè)能夠準(zhǔn)確描述含能材料點(diǎn)火過(guò)程的多尺度多場(chǎng)耦合的熱點(diǎn)反應(yīng)速率模型。再者,目前有關(guān)含能材料“熱點(diǎn)”形成并存機(jī)制的相關(guān)理論研究較少,但是在實(shí)際的含能材料中,熱點(diǎn)的形成原因并不只是局限在一種形成機(jī)制中。例如,含有氣體微孔洞炸藥的熱點(diǎn)形成至少應(yīng)該由孔洞塌縮和氣泡絕熱壓縮兩種機(jī)制共同主導(dǎo),而且還應(yīng)該考慮炸藥熱分解反應(yīng)的氣體產(chǎn)物對(duì)熱點(diǎn)形成的影響。因此,建立一個(gè)多元的熱點(diǎn)形成微觀機(jī)制是未來(lái)的一個(gè)重要研究方向。

4 結(jié)論與展望

含能材料發(fā)生爆炸的因素、條件和原因一直是含能材料起爆機(jī)理的重要研究?jī)?nèi)容[101-102]。由于熱點(diǎn)的尺寸小,形成時(shí)間極短,且一般情況下含能材料都是光學(xué)不透明的,對(duì)于實(shí)驗(yàn)而言,跟蹤和檢測(cè)熱點(diǎn)的形成、長(zhǎng)大、點(diǎn)火和燃燒或爆炸過(guò)程是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。盡管有關(guān)熱點(diǎn)的理論數(shù)值模擬工作已經(jīng)取得很大進(jìn)展,但是在完善熱點(diǎn)理論的過(guò)程中仍面臨許多重大挑戰(zhàn),具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)目前的研究工作中大多都是基于一種熱點(diǎn)形成微觀機(jī)制建立的數(shù)值模型,這與實(shí)際中含能材料熱點(diǎn)的形成并不相符。因此,建立一個(gè)多元的熱點(diǎn)形成微觀機(jī)制是非常有必要的。

(2)含能材料中熱點(diǎn)的形成、長(zhǎng)大、點(diǎn)火和燃燒或爆炸過(guò)程是一個(gè)多尺度變化、多場(chǎng)耦合的復(fù)雜過(guò)程,因此,建立一個(gè)關(guān)于含能材料多尺度多場(chǎng)耦合的本構(gòu)方程也將是未來(lái)研究中的重要挑戰(zhàn)。

(3)從熱點(diǎn)形成的微觀機(jī)制出發(fā)建立一個(gè)可靠的數(shù)值模型是理論和計(jì)算領(lǐng)域?qū)懿牧蠠狳c(diǎn)研究的重要內(nèi)容。從目前的研究成果來(lái)看,盡管已經(jīng)取得很多研究進(jìn)展,但是建立一個(gè)能夠準(zhǔn)確描述含能材料點(diǎn)火的熱點(diǎn)反應(yīng)速率模型還需要進(jìn)一步深入研究。