［摘 要］ 高能炸藥是各類武器彈藥毀傷的能量之源。研究高能炸藥（凝聚相炸藥）的損傷和點(diǎn)火特性對武器彈藥的安全性具有重要意義。從成型工藝、損傷實(shí)驗(yàn)?zāi)M、損傷的觀測與表征、損傷與點(diǎn)火相關(guān)性等4個方面介紹了凝聚相炸藥損傷-點(diǎn)火特性的研究進(jìn)展。首先，探討了壓裝、澆注、熔鑄等成型工藝對裝藥初始損傷的影響；其次，對凝聚相炸藥在使用過程中損傷的產(chǎn)生、實(shí)驗(yàn)?zāi)M和觀測與表征方法進(jìn)行總結(jié)；針對典型損傷類型分析了炸藥的損傷-熱點(diǎn)-點(diǎn)火過程；最后，基于研究現(xiàn)狀分析，提出凝聚相炸藥損傷-點(diǎn)火特性研究未來的發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)。

［關(guān)鍵詞］ 炸藥；損傷；模擬實(shí)驗(yàn)；損傷觀測；熱點(diǎn)；點(diǎn)火特性

［分類號］ TQ560.7; O389

Research Progress on Damage and Ignition Characteristics of Condensed Phase Explosives

ZHAO Dong， QU Kepeng， DONG Zelin

Xi’an Modern Chemistry Research Institute （Shaanxi Xi’an， 710065）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ High energy explosives are the source of energy for the destruction of various weapons and ammunition. Study on the damage and ignition characteristics of high-energy explosives （condensed phase explosives） is of great significance for the safety of weapons and ammunition. The research progress on the damage and ignition characteristics of condensed phase explosives was introduced from four aspects： molding process， experimental simulation of damage， observation and characterization of damage， and damage-ignition correlation. Firstly， the influence of molding processes such as press-fitting， pouring， and melting and casting on the initial damage of the charge was explored. Secondly， the generation of damage， experimental simulation， observation and characterization methods of damage during the use of condensed phase explosives were summarized. Furthermore， the damage-hot spot-ignition process of explosives was analyzed in terms of the typical types of damage. Finally， based on the analysis of the current research status， the future development trends and challenges of damage-ignition characteristics of condensed phase explosives were proposed.

［KEYWORDS］ explosive; damage; simulation experiment; damage observation; hot spot; ignition characteristic

0 引言

作為武器彈藥毀傷目標(biāo)的重要能源，高能炸藥被廣泛應(yīng)用于爆破、侵徹、破甲等常規(guī)武器彈藥中。高能炸藥一般以固體形式存在，屬于凝聚相炸藥。在凝聚相炸藥成型制造過程中，由于配方、成型工藝及工藝參數(shù)的不同，炸藥的微觀結(jié)構(gòu)也各不相同；裝藥無法達(dá)到理論密度時，會存在微孔洞、微裂紋等初始損傷。而在炸藥儲存、加工、運(yùn)輸及使用等過程中，不同的加載速率、復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)和溫度環(huán)境等因素會導(dǎo)致材料細(xì)觀甚至宏觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。

損傷在持續(xù)的外部載荷作用下可能會不斷演化、積累，產(chǎn)生宏觀的斷裂，對炸藥的力學(xué)性能、感度、結(jié)構(gòu)完整性等產(chǎn)生影響［1］。特別是炸藥服役過程中，拉壓、剪切、摩擦、溫度沖擊等復(fù)雜載荷條件可能使裝藥產(chǎn)生熱點(diǎn)，意外點(diǎn)火起爆。因此，通過研究

炸藥的損傷-點(diǎn)火特性來研究炸藥的安全性是進(jìn)行

武器裝藥安全性評估的基礎(chǔ)，對武器彈藥的設(shè)計和可靠運(yùn)用具有重要意義。

研究炸藥的損傷-點(diǎn)火特性需要模擬損傷的產(chǎn)生及演化過程，并進(jìn)行觀測與表征；根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果或結(jié)合數(shù)值模擬，分析損傷的演化規(guī)律，進(jìn)而揭示炸藥損傷-熱點(diǎn)-點(diǎn)火過程的內(nèi)在聯(lián)系，分析對炸藥的安全性影響。因此，首先探討了不同裝藥成型工藝可能產(chǎn)生的初始損傷；同時，對模擬實(shí)際服役過程中炸藥在不同機(jī)械、溫度載荷下?lián)p傷產(chǎn)生、演化過程的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行介紹；隨后，介紹了顯微觀察、計算機(jī)斷層掃描（CT）、數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）等幾種常用的炸藥損傷的觀測與表征方法，并分析總結(jié)了各種方法的優(yōu)、缺點(diǎn)；最后，針對炸藥不同損傷類型與熱點(diǎn)點(diǎn)火的相關(guān)研究進(jìn)行綜述，提出目前的研究發(fā)展趨勢及待解決的問題。

1 成型工藝對裝藥初始損傷的影響

炸藥在成型制造過程中會產(chǎn)生初始損傷。裝藥初始損傷的形成不僅與炸藥配方有關(guān)，還和成型工藝與工藝參數(shù)息息相關(guān)?，F(xiàn)有裝藥成型工藝主要有壓裝法、澆注法、熔鑄法。裝藥工藝的不同決定了炸藥產(chǎn)生損傷的機(jī)理和損傷類型的不同。成型工藝和工藝參數(shù)的優(yōu)化能有效減少裝藥的初始損傷，提高藥柱的整體性能。

壓裝型炸藥具體的壓制過程可分為顆粒的重排、損傷破碎和壓實(shí)3個階段。內(nèi)部的損傷主要為炸藥晶體本身的孔洞、裂紋等缺陷，及壓制成型過程中炸藥顆粒受擠壓、剪切作用而破碎形成的微裂紋、斷裂等損傷。壓裝成型過程的溫度與成型藥柱的初始損傷有關(guān)。如圖1所示［2］，對比冷壓與熱壓成型的高聚物黏結(jié)炸藥（PBX），藥柱1/2高度的橫截面CT掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冷壓成型藥柱的橫截面密度分布明顯不均勻，且有多處孔隙損傷；熱壓成型藥柱的橫截面密度分布則更均勻，且無初始損傷。

熱壓時的降溫速率和保壓時間也會導(dǎo)致?lián)p傷的形成。合理控制降溫速率、分段進(jìn)行保壓能夠降低裝藥內(nèi)部所受的應(yīng)力，避免基體開裂，減少裝藥內(nèi)部的損傷［3］。此外，分步壓裝是一種高效的壓裝裝藥工藝，裝填密度高、內(nèi)部缺陷少［4］，但分步壓裝工藝也會造成裝藥密度分布不均勻。

澆注型炸藥及熔鑄型炸藥的成型過程都存在著物相、熱量、體積等的變化。晶核的形成與生長、固態(tài)炸藥的熔融與凝固、凝固降溫引起的體積收縮等容易使藥柱形成縮松、縮孔、粗結(jié)晶、氣孔、裂紋等缺陷。研究表明，未完全逸出的空氣所形成的氣孔和表面枝晶間氣孔在熱應(yīng)力作用下引起的熱裂紋是注裝成型裝藥產(chǎn)生損傷的主要類型及成因。因此，固化工藝對注裝藥的質(zhì)量有顯著影響［5-6］。在注裝藥的凝固過程中，控制合適尺寸的冒口的保溫時間，使炸藥凝固收縮時能及時流到可能形成縮孔的位置，可以達(dá)到補(bǔ)縮的目的［7］。除控制冒口條件外，加壓凝固工藝能夠提高炸藥熔點(diǎn)，整體上加快冷卻速率，增加相對密度，有效減少縮孔［8］。同時，合理控制熱流方向、降溫速率、降溫方式等降溫條件能顯著減少裝藥損傷。研究表明：控制降溫介質(zhì)的溫度恒定能有效提高裝藥密度、降低孔隙率［9］。相比于自然凝固，采用水浴順序凝固工藝能顯著減小產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷的概率；當(dāng)水浴溫度為20 ℃、水位上升速度為3.5×10-2 mm/s、冒口溫度為95 ℃時，能最大程度地縮短凝聚時間，降低縮松、縮孔概率［10］。此外，從消除氣孔的角度來看，采用合理的真空條件能夠減少熔化和澆注過程中帶入的氣體［11］；采用機(jī)械振動能促進(jìn)流動態(tài)炸藥注裝過程中帶入的氣泡上浮，有效排除孔隙［12］。

2 損傷產(chǎn)生及演化過程的實(shí)驗(yàn)?zāi)M

在儲存、加工、運(yùn)輸及使用過程中，炸藥處于不同的加載速率、復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)和溫度條件下。不同的外載條件使炸藥產(chǎn)生的損傷也各不相同。為深入研究炸藥的損傷-點(diǎn)火特性，需要采用不同的實(shí)驗(yàn)手段模擬炸藥在真實(shí)條件下的損傷狀態(tài)。

通常，針對沖擊載荷，可按照載荷應(yīng)變率進(jìn)行分類模擬。長期儲存過程產(chǎn)生的蠕變損傷以及壓制加工過程中準(zhǔn)靜態(tài)條件下產(chǎn)生的損傷可以用材料實(shí)驗(yàn)機(jī)模擬［13］。發(fā)射、低速撞擊時產(chǎn)生的損傷可以用落錘實(shí)驗(yàn)?zāi)M［14］。高速飛片撞擊或穿靶時產(chǎn)生的損傷可以使用霍普金森桿［15］、氣炮實(shí)驗(yàn)［16］進(jìn)行研究。更高應(yīng)變率的載荷情況可以使用爆轟驅(qū)動飛片碰撞進(jìn)行研究［17］。拉伸載荷條件下，可以采用巴西實(shí)驗(yàn)或基于分離式霍普金森壓桿（SHPB）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的動態(tài)巴西實(shí)驗(yàn)對炸藥材料進(jìn)行模擬［18］。針對溫度載荷，可采用高（低）溫儲存、溫度循環(huán)、溫度沖擊等方法進(jìn)行模擬［19-20］。

上述方法大多是基于單一載荷進(jìn)行模擬的分解實(shí)驗(yàn)。而炸藥在實(shí)際使用中常處于多場耦合及復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，使用以上方法無法對這種復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確研究。因此，國內(nèi)外學(xué)者針對不同的復(fù)雜載荷環(huán)境發(fā)展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法。

侵徹彈侵徹多層靶時，裝藥常處于復(fù)雜、快速的多次脈沖載荷環(huán)境。為研究多次脈沖載荷下裝藥的響應(yīng)特性，Zi等［21］開展了一維飛片撞擊實(shí)驗(yàn)2次沖擊炸藥。實(shí)驗(yàn)中，采用不同阻抗的材料組合加載產(chǎn)生2次脈沖，在SHPB實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上對炸藥裝藥進(jìn)行加載模擬。但SHPB實(shí)驗(yàn)的炸藥樣品量小，無法在多次加載下點(diǎn)火。為增加樣品量，使炸藥能夠點(diǎn)火，李亮亮等［22］基于大型落錘模擬加載裝置，在藥柱前段設(shè)計了一裝置，使落錘撞擊時達(dá)到直接和間接撞擊，實(shí)現(xiàn)2次脈沖加載。聶少云等［23］依托加速跌落平臺設(shè)計了多次沖擊載荷加載實(shí)驗(yàn)裝置，如圖2所示。該裝置能實(shí)現(xiàn)4次脈沖加載，應(yīng)力幅值約為400 MPa，脈沖間隔為1 ms，脈沖寬度為0.5 ms。

實(shí)際使用過程中，裝藥內(nèi)部還會處于壓縮、摩擦及剪切等復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下。對這種復(fù)合應(yīng)力加載狀態(tài)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法基于基本的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計了復(fù)合加載裝置，開展了不同應(yīng)變率下的剪切、沖剪或拉剪等實(shí)驗(yàn)［24］。胡雪垚等［25］為更真實(shí)地模擬實(shí)際使用過程中裝藥的變形、損傷甚至點(diǎn)火，進(jìn)一步發(fā)明了一種炸藥裝藥壓縮剪切實(shí)驗(yàn)裝置。加載過程中，撞擊點(diǎn)四周炸藥無軸向位移，且破碎藥柱不會二次撞擊點(diǎn)火，更接近真實(shí)條件下裝藥在約束條件下的壓縮剪切載荷特征。

溫度和機(jī)械撞擊耦合也是炸藥在使用過程中的典型工況之一。Dai等［26］對不同溫度下的HMX基炸藥開展撞擊實(shí)驗(yàn)，分析在溫度和沖擊耦合刺激下的響應(yīng)機(jī)制。而屈可朋等［27］用一級輕氣炮研究高低溫循環(huán)及對稱沖擊耦合加載下RDX基含鋁炸藥的損傷情況。研究表明，經(jīng)高低溫循環(huán)后，炸藥產(chǎn)生較多散布的孔隙，在沖擊載荷下發(fā)生絕熱壓縮，更易點(diǎn)火。

目前，相關(guān)實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于如何更真實(shí)地模擬炸藥的實(shí)際使用工況，等效實(shí)際使用狀態(tài)的損傷。未來的研究中，應(yīng)進(jìn)一步發(fā)展更真實(shí)的損傷實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法，并針對更多復(fù)雜載荷條件下?lián)p傷的產(chǎn)生、演化展開實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

3 損傷的觀測與表征

準(zhǔn)確觀測和表征裝藥損傷及演化過程是深入分析裝藥力學(xué)性能及點(diǎn)火特性的前提。裝藥損傷的觀測及表征技術(shù)總體上可分為宏觀與微觀、二維與三維、有損與無損、非實(shí)時與實(shí)時以及接觸與非接觸式觀測。常見的觀測方法主要有光學(xué)觀測、顯微觀察、聲發(fā)射（AE）技術(shù)、CT技術(shù)、DIC技術(shù)等。

對于裝藥，宏觀與微觀損傷的二維觀測手段已經(jīng)發(fā)展得較為成熟。傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡（OM）只能對炸藥表面進(jìn)行宏觀尺度的觀測。目前，應(yīng)用最廣泛的掃描電子顯微鏡（SEM）的分辨率更高，可以觀測晶體微觀尺度的損傷［28］。采用合適的顯微鏡結(jié)合匹配的加載系統(tǒng)還可以實(shí)時、原位觀察炸藥的損傷演化及破壞過程。

OM或SEM技術(shù)只能形成損傷的二維圖像，新發(fā)展的原子力顯微鏡（AFM）能夠提供如圖3所示的三維表面圖［29］，以納米級分辨率獲得表面形貌結(jié)構(gòu)及粗糙度信息，且不需要對樣品進(jìn)行特殊處理。但相比于SEM，AFM成像范圍小，速度慢，且受探頭影響很大。

實(shí)際研究中，樣品往往處于一定的約束條件下，以上觀測手段會造成樣品應(yīng)力狀態(tài)的改變，甚至產(chǎn)生二次損傷，影響觀測結(jié)果。作為典型的無損檢測技術(shù)，CT技術(shù)同時具備高分辨率、三維成像、測量區(qū)域大的優(yōu)點(diǎn)，常應(yīng)用于炸藥內(nèi)部缺陷的表征［30］。

Yeager等［31］通過微米級CT（micro-CT）對單質(zhì)炸藥和PBX炸藥進(jìn)行觀測，利用軟件對CT掃描獲得的系列二維圖像投影，進(jìn)行三維重構(gòu)，獲得炸藥的整體形貌和內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征。許禮吉等［32］使用類似方法得到如圖4所示的某炸藥熱損傷后內(nèi)部孔隙的三維渲染情況，進(jìn)而對孔隙率等損傷關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行量化表征。由圖4發(fā)現(xiàn)，高溫下藥柱內(nèi)部的熱應(yīng)力使顆粒-黏結(jié)劑界面脫黏，脫黏區(qū)隨溫度載荷的升高而增加，演化成通孔；同時，炸藥顆粒在溫度載荷下受熱分解，使藥柱內(nèi)形成較多孔隙。

CT技術(shù)屬于非實(shí)時測量，樣品狀態(tài)可能隨觀測時間的延遲而產(chǎn)生變化，引起實(shí)驗(yàn)誤差。而AE技術(shù)可以提供損傷發(fā)展、演化過程的實(shí)時或連續(xù)信息。AE通過材料局部損傷產(chǎn)生、演化過程中釋放的瞬態(tài)應(yīng)力波來推斷出材料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化和損傷產(chǎn)生的位置。得到的實(shí)時損傷信息來自于損傷本身，因此，可以實(shí)現(xiàn)對炸藥內(nèi)部損傷的無損檢測，且不受構(gòu)件幾何形狀的限制，可在難以接近的情況下進(jìn)行檢測。邱芷葳［33］在PBX上用斷鉛模擬熱微裂紋聲發(fā)射，使用AE技術(shù)開展立體定位實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。圖5中，星標(biāo)代表斷鉛源位置，圓標(biāo)代表計算定位位置。該方法操作簡單，定位快速，但精度不高。由于對特定環(huán)境下炸藥聲發(fā)射應(yīng)力波傳播規(guī)律、聲發(fā)射信號處理、損傷模式識別等方面的研究仍存在不足，運(yùn)用AE技術(shù)準(zhǔn)確掌握PBX炸藥裂紋演變規(guī)律目前仍處于實(shí)驗(yàn)和初步工程應(yīng)用階段。

不同于AE技術(shù)基于聲發(fā)射信號計算得到損傷信息，DIC技術(shù)能夠以圖像形式更直觀且精確地實(shí)時給出炸藥表面的損傷變形情況，實(shí)現(xiàn)非接觸、實(shí)時、無損觀測，常用于定量測量炸藥表面的全場位移、變形與應(yīng)變。DIC自動化程度高、非接觸、精度高且簡便易用，但對圖像質(zhì)量、計算資源要求較高。但是，炸藥試樣表面與內(nèi)部的變形場分布通常差異較大。作為一種光測力學(xué)觀測技術(shù)，無論是2D-DIC還是3D-DIC都只能觀測物體表面的受力和損傷情況［34］。

在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合不同技術(shù)手段進(jìn)行觀測可以更好地監(jiān)測、表征炸藥損傷的產(chǎn)生與演化過程?？梢越Y(jié)合CT與SEM，從宏觀和細(xì)觀尺度上觀測裝藥的損傷特性［35］；或結(jié)合DIC和配有原位加載裝置的SEM，實(shí)時監(jiān)測裂紋的萌生和生長，從細(xì)觀尺度上測量應(yīng)變場［36］。王延珺等［37］結(jié)合X射線微焦點(diǎn)計算機(jī)斷層掃描（μ-CT）技術(shù)和數(shù)字體圖像相關(guān)（DVC）算法，對單軸壓縮加載下TATB基PBX炸藥的三維數(shù)字體圖像進(jìn)行分析，得到樣品內(nèi)部有亞體素精度的三維位移場和應(yīng)變場。該方法能彌補(bǔ)DIC技術(shù)只能觀測二維表面的不足，但目前在含能材料領(lǐng)域應(yīng)用較少。

以上技術(shù)手段基本能夠滿足對炸藥損傷發(fā)展和演化過程的觀測，但更進(jìn)一步的損傷-點(diǎn)火過程具有跨尺度、跨量級的特點(diǎn)。如何對炸藥損傷-點(diǎn)火過程進(jìn)行無損傷、非接觸、高精度的實(shí)時、原位觀測是未來研究的重要方向。對以上幾種常用的損傷的觀測與表征方法進(jìn)行總結(jié)，具體情況如表1所示。

4 損傷-熱點(diǎn)-點(diǎn)火相關(guān)性研究

Bowden等［38］于1952年提出的熱點(diǎn)理論是當(dāng)下普遍認(rèn)同的非均相凝聚炸藥的起爆機(jī)理。

高能炸藥一般為非均相凝聚炸藥，內(nèi)部存在著如氣泡、孔洞、雜質(zhì)、裂紋、間隙、粗結(jié)晶等損傷。優(yōu)化工藝參數(shù)可以有效減少甚至消除雜質(zhì)、粗結(jié)晶等損傷。但孔洞和裂紋損傷作為產(chǎn)生熱點(diǎn)的主要損傷類型，仍難以通過現(xiàn)有的工藝手段有效解決。

基于孔洞和裂紋這2種類型的損傷，介紹損傷與熱點(diǎn)形成的關(guān)聯(lián)機(jī)制及理論模擬研究，最后簡單介紹幾種炸藥在沖擊載荷作用下由熱點(diǎn)到點(diǎn)火起爆的判據(jù)。

4.1 損傷與熱點(diǎn)形成的關(guān)聯(lián)機(jī)制

目前，孔洞類型的損傷形成熱點(diǎn)的機(jī)制有孔洞沖擊塌縮機(jī)制和氣泡絕熱壓縮機(jī)制2種。

孔洞沖擊塌縮機(jī)制認(rèn)為，沖擊波傳入炸藥孔洞處，使炸藥受壓塌縮，周圍炸藥在孔洞中心匯聚；炸藥匯聚產(chǎn)生的內(nèi)能在孔洞中心積累，進(jìn)而形成熱點(diǎn)［39］。該機(jī)制適用于高速沖擊、高黏性、低屈服應(yīng)力的情況。而氣泡絕熱壓縮形成熱點(diǎn)是由于炸藥存在初始損傷，內(nèi)部有氣泡存在。沖擊作用下，氣泡被迅速壓縮，由于比熱低于炸藥材料，氣泡位置溫度更高，進(jìn)而形成熱點(diǎn)［40］。但該機(jī)制只適用于材料壓縮率明顯比沖擊率低并且氣泡尺寸較大的情況。

裂紋類型的損傷形成熱點(diǎn)的機(jī)制有剪切摩擦機(jī)制和裂紋尖端加熱機(jī)制。

剪切摩擦機(jī)制考慮到混合炸藥內(nèi)部孔隙或密度不連續(xù)處在沖擊作用下會迅速發(fā)生塑性形變。沖擊波進(jìn)入炸藥損傷位置后，快速剪切應(yīng)力作用使材料軟化超過加工硬化效應(yīng)，形成剪切帶［41］，剪切帶內(nèi)的摩擦作用產(chǎn)生并積聚熱量，進(jìn)而產(chǎn)生熱點(diǎn)。剪切摩擦機(jī)制尤其適用于顆粒填充聚合物類型的含能材料。裂紋尖端加熱機(jī)制，即炸藥內(nèi)有微裂紋或裂紋形式損傷的部位，在機(jī)械作用下發(fā)生失穩(wěn)、擴(kuò)展現(xiàn)象，裂紋尖端處存在強(qiáng)應(yīng)力場，并產(chǎn)生塑性形變，形成溫度較高且尺寸較大的熱點(diǎn)［42］。對于有一定顆粒尺寸或增強(qiáng)型復(fù)合炸藥，裂紋尖端加熱是一個重要的機(jī)制。但是對于單晶炸藥，裂紋尖端獲得的能量不足以使熱點(diǎn)達(dá)到足夠的溫度和尺寸，因此并不適用。

4.2 熱點(diǎn)理論模擬研究

由于難以制備理想的實(shí)驗(yàn)樣品、難以實(shí)時檢測熱點(diǎn)形成的信息等因素，炸藥熱點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究往往難以開展。因此，一般結(jié)合計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計算方法建立相關(guān)的理想化物理模型，進(jìn)而根據(jù)模型研究熱點(diǎn)形成及發(fā)展的全過程，研究炸藥的起爆機(jī)理。

4.2.1 基于孔洞損傷的物理模型

大量研究表明，孔洞受沖擊塌縮是熱點(diǎn)的主要產(chǎn)生機(jī)制。目前，針對該機(jī)制的研究主要基于Kim等［43］提出的彈黏塑性單球殼塌縮熱點(diǎn)反應(yīng)模型，如圖6所示。該模型考慮了塌縮過程中孔洞周圍出現(xiàn)整體力學(xué)變形的彈性階段和彈塑性轉(zhuǎn)變階段，但沒有考慮到產(chǎn)生力學(xué)變形的具體形式（摩擦、剪切帶、射流等）。

基于這一模型，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量關(guān)于炸藥熱點(diǎn)點(diǎn)火的研究工作。成麗蓉等［44］基于一維黏塑性孔洞塌縮熱點(diǎn)模型，考慮溫度與損傷對炸藥力學(xué)性能的影響，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)生成模型。使用該模型研究復(fù)雜沖擊環(huán)境下孔洞塌縮熱點(diǎn)生成機(jī)理發(fā)現(xiàn)，相比于持續(xù)拉壓，拉伸與壓縮交變作用更容易產(chǎn)生熱點(diǎn)。溫麗晶等［45］在Kim模型的基礎(chǔ)上，考慮黏結(jié)劑的影響，提出彈黏塑性雙球殼塌縮熱點(diǎn)反應(yīng)（DZK）模型。DZK模型能很好地描述孔洞塌縮形成熱點(diǎn)以及點(diǎn)火過程中的初始溫度、壓力和黏結(jié)劑的影響，但難以對多元混合炸藥的沖擊起爆觀測進(jìn)行模擬。對此，Liu等［46］進(jìn)一步提出了多元混合PBX炸藥的孔隙塌縮熱點(diǎn)模型，并建立了細(xì)觀反應(yīng)速率模型。

4.2.2 基于裂紋損傷的物理模型

Dienes等［47］認(rèn)為，臨近裂紋內(nèi)界面的相互摩擦可能是形成熱點(diǎn)最有效的機(jī)制，并提出了統(tǒng)計微裂紋力學(xué)（statistical crack mechanics，SCRAM）模型。SCRAM模型假設(shè)大量不同初始尺寸、不同法向的微裂紋隨機(jī)分布在材料內(nèi)部，且微裂紋的數(shù)量、密度是微裂紋尺寸與法向的函數(shù)。該模型通過概率統(tǒng)計形式將材料細(xì)觀微裂紋演化與宏觀力學(xué)響應(yīng)聯(lián)系起來，是研究含能材料損傷的代表性宏、細(xì)觀損傷本構(gòu)模型，主要用于處理壓裝炸藥等脆性材料的動態(tài)力學(xué)變形、損傷與破碎行為。

Bennett等［48］和Clancy等［49］在SCRAM模型的基礎(chǔ)上使用將黏彈性效應(yīng)與細(xì)觀裂紋損傷耦合的黏彈性統(tǒng)計微裂紋損傷（visco-SCRAM）模型進(jìn)行研究。該模型由一個黏彈性體（由多個Maxwell體并聯(lián)）和一個微裂紋損傷體（由SCRAM模型定義）串聯(lián)而成。如圖7所示，將微裂紋面上的摩擦熱作為炸藥點(diǎn)火的主要熱點(diǎn)機(jī)制，適用于低速碰撞、高速沖擊等動態(tài)加載下PBX炸藥內(nèi)部的損傷演化以及點(diǎn)火響應(yīng)預(yù)測的研究。圖7中，S·ij為visco-SCRAM模型的偏應(yīng)力率；c，ij為微裂紋損傷體的偏應(yīng)變率；ve，ij為黏彈性體的偏應(yīng)變率；Gn和ηn分別為黏彈性體中第n個Maxwell體的彈性組元的剪切模量和黏性組元的阻尼系數(shù)。

成麗蓉等［50］將該模型應(yīng)用于研究戰(zhàn)斗部侵徹過程中裝藥的損傷熱點(diǎn)形成過程，基于Dienes理論將宏觀力學(xué)變形與微裂紋損傷演化耦合，建立黏彈性炸藥本構(gòu)關(guān)系和裂紋滑移摩擦生熱計算細(xì)觀模型，并用該模型分析了不同侵徹條件下裝藥安定性情況和熱點(diǎn)形成機(jī)理。楊昆等［51］進(jìn)一步采用微裂紋-微孔洞力熱化學(xué)耦合細(xì)觀模型，對比分析某壓裝炸藥與某澆注炸藥損傷-點(diǎn)火響應(yīng)的差異性，得到不同時刻2類炸藥微裂紋相關(guān)熱點(diǎn)的演化云圖。研究表明，剪切裂紋熱點(diǎn)和局部剪切塑性耗散機(jī)制分別為壓裝、澆注炸藥的點(diǎn)火主導(dǎo)機(jī)制。

在實(shí)際的凝聚相炸藥中，內(nèi)部并不只有一種損傷形式，熱點(diǎn)的形成原因也不局限于一種機(jī)制。目前建立的有關(guān)熱點(diǎn)形成的物理模型往往只考慮了單一的形成機(jī)制，與實(shí)際情況還存在一定差距。

4.3 炸藥的點(diǎn)火判據(jù)

關(guān)于使炸藥由熱點(diǎn)到起爆的點(diǎn)火判據(jù)（臨界條件）的研究，是聯(lián)系損傷、熱點(diǎn)、點(diǎn)火過程的關(guān)鍵，也是目前熱點(diǎn)理論的重要研究課題?？梢哉J(rèn)為，炸藥的點(diǎn)火判據(jù)是對炸藥開始發(fā)生自維持化學(xué)宏觀反應(yīng)條件的量化，炸藥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的放熱速率大于熱傳導(dǎo)散熱速率，炸藥即可點(diǎn)火［52］。

Walker等［53］基于熱起爆理論，提出pnτ判據(jù)和炸藥起爆臨界能量密度Ec=puτ=C的概念。其中：p為加載面上的壓力；n為臨界起爆常數(shù)；u為沖擊波波陣面上的質(zhì)點(diǎn)速度；τ為脈沖時間；C為常數(shù)。

該判據(jù)是目前應(yīng)用最廣泛的非均質(zhì)炸藥沖擊波起爆判據(jù)，但只適用于理想情況下的一維短脈沖沖擊起爆判定。

James［54］在Walker等研究的基礎(chǔ)上引入能體現(xiàn)沖擊波強(qiáng)度的質(zhì)點(diǎn)比動能Σ=u2/2的概念，表征炸藥內(nèi)部沖擊波波陣面上質(zhì)點(diǎn)的動能，與能量密度分別從微觀和宏觀角度作為判定依據(jù)。該判據(jù)不受壓力范圍的限制，適用范圍更廣。

Welle等［55］提出表征沖擊加載面單位面積的能量輸入速率的功率通量Π=pu的概念，與能量密度E結(jié)合，提出E-Π起爆判據(jù)。功率通量Π本質(zhì)上是能量密度E對脈沖時間τ的導(dǎo)數(shù)。因此，Kim等［56］提出與E-Π判據(jù)在物理模型上等價的Π-τ判據(jù)。在低壓、長脈沖下，該判據(jù)比pnτ判據(jù)更準(zhǔn)確、更接近沖擊起爆的實(shí)際過程。

低速撞擊過程壓力幅值偏低，脈沖時間較長，屬于非沖擊起爆的范疇，起爆機(jī)理與沖擊起爆不同。馬丹竹［57］研究了低速撞擊載荷下炸藥的力學(xué)響應(yīng)和點(diǎn)火過程，提出基于高功率條件下的塑性功點(diǎn)火判據(jù)。該判據(jù)以臨界塑性比功率P0和臨界塑性比能W0作為炸藥低速撞擊下點(diǎn)火的雙重判斷標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)為只有當(dāng)塑性比功率高于某一臨界值后，塑性功才會積累生熱，對局部升溫有貢獻(xiàn)；而局部溫度能否達(dá)到熱爆炸點(diǎn)火閾值則取決于輸入的熱能是否足夠大，即塑性比能是否達(dá)到臨界值。

5 總結(jié)與展望

針對炸藥成型工藝對初始損傷的影響、損傷實(shí)驗(yàn)?zāi)M方式、表征與觀測方法以及損傷-熱點(diǎn)-點(diǎn)火的相關(guān)研究進(jìn)行綜述。經(jīng)過多年的發(fā)展，相關(guān)理論已經(jīng)較為成熟。但隨著要求的提高，新材料、新技術(shù)的不斷發(fā)展，相關(guān)研究仍存在一定的不足。

首先，對炸藥成型工藝的優(yōu)化能有效減少裝藥的初始損傷，獲得綜合性能較好的藥柱，但還存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間，且對新型三代炸藥的損傷-點(diǎn)火特性研究還不夠深入。其次，已有許多實(shí)驗(yàn)方法能夠模擬炸藥損傷的產(chǎn)生、演化過程，但與真實(shí)情況仍存在一定差距，對于某些特定載荷條件也尚無有效手段進(jìn)行模擬。目前的損傷觀測手段能夠?qū)崿F(xiàn)對炸藥損傷、演化過程的高精度、實(shí)時、無損、原位觀測，但無法進(jìn)一步觀測損傷-點(diǎn)火過程，且現(xiàn)有點(diǎn)火反應(yīng)模型只考慮單一形成機(jī)制，無法對這一過程完整、精確地進(jìn)行分析。

結(jié)合目前研究現(xiàn)狀，在未來的研究工作中，建議從以下方面深入展開：

1） 進(jìn)一步優(yōu)化凝聚相炸藥的配方及制造工藝，以降低初始缺陷，獲得更高質(zhì)量的裝藥，并加強(qiáng)對CL-20、HATO、DNTF等新型三代炸藥損傷-點(diǎn)火特性的研究。

2） 以更高效、準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)和科學(xué)的等效模型模擬炸藥的實(shí)際使用工況和損傷。

3） 基于炸藥損傷-點(diǎn)火過程跨尺度、跨量級的特征，發(fā)展非接觸、實(shí)時、高精度觀測技術(shù)。

4） 建立能完整、精確體現(xiàn)炸藥損傷-熱點(diǎn)-點(diǎn)火全過程的多尺度、多場耦合熱點(diǎn)模型，在此基礎(chǔ)上對炸藥的點(diǎn)火起爆機(jī)理進(jìn)行模擬研究。

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收稿日期：2023-08-09

基金項(xiàng)目：國防重大基礎(chǔ)研究專項(xiàng)

第一作者：趙東（2001—），男，碩士研究生，主要從事彈藥動態(tài)力學(xué)響應(yīng)及安全性研究。E-mail：1303214649@qq.com

通信作者：屈可朋（1983—），男，碩士，研究員，主要從事彈藥動態(tài)力學(xué)響應(yīng)及安全性研究。E-mail：155301498@qq.com