HMX 顆粒特性對壓裝PBX 蘇珊感度的影響

李玉斌，李金山，向 永，徐瑞娟

（中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽621900）

引 言

蘇珊試驗是一種彈丸撞擊試驗，用于評價裝在彈丸中的炸藥與靶面撞擊時的安全性，對于實際應用時著靶時刻引信仍處于保險狀態(tài)的情況來說，蘇珊感度是一個十分重要的使用安全性項目。因此研究PBX 炸藥在蘇珊撞擊中的響應，對于全面評估炸藥部件的撞擊安全性、指導裝藥與彈體設計，具有實際應用價值。

目前，對炸藥粒度與撞擊感度的關系尚存在不同觀點。Albert Van Der Steen［1］采用蘇珊試驗考察了單質炸藥的粒度與PBX 感度的關系，指出采用細顆粒單質炸藥會降低PBX 炸藥的感度，但未闡明其中的機制。國內(nèi)外研究表明［2-3］，炸藥的感度隨著其粒度的變化盡管存在一定的趨勢性，但并不完全遵循粒度減小、感度升高的規(guī)律。此外，炸藥粒度分布范圍以及分布峰形的差異也會直接影響炸藥的感度［4-6］。

為了進一步從蘇珊撞擊感度角度認清炸藥顆粒特性對撞擊感度的影響規(guī)律，本實驗研究了3種HMX 基PBX 的蘇珊感度，比較了HMX 粒度級配對蘇珊撞擊感度的影響。

1 實 驗

1.1 材 料

C-HMX，工業(yè)級，甘肅銀光化工公司，形狀不規(guī)則，粒度分布較寬，平均粒徑29μm；D-HMX，高品質，由工業(yè)級HMX 經(jīng)重結晶而得，形狀規(guī)整，表面光滑，顆粒分布較窄，平均粒徑分別為20、105μm。HMX 的顆粒特性見圖1和表1。

圖1 C-HMX和細顆粒D-HMX折光光學顯微圖Fig.1 Optical microscopic images with matching refractive index of C-HMX and fine D-HMX

表1 不同HMX 的顆粒特性Table 1 Particle character of several different HMX

1.2 樣品的制備

將HMX、鈍感劑及黏結劑按一定的質量比（94∶6）用溶液水懸浮法制成HMX 基PBX 造型粉（編號見表2）。將造型粉熱壓，制成相對密度為98.5%的藥柱。

表2 HMX 基PBX 中HMX 的顆粒狀態(tài)及力學性能Table 2 HMX particle character and mechanical property of several HMX-based PBX

1.3 感度測試

按照GJB772A-1997 方法610.1 進行。試驗時，將炸藥裝入蘇珊試驗彈中，用炮將彈丸水平發(fā)射出炮口，并在彈丸飛行的正前方3.7m 處垂直豎立一裝甲靶板。試驗過程中可用空氣炮通過調節(jié)大小氣室及充氣壓力來調節(jié)彈丸的發(fā)射速度，可以實現(xiàn)從低速到高速的較大范圍的撞擊測試。

用高速攝影記錄彈丸著靶姿態(tài)以及撞靶后擠壓變形直至點火爆炸的過程；通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測量炸藥爆炸后形成的空氣沖擊波超壓，然后轉換成相對釋放能。根據(jù)測試結果，對藥柱的撞擊感度進行綜合分析評價。

圖2 HMX 晶體品質及顆粒尺寸對PBX 蘇珊感度的影響Fig.2 Influence of crystal quality and particle size of HMX on the Susan sensitivities of HMX-based PBX

2 結果與討論

2.1 HMX 晶體品質對PBX 蘇珊閾值速度的影響

圖2是不同品質、不同顆粒度的HMX 基PBX的蘇珊感度曲線。

從圖2可以看出，由不同品質HMX 晶體制成的PBX，在不同撞擊速度下的感度曲線有明顯差別。由于高品質HMX 晶體內(nèi)部缺陷更少，低速撞擊時產(chǎn)生的熱點少，因而不易引起反應，撞擊的閾值速度較含普通品質HMX 的高。但當撞擊速度增大到一定值后（如120m／s），含高品質HMX 的PBX因顆粒不易破碎而產(chǎn)生大量摩擦生熱，其反應程度大于含普通品質HMX 的PBX。

在蘇珊試驗中炸藥的起爆機理屬于熱點起爆機理，起爆過程可分為點火和爆轟成長兩個階段。對撞擊閾值速度起決定性作用的是點火階段的影響因素［8］。炸藥受撞擊或摩擦時，并不是全部遭受機械作用的物質平均受熱，而只是其中的個別部分，例如炸藥內(nèi)部的空穴、間隙等。外加的機械能集中在這些局部區(qū)域，形成熱點，進而引起周圍炸藥顆粒表面燃燒而釋放能量，燃燒逐漸發(fā)展成為爆轟。顆粒間的摩擦、晶體的缺陷、炸藥塑性流變效應［9-10］等均可能導致熱點的形成。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，普通品質HMX的晶體表面含有較多尖銳棱角，這些區(qū)域具有較高的表面能，性質比較活潑，容易形成導致反應發(fā)生的活性中心［11］，成為炸藥在撞擊作用下的熱點來源；另外，普通品質HMX的晶體密度低于高品質HMX，其顆粒內(nèi)部的缺陷明顯高于后者，這兩方面的因素結合起來，就使得含普通品質HMX 的PBX 炸藥表現(xiàn)出更低的蘇珊撞擊反應閾值。

另一方面，炸藥蘇珊撞擊感度也會受到爆轟成長過程的因素影響而產(chǎn)生不同的反應激烈程度。炸藥顆粒在沖擊波作用下發(fā)生塑性變形的難易對爆轟成長有重要影響。在試驗過程中，彈撞擊靶后，試樣在彈與靶板之間受到強烈的撞擊、摩擦以及粘滯流動等作用，炸藥之間的相對運動距離大，在炸藥的邊緣部位往往會出現(xiàn)很大的剪切變形、剪應力和粘塑性功的耗散，就可能引起剪切起爆，進而成長為爆轟。在較高彈速時，由于高品質HMX顆粒晶體更為完整，藥柱的模量更大，顆粒間更易產(chǎn)生強摩擦和剪切作用，生熱量更大，相應地就更易發(fā)生后續(xù)反應而成長為爆轟。

2.2 HMX 粒度與PBX 蘇珊撞擊響應的關系

一般來說，壓裝PBX 炸藥在其壓制成型過程可能會出現(xiàn)晶體顆粒的破碎，但從回收的晶體粒度分析結果看，含細顆粒的PB-D-J0中HMX 的粒徑分布基本上沒有發(fā)生變化，而含大顆粒的PB-D-J5回收的HMX 的粒度分布變化很小，因此，可認為兩種PBX 中HMX 的顆粒度在成型后沒有變化。

從圖2可以看出，盡管PBX 的配方相同，但HMX 的狀態(tài)差異對蘇珊試驗的結果有一定的影響，顆粒級配的裝藥比細顆粒裝藥的反應程度略小一些，其反應閾值速度（59m／s）也要高于后者（47m／s）。這些差異主要與彈丸中炸藥撞靶時的受力情況有關。撞擊作用會引起炸藥晶體破碎、擠壓，在晶體間形成相當高的應力，而這種應力會在炸藥內(nèi)的缺陷處形成熱點，進一步發(fā)展為劇烈反應。在該過程中，形成高應力的時間即應力形成的延滯期起重要作用。炸藥的粒度不同，在受到摩擦和剪切作用時形成的內(nèi)應力大小和持續(xù)時間也不同。細顆粒晶體因為不易破碎，高應力的持續(xù)作用較長，摩擦形成的熱點一旦形成就易累積發(fā)展為劇烈反應，如PB-D-J0；而粗顆粒的割線模量比細顆粒小約100MPa，因此粗顆粒晶體相對于細顆粒則更易破碎，這會消耗一部分撞擊能量，導致用于摩擦生熱的能量相應就會小一些，如PBD-J5。

PBX 炸藥在撞靶過程中的響應還受到藥柱內(nèi)部空穴大小的影響。藥柱中顆粒間的微小空穴也是形成熱點的主要原因。采用粗細顆粒級配，有利于進一步減小顆粒間空穴的尺寸，使得潛在熱點的尺寸變小。由于熱點大小與爆炸的臨界溫度呈反比，熱點半徑越小，爆炸臨界溫度越高，因此粒度級配炸藥在蘇珊撞擊中的反應閾值速度較全為細顆粒的炸藥更高些，反應的程度也要略低一些。

2.3 撞靶速度與PBX 響應程度的關系

由于蘇珊試驗條件本身的限制，雖然高速攝影能記錄撞靶時刻的變形，但圖像比較模糊，且因反應很快便會發(fā)出亮光與煙霧，因此現(xiàn)有的攝影技術手段幾乎無法分辨出煙霧包裹下的鋁殼及炸藥撞擊變形差異，因而主要依靠反應超壓及殘留炸藥樣品來區(qū)別。從圖2及表3結果看出，在不同彈速下炸藥的反應程度比較復雜。不同狀態(tài)的炸藥在彈速100m／s附近撞靶時的反應程度比較接近，相對釋放能均在25%左右。

表3 3種PBX 炸藥的蘇珊試驗結果Table 3 Results of several PBX in Susan test

不同撞靶速度會產(chǎn)生不同程度的響應，這與試驗彈內(nèi)炸藥的受力狀態(tài)發(fā)生變化有關。當試驗彈撞靶時，其飛行的機械能幾乎全部轉化為內(nèi)能作用在炸藥上，引起炸藥變形、生熱以及后續(xù)反應。撞靶速度越大，作用在炸藥上的能量也越高。

從試驗結果看，可以認為在蘇珊試驗中存在一個撞靶的臨界速度（約100m／s），低于該速度，則撞擊時PBX 將會受到擠壓作用，內(nèi)部產(chǎn)生剪切變形，且擠壓作用的持續(xù)時間較長，彈體的動能一部分被PBX 吸收后使PBX 溫度升高、產(chǎn)生熱點，進而產(chǎn)生化學反應直至出現(xiàn)爆燃或爆轟；在達到該速度后的一段區(qū)間內(nèi)（100～150m／s），撞擊作用產(chǎn)生的高應力使PBX 藥柱迅速破碎，撞擊能量被分散，作用時間很短，PBX 來不及發(fā)生強烈的化學反應，3 種炸藥所產(chǎn)生的超壓值基本在同一水平。而當撞靶速度更高時（約150m／s），彈內(nèi)的PBX 藥柱會迅速被擠出并撞靶，炸藥顆粒間摩擦作用十分強烈，大部分發(fā)生分解反應，產(chǎn)生較高的超壓值。當撞擊速度增大到一定程度后（如120m／s），含高品質HMX的PBX反應程度大于含普通品質HMX 的PBX，分析其原因可能是高品質HMX 基PBX 模量大于普通品質HMX 基PBX，在高速時產(chǎn)生的顆粒間摩擦作用更強，生熱更多，分解反應更強所致，但因目前表征藥柱撞靶變形的手段不足，尚需進一步研究。

3 結 論

（1）壓裝PBX 炸藥的蘇珊撞擊感度與所用炸藥晶體顆粒的品質及粒度有關。使用高品質HMX，可以獲得撞擊閾值速度更高的壓裝HMX 基PBX；適宜的顆粒級配有利于提高PBX 的蘇珊撞擊起爆閾值，降低反應的程度。

（2）蘇珊試驗中存在一個撞靶臨界速度（約100m／s），低于該速度，含高品質HMX 的PBX 反應程度小于含普通品質HMX 的PBX；高于該速度，含高品質HMX 的PBX 反應程度則大于含普通品質HMX 的PBX。

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