黏結劑影響混合炸藥低速撞擊響應敏感性研究

封雪松， 徐洪濤， 田 軒， 趙 娟， 馮 博

（西安近代化學研究所，陜西 西安 710065）

引 言

混合炸藥作為含能復合材料，在制造、運輸、貯存和使用過程中常常會受到機械撞擊作用等外界刺激，有可能引發(fā)燃爆事故。其中，制備混合炸藥所采用的黏結劑體系既起到成型作用，也起到鈍感作用，是影響混合炸藥撞擊感度的重要因素。在炸藥的加工和運輸過程中，所使用的大部分都是大藥量成型藥柱。已有研究表明，藥粉與藥柱的狀態(tài)完全不同，在撞擊作用下的反應方式也不盡一致［1－2］。采用藥粉的低速落錘撞擊安全性不能完全替代成型藥的低速落錘撞擊安全性。撞擊感度是指含能復合材料在外界機械撞擊作用下發(fā)生爆炸的難易程度，低速撞擊響應是衡量炸藥安全性和作用可靠性的重要標準［3］。因此，本論文擬采用新型撞擊感度測試裝置對炸藥藥柱的撞擊感度進行研究，主要研究黏結劑對混合炸藥低速撞擊響應的影響。

1 試驗部分

1.1 樣品制備

采用直接混合工藝制備樣品，實驗樣品由Al粉、RDX、黏結劑按一定比例組成，分別為w（RDX）∶w（Al）∶w（黏結劑）＝75∶20∶5，所用黏結體系分別為EVA、EVA＋DOA、PIB＋DOA、SA。將相同質(zhì)量樣品制成尺寸為Φ20mm×5mm的藥柱，待用。

1.2 藥柱撞擊感度試驗裝置

本試驗采用自行研發(fā)的落錘式撞擊感度裝置測定推進劑試樣的撞擊感度［4］?；鹫ㄋ幩幹矒舾卸仍囼炏到y(tǒng)是研究火炸藥在機械刺激下響應機理的重要手段［5－6］，主要包括4大部分：落錘裝置、控制系統(tǒng)、防爆小室和氣敏檢測系統(tǒng)。落錘撞擊感度測試裝置主要用于測試或計量復合固體推進劑、高能原材料、火炸藥、特種功能助劑及藥漿的落錘撞擊感度，模擬產(chǎn)品在工藝過程受到撞擊引發(fā)爆炸的難易程度，同時也可模擬產(chǎn)品由高處墜落時發(fā)生燃爆的難易程度，是檢測火炸藥安全性的必備裝置。

由于實際應用中撞擊和墜落速度有限，因此本試驗僅限于低速落錘撞擊。

1.3 撞擊感度試驗方法

本方法適用于固體成型火炸藥撞擊感度的測定，其原理是安裝在光滑硬表面與固定粗糙度表面間的試樣，受到相同質(zhì)量、不同落高的落錘依次撞擊作用，觀測連續(xù)3次未反應的最大加載能量，表征試樣的撞擊感度。具體試驗步驟：

1）準備20套撞擊裝置，如第10頁圖1裝配。

2）用10kg重錘從某一落高對試樣進行撞擊。如果在這一高度出現(xiàn)反應，則停止試驗，而在較低的一個落高進行試驗，直到3次試驗均不發(fā)生爆炸為止。如果此次試驗均不發(fā)生爆炸，則增加落高直至出現(xiàn)爆炸。3次試驗均不發(fā)生爆炸的最大落高即為試樣的爆炸下限。如10kg重錘不能刺激樣品發(fā)生反應，則加大錘重。

圖1 落錘撞擊裝置

3）當10kg落錘撞擊感度下限＜600mm時，試驗結果用“＋”表示，認為該物質(zhì)太危險不能以其進行試驗的形式運輸。

1.4 撞擊感度結果判據(jù)

通過氣體分析傳感器將試驗采得的數(shù)據(jù)轉化為電壓與時間的曲線圖，通過觀察曲線是否生成拐點來判斷藥柱在撞擊條件下是否發(fā)生反應。

1.5 造型粉撞擊感度試驗

采用GJB772A－97的方法602.1進行測試，落錘質(zhì)量0.005kg～5.000kg，測試藥量（50±1）mg。通過觀察爆炸聲、發(fā)光、冒煙、試樣變色、與試樣接觸的擊柱表面有痕跡、有分解或爆炸氣體產(chǎn)物的氣味等現(xiàn)象來判定炸藥試樣是否發(fā)生爆炸。

2 結果與分析

2.1 撞擊感度試驗結果

在以往對黏結劑作用的研究基礎上［7］，設計了以RDX為基的含鋁炸藥配方，在RDX／Al質(zhì)量分數(shù)相同的條件下，添加5%的不同黏結劑，采用裝藥尺度為Φ20mm×5mm的藥柱進行試驗，研究混合炸藥組分中的黏結劑對藥柱撞擊感度的影響，得到的結果列于表1。

表1 不同黏結劑炸藥藥柱的撞擊感度

由表1結果可知，以SA（硬脂酸）為黏結劑的炸藥藥柱感度下限最高，黏結劑SA的鈍感效果最好；在黏結劑中加入增塑劑DOA能明顯改善試樣的撞擊感度；PIB與DOA組合的效果優(yōu)于單獨使用EVA。

2.2 落錘低速撞擊過程樣品受力數(shù)值仿真研究

基于ANSYS／LS－DYNA程序的藥柱撞擊過程的數(shù)值仿真，計算模型由落錘、藥柱和底座3部分組成。模擬時，藥柱置于底座上，落錘以10m／s的初始速度撞擊藥柱。計算工況共有2種，即工況1和工況2。2種工況的載荷均相同，區(qū)別僅在于藥柱材料參數(shù)的差異。本文工況1中的藥柱材料參數(shù)用玻璃的黏彈性材料參數(shù)代替，該材料參數(shù)取自ANSYS／LS－DYNA程序自帶的材料參數(shù)數(shù)據(jù)庫，用以模擬實際中藥柱強度較大（未加增塑劑）的情況。工況2藥柱的短時間剪切模量設為工況1短時間剪切模量的十分之一，用以模擬實際中藥柱強度較小（添加增塑劑）的情況。

讀取2個藥柱相同位置處的壓力曲線，如圖2所示?？梢姡菜幹蛙浰幹膭討B(tài)壓力明顯不同，前者存在一個較大的峰值，然后壓力衰減很快；軟藥柱的壓力則呈震蕩形式，震蕩數(shù)次之后才逐漸減小。從峰值壓力看，硬藥柱中的峰值壓力高于軟藥柱。

圖2 藥柱內(nèi)部的壓力曲線

第11頁圖3為2個藥柱撞擊之后的形態(tài)。可見，硬藥柱的變形較小，而軟藥柱的變形較大。根據(jù)計算結果，硬藥柱在0.2ms時間內(nèi)已經(jīng)變形完畢；而軟藥柱的變形所經(jīng)歷的時間要長得多，到1ms之后變形仍在增加。這表明在撞擊過程中，硬藥柱要通過較小的變形吸收較多的能量，其局部的壓縮剪切作用要遠遠強于軟藥柱。

圖3 藥柱最終的變形圖

2.3 結果分析

凝聚態(tài)炸藥的熱點理論認為，炸藥受撞擊時，并不是全部遭受機械作用的物質(zhì)平均受熱，而只是其中的個別部分，如內(nèi)部的空穴、間隙、雜質(zhì)和密度間斷處等，沖擊波在這些地方來回反射和絕熱壓縮，將機械能集中在這些局部區(qū)域，使溫度大大高于平均溫度，從而在這些區(qū)域形成熱點，在熱點范圍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。熱點的形成與添加劑相關的情況主要有炸藥顆粒與沖擊波的相互作用、顆粒間的摩擦。

混合炸藥中黏結劑以填充的方式存在于炸藥顆粒間，起到包覆和黏結成型作用，兼有一定隔離炸藥顆粒、緩沖外界沖擊力的作用；加入DOA等增塑劑后，能夠有效地降低高聚物分子間的相互作用，大大增強了高聚物所包覆的炸藥顆粒之間的流動自由度，同時提高了藥柱的可變形性。分析表1試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在撞擊起爆的過程中，黏結劑EVA、PIB與DOA聯(lián)合使用后的鈍感效果均優(yōu)于EVA單獨使用的效果，這是因為增塑劑產(chǎn)生的潤滑作用減少了炸藥顆粒間的摩擦生熱。硬脂酸（十八烷酸）SA由于熱容高、吸熱效果強，能夠有效地減少熱點生成和傳播；對炸藥顆粒表面有良好的潤滑作用，有效地降低了炸藥晶體間的摩擦，并有助于炸藥的范性流變和黏性流變，減少了提供給熱點點火的能量，鈍感效果最佳。因此，采用硬脂酸、增塑劑與EVA聯(lián)用包覆單質(zhì)炸藥鈍感效果較好。

以上討論均為低速撞擊下炸藥顆粒間的作用。低速撞擊對炸藥藥柱的作用與藥粉間的相互作用有所不同。藥柱在落錘低速撞擊的壓縮作用下，機械能轉化為熱能造成溫度升高。當藥柱內(nèi)部某區(qū)域熱量產(chǎn)生集聚效應時，溫度會在短時間內(nèi)快速升高。當該區(qū)域溫度超過炸藥的爆發(fā)點時，該區(qū)域就存在點火的可能。增塑劑DOA的加入降低了高聚物的剛性，提高了可塑性，使大分子鏈能夠自由轉動，因此炸藥藥柱在落錘低速撞擊的過程中，黏結劑體系能夠消耗落錘的沖擊壓縮力，起到顯著的緩沖作用，使藥柱內(nèi)的熱量積聚降低，減少了點火的可能性。SA的潤滑效果同樣減少了藥柱在受壓縮過程中的摩擦生熱，最終達到鈍感的作用。

從表1特性落高的測試結果可以看出，采用低相對分子質(zhì)量的硬脂酸作黏結劑的炸藥的機械撞擊感度高于用增塑劑增塑的EVA作黏結劑的炸藥，與藥柱的撞擊試驗結果不完全相符。這就印證了一種含能材料的危險性和其所處的狀態(tài)密切相關，狀態(tài)不同，撞擊感度的變化趨勢不盡相同。

3 結論

1）采用不同添加劑對RDX基含鋁炸藥的藥柱進行鈍感，從藥柱低速撞擊的響應敏感性可以看出，采用增塑劑DOA與黏結劑EVA聯(lián)用，藥柱的撞擊感度低于單獨使用EVA黏結劑。

2）采用SA作黏結劑，RDX基含鋁炸藥藥柱的低速撞擊響應最鈍感。

3）將黏結劑與一定比例增塑劑混合使用，能夠降低炸藥藥柱的低速撞擊敏感性。

［1］ 吉田忠雄，田村昌三，和田有司，等.關于含能材料的撞擊與沖擊感度試驗的研究［J］.爆破器材，1999（5）：30－35.

［2］ 王金英，柴濤，張景林，等.PBX傳爆藥撞擊感度影響因素的研究［J］.華北工學院學報，2004，25（4）：289－292.

［3］ 江劍，孔德仁，王昌明，等.基于虛擬儀器的撞擊感度測試系統(tǒng)［J］.火炸藥學報，2005，28（4）：14－17.

［4］ 徐洪濤，孔德仁，胡宏偉，等.火炸藥藥柱撞擊感度試驗裝置及方法［J］.火炸藥學報，2010，33（3）：30－33.

［5］ 江劍，孔德仁，王昌明，等.氣體傳感器在感度測試自動鑒爆中的應用［J］.傳感器技術，2005，24（2）：78－80.

［6］ 潘孝斌，談樂斌，孔德仁.落錘式壓力發(fā)生器氣動控制系統(tǒng)設計［J］.儀器儀表學報，2011，32（1）：235－240.

［7］ 董軍，趙省向，王淑萍，等.不同黏結劑制備的分步壓裝用炸藥對撞擊感度的影響［J］.兵工自動化，2011（5）：74－75.