PBX炸藥藥片的摩擦感度響應(yīng)特性

代曉淦, 鐘 敏, 鄧 川, 鄭 雪, 文玉史, 黃風(fēng)雷

(1. 中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽 621999; 2. 北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院, 北京 100081)

1 引 言

炸藥在運(yùn)輸、貯存、使用等過程中可能會(huì)發(fā)生燃燒、爆炸等重大事故，造成不可挽回的損失，為此針對(duì)撞擊、摩擦、靜電、熱等作用方式，建立了相應(yīng)試驗(yàn)方法進(jìn)行研究[1]。

摩擦是引發(fā)炸藥反應(yīng)的一個(gè)重要刺激源，現(xiàn)已建立了摩擦系數(shù)測(cè)試[2]、摩擦感度實(shí)驗(yàn)[3]、滑道試驗(yàn)[4]等方法。摩擦感度的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為30 mg粉狀炸藥，主要用于研究炸藥原材料的摩擦感度； 滑道試驗(yàn)用藥量約1 kg，主要用于研究大型炸藥試件的斜撞擊與摩擦共同作用時(shí)的安全性。為了研究克量級(jí)成型炸藥的摩擦安全性，近來化工材料研究所參考美國(guó)IHE標(biāo)準(zhǔn)[5]摩擦感度鑒定試驗(yàn)方法，對(duì)HMX與TATB基炸藥開展了摩擦感度測(cè)試研究，建立了一種小型炸藥試件(藥量約3g)的摩擦安全性試驗(yàn)方法——藥片摩擦感度試驗(yàn)方法[6]。

為了評(píng)價(jià)炸藥在摩擦作用下的安全性，Chidester等[7]研究獲得了LX-04炸藥點(diǎn)火摩擦功約為1.55 J·cm-2，并利用摩擦功計(jì)算預(yù)測(cè)了該炸藥在機(jī)械刺激下的響應(yīng)閾值； 國(guó)內(nèi)孫寶平[8]、林文洲[9]等開展了相關(guān)的理論與計(jì)算研究，采用摩擦生熱的方式數(shù)值計(jì)算分析了炸藥的摩擦點(diǎn)火。目前，由于缺乏諸如摩擦功/功率等的量化數(shù)據(jù)支撐，且滑道試驗(yàn)、摩擦感度試驗(yàn)等標(biāo)準(zhǔn)方法中炸藥的點(diǎn)火機(jī)制有待進(jìn)一步明確，無法校驗(yàn)現(xiàn)行的摩擦生熱引發(fā)炸藥點(diǎn)火的計(jì)算模型[10]，因此需要在克量級(jí)炸藥摩擦感度試驗(yàn)方法基礎(chǔ)上，深入研究成型炸藥的摩擦點(diǎn)火機(jī)制，掌握不同PBX的摩擦響應(yīng)規(guī)律。

為此，本研究采用藥片摩擦感度試驗(yàn)方法，進(jìn)行了PBX在摩擦作用下的安全性研究，估算了兩種炸藥摩擦作用下發(fā)生反應(yīng)的摩擦功閾值，分析了不同炸藥的反應(yīng)程度，對(duì)比了不同摩擦條件下PBX的點(diǎn)火機(jī)制。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 材料

對(duì)PBX-923和PBX-2兩種炸藥開展摩擦作用下的響應(yīng)特性研究，炸藥尺寸均為Ф25 mm×3 mm。其中， PBX-923炸藥[11]主要由RDX、粘結(jié)劑等組成，密度約1.65 g·cm-3，樣品質(zhì)量約為2.4 g； PBX-2炸藥[11]主要由HMX、TATB、粘結(jié)劑等組成，密度約1.85 g·cm-3，樣品質(zhì)量約為2.7 g，兩種炸藥均由中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所提供。

試驗(yàn)過程主要在距離摩擦點(diǎn)約55 cm處用沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量炸藥反應(yīng)超壓，其中，沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)包括CY-YD-202型壓電式壓力傳感器、YE5852型電荷放大器以及PIC4712多通道數(shù)據(jù)采集儀； 采用MEMRECAM GX-1高速錄像機(jī)拍攝摩擦過程，測(cè)量摩擦速度。

2.2 摩擦試驗(yàn)裝置

藥片摩擦感度試驗(yàn)原理與實(shí)物裝置[6]如圖1所示。錘體在預(yù)定高度釋放，下落撞擊滑板，滑板運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)摩擦板摩擦刺激炸藥樣品，樣品受到摩擦作用，可能發(fā)生燃燒、爆炸等不同程度的反應(yīng)。根據(jù)空氣沖擊波超壓、試驗(yàn)回收樣品等綜合評(píng)價(jià)炸藥的摩擦感度。

a. schematic diagram of friction sensitivity test

b. test set-up

圖1藥片摩擦感度試驗(yàn)原理示意圖與實(shí)物裝置

1—水泥基礎(chǔ), 2—滑板, 3—壓頭, 4—活塞桿, 5—?dú)飧?6—支架懸臂, 7—擺繩, 8—錘體, 9—釋放裝置

Fig.1Schematic diagram of friction sensitivity test for explosive tablet and its set-up

1—cement, 2—slider plank, 3—press assembly, 4—piston pole, 5—cylinder, 6—bracket cantilever, 7—cord, 8—drop hammer, 9—release assembly

試驗(yàn)用摩擦組件示意圖如圖2所示。為了研究不同摩擦條件下炸藥的點(diǎn)火機(jī)制，本研究采用了兩種摩擦板：光滑的鋼板和帶噴砂的鋼板(見圖3)。其中，帶噴砂的鋼板是由250～380 μm石英砂用環(huán)氧樹脂粘接于鋼板上制成，簡(jiǎn)稱砂靶。

采用缸徑為Φ200 mm的氣缸通過壓頭對(duì)藥片進(jìn)行壓力加載，通過氣缸壓力調(diào)節(jié)藥片加載力。試驗(yàn)中，將氣缸壓力控制在0.05～0.70 MPa，使加載在藥片上的加載力在1.57～21.99 kN間可調(diào)節(jié)。擺錘下落撞擊滑板，帶動(dòng)滑板及摩擦板以一定速度滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)藥片的摩擦作用。

參照GB 10006-1988塑料薄膜和薄片摩擦系數(shù)測(cè)定方法，測(cè)試得到砂靶與炸藥的摩擦系數(shù)約0.46，光滑鋼板與PBX-2和PBX-923炸藥的摩擦系數(shù)分別為0.26、0.23。

圖2摩擦組件示意圖

1—壓頭, 2—套筒, 3—炸藥, 4—摩擦板, 5—滑板

Fig.2Schematic diagram of friction assembly

1—press assembly, 2—sleeve, 3—explosive, 4—friction board, 5—slider plank

a. slippery steelb. abrasive strap

圖3摩擦板與試驗(yàn)樣品照片

Fig.3Photograph of friction board and sample

3 結(jié)果與分析

3.1 PBX摩擦作用結(jié)果

氣缸壓力0.70 MPa、作用于樣品上的加載力為21.99 kN下兩種PBX與光滑的鋼板摩擦作用后的回收樣品如圖4所示。從圖4可以看出， PBX-923剩余藥片完整，PBX-2剩余藥片出現(xiàn)輕微開裂，兩種炸藥受摩擦作用后，鋼靶上均有明顯摩擦痕跡，無反應(yīng)痕跡，沒有測(cè)到?jīng)_擊波超壓，表明兩種炸藥均未發(fā)生反應(yīng)。

圖5和圖6為不同氣缸壓力加載下兩種PBX與砂靶摩擦作用后的回收樣品。從圖5和圖6可以看出，對(duì)于PBX-2藥片，在0.10 MPa和0.13 MPa氣缸壓力下，摩擦作用過程后炸藥均勻涂在砂靶上，尾端有大量藥粉殘留，表明炸藥未有反應(yīng)； 在氣缸壓力0.20、0.50 MPa下，砂靶上有明顯反應(yīng)痕跡。對(duì)于PBX-923藥片，在0.10 MPa和0.20 MPa氣缸壓力加載下，炸藥均勻涂在砂靶上，仍有剩余藥片； 在0.25 MPa和0.40 MPa氣缸壓力加載下，砂靶表面有燒蝕痕跡，表明PBX-923炸藥發(fā)生了輕微反應(yīng)。

a. PBX-923b. PBX-2

圖4氣缸壓力0.70 MPa時(shí)兩種PBX與光滑鋼板摩擦作用后的回收樣品

Fig.4Recover samples of PBX after friction with slippery steel at chamber pressure of 0.70 MPa

圖5PBX-2炸藥與砂靶摩擦作用后的回收樣品

Fig.5Recovery samples for PBX-2 after friction with the abrasive strap

圖6PBX-923炸藥與砂靶摩擦作用后的回收樣品

Fig.6Recovery samples for PBX-923 after friction with the abrasive strap

表1為炸藥與砂靶摩擦作用的試驗(yàn)結(jié)果。從表1可以看出，同一種樣品在相同的加載力加載下摩擦刺激的響應(yīng)一致，具有很好的重復(fù)性。依據(jù)表1結(jié)果，結(jié)合圖5和圖6可知，PBX-2炸藥所受加載力大于3.14 kN時(shí)均發(fā)生了反應(yīng)，其中， 4.08～9.42 kN時(shí)，發(fā)生了燃燒反應(yīng)， 15.70～21.99 kN時(shí)，發(fā)生了爆燃反應(yīng)； 當(dāng)PBX-2炸藥所受加載力小于3.14 kN時(shí)未反應(yīng)，表明該裝置條件下PBX-2炸藥摩擦反應(yīng)壓力閾值為3.14～4.08 kN。PBX-923所受加載力大于7.85 kN時(shí)都發(fā)生了燃燒反應(yīng)，當(dāng)壓力小于6.28 kN時(shí)未反應(yīng)，表明在該裝置條件下PBX-923炸藥的摩擦反應(yīng)壓力閾值為6.28～7.85 kN。

表1兩種PBX與砂靶摩擦作用的試驗(yàn)結(jié)果

Table1Results of the friction test between explosive and abrasive strap

samplecylinderpressure/MPapressonsample/kNoverpressure/kPareactiondegreePBX?20．7021．999deflagration0．5015．707deflagration0．309．42combustion0．206．28combustion0．154．71nooverpressurecombustion0．134．08combustion0．103．14Noreaction0．051．57NoreactionPBX?9230．7021．990．4012．570．4012．570．309．420．309．420．257．850．206．280．103．14nooverpressurecombustioncombustioncombustioncombustioncombustioncombustionnoreactionnoreaction

3.2 摩擦功閾值估算與機(jī)制分析

由于摩擦作用下炸藥的點(diǎn)火，可假設(shè)主要是由于摩擦功轉(zhuǎn)化為熱量，即摩擦加熱引發(fā)炸藥升溫，使炸藥發(fā)生反應(yīng)。因此，為分析不同摩擦條件下PBX的點(diǎn)火機(jī)制，可通過估算摩擦作用下的摩擦功和摩擦功率，對(duì)比不同邊界條件下摩擦功和摩擦功率的變化，分析其對(duì)點(diǎn)火的影響。

對(duì)任意兩個(gè)給定表面，摩擦力f[12]可近似為：

f=μF

(1)

式中，f為摩擦力，N；μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)；F為加載力，N。

根據(jù)作用功的經(jīng)典計(jì)算公式，摩擦功可近似為：

W=μF·S

(2)

式中，W為摩擦功，J；S為位移，m。

摩擦功率可表示為：

P=dW/dt=μF·ν

(3)

式中，P為摩擦功率，W；W為摩擦功，J；ν為摩擦速度，m·s-1。

由于目前尚無法測(cè)試炸藥具體的反應(yīng)位置，因此，采用全行程(摩擦距離)來代替位移S(取值102 mm)，通過式(2)估算得到炸藥發(fā)生反應(yīng)的摩擦功閾值。由于試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)時(shí)保證摩擦運(yùn)動(dòng)過程速度較為均勻，可簡(jiǎn)單以摩擦全行程平均速度計(jì)算平均摩擦功率。表2為兩種PBX摩擦功和摩擦功率計(jì)算結(jié)果。炸藥與光滑的鋼板摩擦?xí)r，PBX-923炸藥發(fā)生反應(yīng)的摩擦功閾值大于 515.9 J、摩擦功率大于10.12 kW，PBX-2炸藥發(fā)生反應(yīng)的摩擦功閾值大于583.2 J、摩擦功率大于11.44 kW； 炸藥與砂靶摩擦?xí)r，PBX-923炸藥發(fā)生反應(yīng)的摩擦功閾值為294.7～368.3 J、摩擦功率為7.80～9.75 kW，PBX-2炸藥發(fā)生反應(yīng)的摩擦功閾值為147.3～191.5 J、摩擦功率為3.90～5.07 kW。

表2兩種藥片摩擦功和摩擦功率計(jì)算結(jié)果

Table2Friction work and friction power calculated for two PBX in friction test

sampletestconditionpressonsample/kNfrictionvelocity/m·s-1frictionwork/Jfrictionpower/kWreactiondegreePBX?923PBX?2slipperysteel21．992515．910．12noreaction21．992583．211．44noreactionPBX?923PBX?2abrasivestrap6．28～7．852．7294．7～368．37．80～9．75combustion3．14～4．082．7147．3～191．53．90～5．07combustion

從表2可看出，兩種炸藥與鋼板摩擦?xí)r的摩擦功和摩擦功率均顯著高于與砂靶摩擦?xí)r的對(duì)應(yīng)值。從摩擦試驗(yàn)條件可知，炸藥與鋼板摩擦?xí)r，炸藥受力主要為摩擦力作用，而不用考慮砂靶摩擦試驗(yàn)中砂粒剪切作用，可近似為單純的摩擦作用，表現(xiàn)為摩擦功/功率引發(fā)炸藥點(diǎn)火。對(duì)比圖4、圖5與圖6中炸藥與鋼板、砂靶的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)炸藥與砂靶摩擦?xí)r，炸藥受力不僅有摩擦力，還有較強(qiáng)的剪切力，因此，表2中估算的反應(yīng)摩擦功閾值明顯低于炸藥與鋼板摩擦的摩擦功閾值。

PBX-923、PBX-2炸藥與砂靶摩擦?xí)r，發(fā)生反應(yīng)的摩擦功閾值分別約為與光滑的鋼板摩擦?xí)r的一半和1/3，摩擦功率也遠(yuǎn)低于與光滑的鋼板摩擦?xí)r對(duì)應(yīng)值,對(duì)比分析PBX-923、PBX-2兩種炸藥在砂靶、光滑鋼板等不同摩擦條件下的試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，僅以摩擦功/功率難以解釋這一現(xiàn)象，需要從引發(fā)炸藥點(diǎn)火的機(jī)制上進(jìn)行分析。從試驗(yàn)后回收的樣品來看，鋼板摩擦條件下未發(fā)生反應(yīng)的樣品基本完整，僅有少量藥粉散落在靶面上，而砂靶摩擦條件下未發(fā)生反應(yīng)的樣品則大量散落在砂靶上，表明砂靶摩擦?xí)r石英砂對(duì)炸藥有強(qiáng)剪切作用，致使炸藥從藥片表面脫落。因此，炸藥與鋼板摩擦?xí)r光滑表面的摩擦熱(摩擦功及摩擦功率)難以使PBX發(fā)生點(diǎn)火，而炸藥與砂靶摩擦?xí)r炸藥的點(diǎn)火機(jī)制應(yīng)為剪切與摩擦共同作用，其中剪切占主導(dǎo)因素。對(duì)此，我們下一步的工作重點(diǎn)將是結(jié)合具體的點(diǎn)火機(jī)制，研究開發(fā)摩擦引發(fā)的剪切效應(yīng)計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)摩擦作用下PBX響應(yīng)過程的模擬，為評(píng)價(jià)不同邊界條件下裝藥的摩擦點(diǎn)火奠定基礎(chǔ)。

4 小 結(jié)

(1) 在藥片摩擦感度試驗(yàn)中，PBX-2炸藥反應(yīng)程度高于PBX-923炸藥，在炸藥與光滑的鋼板摩擦?xí)r，PBX-923炸藥發(fā)生反應(yīng)的摩擦功閾值大于 515.9 J、摩擦功率大于10.12 kW，PBX-2炸藥發(fā)生反應(yīng)的摩擦功閾值大于583.2 J、摩擦功率大于11.44 kW； 炸藥與砂靶摩擦?xí)r，PBX-923炸藥發(fā)生反應(yīng)的摩擦功閾值為294.7～368.3 J、摩擦功率為7.80～9.75 kW，PBX-2炸藥發(fā)生反應(yīng)的摩擦功閾值為147.3～191.5 J、摩擦功率為3.90～5.07 kW。

(2) 摩擦試驗(yàn)中摩擦作用難以加熱PBX發(fā)生點(diǎn)火，炸藥與砂靶摩擦的點(diǎn)火機(jī)制是剪切與摩擦共同作用，其中剪切占主導(dǎo)因素。

參考文獻(xiàn):

[1] 張寶钅平, 張慶明, 黃風(fēng)雷. 爆轟物理學(xué)[M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 2001: 416.

ZHANG Bao-ping, ZHANG Qing-ming, HUANG Feng-lei. Detonation physics knowledge[M]. Beijing: Enginery Industry Press, 2001: 416.

[2] 溫茂萍, 藍(lán)林鋼, 龐海燕. 高聚物粘結(jié)炸藥及其涂層的摩擦性能[J]. 含能材料, 2010, 18(1): 83-87.

WEN Mao-ping, LAN Lin-gang, PANG Hai-yan. Friction properties of polymer bonded explosives and coatings[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2010, 18(1): 83-87

[3] 胡慶賢. 炸藥摩擦感度測(cè)試方法的討論[J]. 含能材料, 1998, 6(2): 92-96.

HU Qing-xian. Discussion on theexperimental method of explosive friction sensitivity[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao),1998,6(2): 92-96.

[4] GJB 772A-1997. 炸藥試驗(yàn)方法[S]. 國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).

[5] Battelle Memorial Institute. DOE explosive safety manual: pantex version[M]. Battelle Pantex,1999:207, www.directives.doe.gov.[2012]

[6] 鄧川, 申春迎, 樊星, 等. PBX藥片摩擦感度測(cè)試[J]. 火炸藥學(xué)報(bào), 2012, 35(5): 22-24

DENG Chuan, SHEN Chun-ying, FAN Xing, et al. Test on the friction sensitivity of PBX tablet[J].ChineseJournalofExplosives&Propellants, 2012,35(5): 22-24.

[7] Chidester S K, Green L G. A frictional work predictive method for the initiation of solid high explosives from low-pressure impacts[C]∥10thInternational Detonation Symposium, Boston, 1993: 786-792.

[8] 孫寶平, 段卓平, 馬兆芳, 等. 侵徹過程中裝藥摩擦點(diǎn)火數(shù)值模擬[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 32(8): 771-775.

SUN Bao-ping, DUAN Zhuo-ping, MA Zhao-fang, et al. Numericalsimulation on friction ignition of charge during projectile penetration[J].TransactionsofBeijingInstituteofTechnology,2012,32(8): 771-775.

[9] 林文洲, 洪滔. 高能炸藥摩擦感度理論初步研究[J]. 含能材料, 2007, 15(1): 12-15.

LIN Wen-zhou, HONG Tao. Theoretical analysis on friction sensitivity of high explosive[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao),2007,15(1): 12-15.

[10] 孫寶平, 段卓平, 黃風(fēng)雷. 炸藥摩擦點(diǎn)火評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 31(6): 638-642.

SUN Bao-ping, DUAN Zhuo-ping, HUNG Feng-lei. Numerical simulation for assessmental test of friction ignition in solid explosive[J].TransactionsofBeijingInstituteofTechnology, 2011, 31(6): 638-642.

[11] 董海山, 周芬芬. 高能炸藥及相關(guān)物性能[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1989: 357, 301.

DONG Hai-shan, ZHOU Fen-fen. Handbook of properties of explosive and simulates[M]. Beijing: Science Press, 1989: 357, 301.

[12] Blaine W Asay. Non-shock initiation of explosives[M]. Springer, 2010: 538-539.