疊氮化銅驅(qū)動(dòng)飛片起爆HNS-IV的研究

郭俊峰，曾慶軒，李明愉，李　兵

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疊氮化銅驅(qū)動(dòng)飛片起爆HNS-IV的研究

郭俊峰，曾慶軒，李明愉，李兵

（北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100081）

針對(duì)以疊氮化銅微裝藥為基礎(chǔ)的MEMS起爆傳爆序列，利用數(shù)值模擬的方法研究起爆序列結(jié)構(gòu)對(duì)起爆性能的影響。研究結(jié)果表明：飛片的剪切形狀與文獻(xiàn)結(jié)果相符。在裝藥直徑一定的情況下，隨著裝藥厚度的增加，飛片速度增加；當(dāng)裝藥厚度為0.5mm、裝藥直徑大于0.7mm時(shí)，增加裝藥直徑不能進(jìn)一步增加飛片速度；當(dāng)疊氮化銅的尺寸為Φ0.7mm×0.5mm、加速膛長(zhǎng)度為0.56mm時(shí)，系統(tǒng)能夠起爆HNS-IV炸藥。利用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)擬合得到了HNS-IV炸藥的沖擊起爆判據(jù)，模擬結(jié)果符合HNS-IV的沖擊起爆判據(jù)。

疊氮化銅；沖擊起爆；HNS-IV；數(shù)值模擬；起爆判據(jù)

疊氮化銅具有較高的摩擦和撞擊感度［1］，而基于納米多孔銅“原位”轉(zhuǎn)換為疊氮化銅的技術(shù)［2-3］避免了裝藥和壓藥潛在的危險(xiǎn)性，所制備的微裝藥結(jié)構(gòu)體積小，能夠用電的或機(jī)械的方式起爆，是MEMS引信裝藥的基礎(chǔ)。為了優(yōu)化起爆序列結(jié)構(gòu)，研究疊氮化銅微裝藥結(jié)構(gòu)的沖擊起爆性能有著重要的意義。

HNS-IV由于具有良好的安全性、熱安定性以及沖擊起爆性能，常作為二級(jí)裝藥應(yīng)用于沖擊片雷管和MEMS微裝藥結(jié)構(gòu)中。Schwarz確定了 HNS-SF（ρ＝1.6g/cm3）的沖擊起爆判據(jù) P2.06·τ＞K（0.01μs＜τ＜0.1μs，3.8GPa＜P＜9.8GPa），并確定了7.3GPa的沖擊壓力下 HNS-SF的 GTDD（growth-to-detonation distances）為0.56mm［4］。Bowden等修正了時(shí)間脈沖τ的計(jì)算方法，并結(jié)合Schwarz的計(jì)算結(jié)果擬合得到了HNS的James判據(jù)0.204 2/Σ+0.087 9/E=1［5］。

本文結(jié)合國(guó)外實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果擬合得到了 HNS的沖擊起爆判據(jù)，利用LS-DYNA程序研究了疊氮化銅的裝藥結(jié)構(gòu)對(duì)沖擊起爆HNS-IV炸藥性能的影響，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)HNS-IV的沖擊起爆判據(jù)的合理性進(jìn)行了研究。

1　HNS-IV的起爆判據(jù)

大量的研究表明，許多非均質(zhì)炸藥的沖擊起爆判據(jù)為［6］：

式（1）中：P為沖擊入射壓力，可以通過(guò)飛片速度和厚度來(lái)估算［7］；τ為脈沖持續(xù)時(shí)間，與飛片的形狀和材料有關(guān)；對(duì)于特定的炸藥和壓力范圍而言，n和K為常數(shù)，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。只有當(dāng)Pn·τ＞K時(shí)，炸藥才能夠被沖擊起爆。τ的表達(dá)形式為［5，8］：

式（2）中：df為飛片厚度；up為飛片的質(zhì)點(diǎn)速度；wf為飛片的沖擊波速度；a和b分別為wf——up曲線(xiàn)的截距和斜率；D0為拋射體的直徑；c為炸藥的聲速，其表達(dá)形式為［8］：

式（3）中：w為炸藥的沖擊波速度；u為炸藥的質(zhì)點(diǎn)速度；Γ為Gruneisen系數(shù)，當(dāng)Γ=1時(shí)，能準(zhǔn)確地預(yù)估炸藥聲速；A和B分別為w——u曲線(xiàn)的截距和斜率。表1為幾種常見(jiàn)材料的Hugoniot曲線(xiàn)參數(shù)。

表1　幾種常見(jiàn)材料的Hugoniot曲線(xiàn)參數(shù)Tab.1　Parameters of Hugoniot curve of some common materials

圖1是HNS-IV炸藥的P——τ曲線(xiàn)。本文利用Schwarz和 Bowden的測(cè)試計(jì)算結(jié)果［4-5］擬合得到了HNS-IV 炸藥的沖擊起爆判據(jù)，即 P2.06·τ=1.26 GPa2.06·μs（0.001 6μs＜τ＜0.1μs，3.8GPa＜P＜27.1 GPa），R2為0.989 32。盡管Schwarz和Bowden所采用的HNS的顆粒度略有差異，但是二者利用25μm厚的聚酰亞胺飛片沖擊起爆 HNS時(shí)測(cè)試和計(jì)算結(jié)果誤差在2%～5%。

圖1　HNS-IV炸藥的P——τ曲線(xiàn)Fig.1　Pressure vs duration for HNS explosive

2　數(shù)值仿真模型

本文采用LS-DYNA程序研究了疊氮化銅的裝藥厚度和直徑對(duì)起爆性能的影響。圖2是疊氮化銅微裝藥系統(tǒng)的物理模型。

圖2　疊氮化銅微裝藥系統(tǒng)的物理模型Fig.2　Physical model of micro charge system involving cupric azide

疊氮化銅采用點(diǎn)起爆的方式起爆。疊氮化銅爆轟剪切并驅(qū)動(dòng)飛片通過(guò)加速膛，最終飛片沖擊起爆HNS-IV炸藥。由于該模型是軸對(duì)稱(chēng)模型，可以采用1/2建模來(lái)縮短求解時(shí)間。疊氮化銅作為初級(jí)裝藥，采用高能燃燒模型和JWL狀態(tài)方程。在疊氮化銅藥柱的對(duì)稱(chēng)軸的上端設(shè)置起爆點(diǎn)來(lái)起爆疊氮化銅。疊氮化銅與空氣域采用流固耦合算法。

JWL狀態(tài)方程的表達(dá)形式為［11］：

式（4）中：P為壓力；V是相對(duì)比容；E是單位體積內(nèi)能；A、B、R1、R2、ω為常數(shù)。

空氣采用NULL材料模型和LINEAR_ POLY NOMIAL狀態(tài)方程，線(xiàn)性多項(xiàng)式狀態(tài)方程［11］：

式（5）：μ＝ρ/ρ0－1，C0＝C1＝C2＝C3＝C6=0，C4＝C5＝γ－1，γ為氣體的比熱容。

飛片材料為金屬鈦，加速膛和約束殼體的材料為聚碳酸酯，都采用MAT_POWER_LAW_PLASTICITY材料模型。HNS-IV作為受主炸藥，采用點(diǎn)火增長(zhǎng)模型來(lái)反映炸藥在短脈沖高壓作用下爆轟成長(zhǎng)情況。點(diǎn)火增長(zhǎng)模型由2個(gè)JWL狀態(tài)方程和1個(gè)速率方程構(gòu)成，2個(gè)JWL狀態(tài)方程分別反映了未反應(yīng)區(qū)炸藥和爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)，其速率方程的具體表達(dá)形式為［11］：

式（5）中：I、G1、G2、a、b、c、d、e、g、x、y和z是12個(gè)可調(diào)參數(shù)。疊氮化銅JWL狀態(tài)方程參數(shù)的獲取和驗(yàn)證已經(jīng)在以前工作［12］中論述，HNS-IV的點(diǎn)火與增長(zhǎng)模型的參數(shù)來(lái)源于文獻(xiàn)［9］。

3　數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1疊氮化銅沖擊起爆HNS-IV

圖3為不同時(shí)刻疊氮化銅沖擊起爆HNS-IV炸藥的壓力場(chǎng)圖。

圖3　不同時(shí)刻疊氮化銅沖擊起爆HNS-IV炸藥的壓力場(chǎng)圖Fig.3　Pressure nephogram of HNS-IV explosive initiated by cupric azide at different time

疊氮化銅的密度為2.29g/cm3，尺寸為Φ 0.8mm ×0.5 mm；加速膛和約束殼體的材料都為聚碳酸酯，加速膛的長(zhǎng)度（L）為560 μm；受主炸藥為HNS-IV炸藥，密度為1.60 g/cm3，尺寸為Φ 4mm×4 mm。由于采用點(diǎn)起爆的方式起爆疊氮化銅，形成的爆轟波在疊氮化銅藥柱內(nèi)以球面波的形式傳播，爆轟波陣面率先到達(dá)飛片層中心軸附近，進(jìn)而剪切并形成圓弧狀飛片［13］。數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果相符。

圖4　HNS-IV炸藥不同位置處壓力曲線(xiàn)Fig.4　Pressure curves of HNS-IV explosive in different positions

圖4（a）和圖4（b）分別為Φ 0.8mm×0.3 mm和 Φ 0.8mm×0.5mm的疊氮化銅驅(qū)動(dòng)飛片沖擊起爆HNS-IV藥柱時(shí)HNS-IV不同位置處壓力曲線(xiàn)。從圖4（a）中可以看出，當(dāng)Φ 0.8mm×0.3mm的疊氮化銅驅(qū)動(dòng)飛片沖擊起爆HNS- IV藥柱時(shí)，壓力峰值迅速減小至7GPa附近，說(shuō)明HNS-IV藥柱內(nèi)未能形成穩(wěn)定的爆轟波，Φ 0.8mm×0.3 mm的疊氮化銅驅(qū)動(dòng)飛片未能沖擊起爆HNS-IV；當(dāng)Φ 0.8mm×0.5 mm的疊氮化銅驅(qū)動(dòng)飛片沖擊起爆HNS-IV藥柱時(shí)，壓力峰值先減小后增加最終穩(wěn)定在30GPa附近，說(shuō)明HNS-IV藥柱內(nèi)形成了穩(wěn)定的爆轟波，Φ 0.8mm×0.5 mm的疊氮化銅能夠驅(qū)動(dòng)飛片沖擊起爆HNS-IV。初期壓力場(chǎng)峰值的減小可能是由于受到圓弧狀飛片形成的沖擊波擾動(dòng)的疊加效果的影響。

3.2疊氮化銅的裝藥厚度對(duì)起爆性能的影響

表2是不同裝藥厚度的疊氮化銅微裝藥系統(tǒng)沖擊起爆HNS-IV炸藥的模擬和計(jì)算結(jié)果。疊氮化銅的裝藥直徑選為0.8 mm，裝藥厚度為0.3～0.8 mm；加速膛長(zhǎng)度確定為0.56 mm；飛片材料為金屬鈦，厚度為28 μm；HNS-IV的尺寸為Φ 4mm×4 mm。

表2　不同裝藥厚度的疊氮化銅沖擊起爆HNS-IV炸藥的模擬和計(jì)算結(jié)果Tab.2　Simulation and calculated results of HNS explosive initiated by cupric azide with different charge thickness

從表2中可以看出，疊氮化銅的裝藥厚度過(guò)小會(huì)導(dǎo)致飛片未能達(dá)到閾值速度，飛片撞擊HNS-IV藥柱產(chǎn)生的Pn·τ＜K，最終未能起爆HNS-IV藥柱；隨著疊氮化銅裝藥厚度的增加，飛片速度持續(xù)增加，系統(tǒng)沖擊起爆性能增強(qiáng)；當(dāng)疊氮化銅的裝藥直徑為 0.8 mm、裝藥厚度大于0.5mm時(shí)，HNS-IV能被起爆。

3.3疊氮化銅的裝藥直徑對(duì)起爆性能的影響

表3為不同裝藥直徑的疊氮化銅微裝藥系統(tǒng)沖擊起爆HNS-IV炸藥的模擬和計(jì)算結(jié)果。疊氮化銅的裝藥厚度為0.5mm，直徑為0.4～1.0mm；飛片、加速膛、約束殼體和HNS-IV的材料和尺寸不變。從表3中可以看出，隨著疊氮化銅裝藥直徑的增加，飛片速度先增加后穩(wěn)定在2.61km/s附近，這是由于受到直徑效應(yīng)［6］的影響，當(dāng)疊氮化銅的裝藥直徑大于0.7mm時(shí)，繼續(xù)增加裝藥直徑，飛片速度并不能繼續(xù)增加。當(dāng)疊氮化銅的裝藥直徑大于0.7mm、飛片速度達(dá)到2.61 km/s時(shí)，HNS-IV能被起爆。

表3　不同裝藥直徑的疊氮化銅沖擊起爆HNS-IV炸藥的模擬和計(jì)算結(jié)果Tab.3　Simulation and calculated results of HNS explosive initiated by cupric azide with different charge diameter

3.4HNS-IV沖擊起爆判據(jù)結(jié)果與討論

圖5是HNS-IV沖擊起爆閾值的散點(diǎn)分布圖。當(dāng)P2.06·τ＞1.26 GPa2.06·μs時(shí)，HNS-IV能被沖擊起爆；否則，HNS-IV未能被起爆。從圖5中可以看出，本文的計(jì)算結(jié)果符合利用文獻(xiàn)結(jié)果擬合的HNS-IV沖擊起爆判據(jù)。除了Φ 0.8mm×0.4 mm的疊氮化銅驅(qū)動(dòng)飛片沖擊起爆HNS-IV以外，HNS-IV炸藥的沖擊起爆判據(jù)可以用P2.06·τ=1.26GPa2.06·μs（0.001 6 μs＜τ＜0.1 μs，3.8GPa＜P＜27.1 GPa）來(lái)確定。

圖5　HNS-IV沖擊起爆閾值的散點(diǎn)分布圖Fig.5　Scatter distribution of shock initiation threshold of HNS explosive

4　結(jié)論

（1）數(shù)值模擬中飛片的剪切形狀與實(shí)際情況相符，建立的仿真模型能夠形象地反映疊氮化銅微裝藥起爆序列的作用過(guò)程。（2）在裝藥直徑一定的情況下，隨著裝藥厚度的增加，飛片速度增加；當(dāng)裝藥厚度為0.5 mm、裝藥直徑大于0.7 mm時(shí)，裝藥直徑增加不能進(jìn)一步增加飛片速度；當(dāng)疊氮化銅的尺寸為Φ 0.7mm×0.5 mm，加速膛長(zhǎng)度為0.56 mm時(shí)，系統(tǒng)能夠起爆HNS-IV炸藥。（3）HNS-IV炸藥的沖擊起爆判據(jù)可以用P2.06·τ=1.26GPa2.06·μs（0.001 6μs＜τ＜0.1μs，3.8GPa ＜P＜27.1GPa）來(lái)確定。模擬結(jié)果基本符合HNS-IV炸藥的沖擊起爆判據(jù)。

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Study on HNS-IV Initiated by Flyer Driven by Cupric Azide

GUO Jun-feng， ZENG Qing-xuan， LI Ming-yu， LI Bing
（State Key Laboratory of Explosion Science and Technology， Beijing Institute of Technology，Beijing，100081）

Aimed at MEMS booster train based on micro charge involving cupric azide， numerical simulation method was utilized to study the effect of the structure of booster train on shock-initiation performance. Simulation results indicate that the shear of flyer shape is consistent with literature results. To a certain charge diameter， the flyer velocity is increased as the charge thickness increasing. While the flyer velocity cannot continue to increase with the diameter increasing， when the charge thickness is 0.5 mm and the charge diameter exceeds 0.7mm. When the charge size of cupric azide is Φ 0.7mm×0.5 mm and the length of barrel is 0.56 mm， HNS-IV explosive can be initiated by this system. The shock-initiation criterion of HNS-IV explosive fitted by literature results is determined， which is consistent with the simulation results.

Cupric azide；Shock initiation；HNS-IV；Numerical simulation；Initiation criterion

TJ450.2

A

1003-1480（2015）06-0001-04

2015-09-08

郭俊峰（1989 -），男，博士研究生，主要從事燃燒與爆轟、高等化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。

國(guó)防預(yù)研項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：9140A05070111BQ0107）。