兩種典型炸藥裝藥的撞擊試驗(yàn)研究

徐洪濤，宋　震，田　軒，趙東奎，封雪松，馮　博，趙　娟

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

兩種典型炸藥裝藥的撞擊試驗(yàn)研究

徐洪濤，宋震，田軒，趙東奎，封雪松，馮博，趙娟

（西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安，710065）

通過(guò)小落錘對(duì)JO-8和B炸藥裝藥進(jìn)行撞擊加載，并對(duì)撞擊過(guò)程和試驗(yàn)后樣品分別進(jìn)行了高速攝影和掃描電鏡分析。撞擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)JO-8炸藥比B炸藥具有更高的抗撞擊能力；高速攝影發(fā)現(xiàn)兩種炸藥裝藥均經(jīng)歷沖擊、塑性流動(dòng)、飛散、反應(yīng)等過(guò)程，裝藥的反應(yīng)發(fā)生在裝藥損傷后；掃描電鏡表明B炸藥在低速撞擊下的損傷模式以界面脫粘、沿晶斷裂為主，JO-8炸藥裝藥則以剪切變形和穿晶斷裂為主。上述研究表明：粘結(jié)劑能夠改善炸藥裝藥的抗撞擊能力，炸藥裝藥工藝決定了炸藥在撞擊加載下的損傷模式。

JO-8炸藥；B炸藥；撞擊感度；晶體損傷；高速攝影

炸藥裝藥在運(yùn)輸、貯存、使用等過(guò)程中可能遇到燃料起火、車上裝載的易燃物品起火等意外火災(zāi)事故，以及機(jī)械刺激、破片撞擊、沖擊波等各種異常事故［1-2］。在這些異常刺激下，炸藥裝藥可能發(fā)生燃燒、爆炸等重大事故，從而造成不可挽回的重大損失。隨著國(guó)外對(duì)武器安全性能的重視程度日益提高，美國(guó)在20世紀(jì)后期陸續(xù)建立了多種撞擊安全性試驗(yàn)方法，如：蘇珊試驗(yàn)、滑道試驗(yàn)、跌落試驗(yàn)、槍擊試驗(yàn)、隔板試驗(yàn)、楔形試驗(yàn)、飛片試驗(yàn)、Spigot試驗(yàn)、Steven試驗(yàn)等。這些試驗(yàn)有效解決了炸藥裝藥在運(yùn)輸、生產(chǎn)、貯存、使用等過(guò)程中的安全評(píng)價(jià)問(wèn)題。小落錘加載試驗(yàn)就是其中的重要手段之一。目前，在炸藥沖擊損傷研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了大量研究［3-8］，國(guó)內(nèi)陳鵬萬(wàn)等人［7］研究PBX炸藥的力學(xué)損傷特性，并依據(jù)聲發(fā)射等手段首先建立炸藥損傷度的概念，在加載手段上主要采用平板低速撞擊試驗(yàn)。

本文采用小落錘試驗(yàn)研究了JO-8和B炸藥裝藥的撞擊感度，并采用高速攝影分析了藥柱的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程，最后結(jié)合掃描電鏡對(duì)試驗(yàn)后樣品進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)表征。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)儀器和裝置

1.1.1小落錘加載試驗(yàn)裝置

本文采用的小落錘質(zhì)量為30kg，落錘有效落高180 cm，落錘高度定位精度為1mm，落錘在同一高度10次落下末速度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于1%。小落錘加載系統(tǒng)包括4個(gè)部分：落錘裝置、撞擊裝置、地下防爆小室和氣敏檢測(cè)裝置，示意圖見(jiàn)圖1。

圖1　小落錘加載試驗(yàn)裝置Fig.1　The impact loading device of the small hammer

圖1中，落錘裝置通過(guò)工控機(jī)或LCD觸摸屏實(shí)現(xiàn)對(duì)落錘的高度、下落和上升過(guò)程的控制；撞擊裝置用于控制藥柱承受撞擊的狀態(tài)、傳導(dǎo)落錘下落產(chǎn)生的能量；防爆小室位于落錘裝置的地下部分，內(nèi)部安裝有撞擊裝置和氣體取樣裝置，是落錘裝置的基座；氣敏檢測(cè)裝置通過(guò)微機(jī)控制對(duì)加載過(guò)程中產(chǎn)生的氣體成分進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

1.1.2高速攝影儀器

采用Photron公司生產(chǎn)的數(shù)字化高速攝影相機(jī)，試驗(yàn)中攝像機(jī)距樣品3m，拍攝速度為12 500fps，曝光速度為2μs，跟蹤整個(gè)試驗(yàn)加載過(guò)程。

1.1.3環(huán)境掃描電鏡

FEI QUANTA600型環(huán)境掃描電鏡（ESEM），美國(guó)FEI公司。實(shí)驗(yàn)采用低真空模式，環(huán)掃電壓為20kV，樣品室壓力為2 600Pa。

1.2試樣制備

采用熔鑄工藝制備B炸藥試樣，采用直接法壓裝工藝制備JO-8炸藥試樣，且試樣尺寸為：20 mm×5 mm，其中JO-8炸藥配方為：wHMX/w粘結(jié)劑=95/5，裝藥密度為1.81g/cm3，B炸藥配方為：wTNT/wRDX=40/60，裝藥密度為1.71g/cm3。

1.3實(shí)驗(yàn)原理及方法

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)照片見(jiàn)圖2，設(shè)計(jì)小落錘撞擊試驗(yàn)裝置如圖3所示。將炸藥片安裝在落錘的下部（見(jiàn)圖2），用控制程序?qū)⒙溴N升至預(yù)定高度，然后釋放落錘，錘體下落后撞擊擊桿，炸藥受到擊桿撞擊擠壓而可能發(fā)生反應(yīng)。通過(guò)高速錄像、超壓傳感器和氣體檢測(cè)裝置來(lái)判斷炸藥是否反應(yīng)及反應(yīng)類型，得到該炸藥裝藥在該刺激下的響應(yīng)情況。

圖2　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布局圖Fig.2　The picture of the experiment scene

圖3　試樣裝配示意圖Fig.3　The assembled sample picture

采用30kg小落錘進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)下限值法獲取炸藥的臨界點(diǎn)火閾值，即一定質(zhì)量的重錘下落撞擊試樣時(shí)不發(fā)生反應(yīng)的最大落高。試驗(yàn)時(shí)當(dāng)在某一高度下試樣發(fā)生反應(yīng)就降低重錘的下落高度，反之則提升，直至某一高度試驗(yàn)3次均不發(fā)生反應(yīng)、而提升高度則發(fā)生反應(yīng)時(shí)為止。最后收集未反應(yīng)的殘余試樣進(jìn)行SEM表征，觀察其微觀結(jié)構(gòu)變化。

2　結(jié)果與討論

2.1小落錘撞擊試驗(yàn)結(jié)果

JO-8炸藥和B炸藥的小落錘撞擊試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　兩種炸藥裝藥的撞擊感度試驗(yàn)結(jié)果Tab.1　Test result of impact performance for the two kinds of charge

由表1可知，JO-8炸藥裝藥的撞擊點(diǎn)火閾值為100cm，B炸藥裝藥的撞擊點(diǎn)火閾值為80cm。由此可見(jiàn)，與B炸藥相比，在落錘低速撞擊加載下，JO-8炸藥裝藥具有更高的抗撞擊能力。

2.2高速攝影記錄結(jié)果

通過(guò)高速攝影相機(jī)記錄兩種炸藥裝藥的落錘加載過(guò)程，結(jié)果見(jiàn)圖4～5。

圖4　B炸藥裝藥在H=100cm時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程Fig.4　The dynamic response course of the composition B (H=100cm)

圖5　JO-8炸藥裝藥在H=120cm時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程Fig.5　The dynamic response course of explosive JO-8(H=120cm)

由圖4可知，當(dāng)落錘撞擊擊桿后，B炸藥因擊桿的下落運(yùn)動(dòng)受到擠壓，見(jiàn)圖4（b），裝藥中心部分形成塑性流動(dòng)并向周圍移動(dòng)，見(jiàn)圖4（c）和4（d），然后裝藥碎裂部分向四周飛散，見(jiàn)圖4（e）和4（f），最后中心殘余裝藥反應(yīng)，見(jiàn)圖4（g）。值得注意的是，盡管氣體傳感器未檢測(cè)到CO2、CO氣體，但試驗(yàn)后空氣中仍有明顯的苦杏仁味。由圖5可知，當(dāng)落錘撞擊擊桿后，JO-8炸藥因擊桿的下落運(yùn)動(dòng)受到擠壓，見(jiàn)圖4（b），裝藥中心部分形成塑性流動(dòng)并向周圍移動(dòng)，見(jiàn)圖4（c）和4（d），然后裝藥碎裂部分向四周飛散，見(jiàn)圖4（e），最后中心殘余裝藥反應(yīng)，見(jiàn)圖4（f）和4（g）。綜上所述，在落錘低速撞擊加載作用下，上述兩種炸藥裝藥均經(jīng)歷沖擊、塑性流動(dòng)、飛散、反應(yīng)等過(guò)程，裝藥的反應(yīng)過(guò)程發(fā)生在裝藥損傷后，且反應(yīng)可能由上下?lián)糁鶖D壓殘余裝藥而引起。

2.3電鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

收集加載試驗(yàn)后的兩種樣品，通過(guò)掃描電鏡分析，得到試樣的損傷形貌結(jié)果，見(jiàn)圖6和圖7。

圖6　B炸藥在H=80cm時(shí)的電鏡圖Fig.6　The SEM of the composition B at H=80cm

圖7 JO-8炸藥在H=100cm時(shí)的電鏡圖Fig.7　The SEM of the explosive JO-8 at H=100cm

圖6為B炸藥裝藥在撞擊加載（H=80cm）后的損傷形貌。撞擊加載除導(dǎo)致顆粒破碎外，還可以觀察到突出的炸藥顆粒和顆粒拔出后留下的凹坑，這表明B炸藥試樣中盡管RDX和TNT炸藥顆粒脆性都比較大，但在低速撞擊下的損傷模式主要以界面脫粘、沿晶斷裂為主，而穿晶斷裂比較少，見(jiàn)圖6（a）、6（d）；炸藥顆粒表面形成了部分孔洞，這表明在低速撞擊加載過(guò)程中形成熱點(diǎn)，并導(dǎo)致炸藥出現(xiàn)局部相變，見(jiàn)圖6（b）、6（d）。

圖7為JO-8炸藥裝藥在撞擊加載（H=100cm）后的損傷形貌，與B炸藥不同，JO-8炸藥的斷口比較平整，顆粒整體拔出的現(xiàn)象較少，穿晶斷裂明顯增多，見(jiàn)圖7（b）。而且在剪切破壞裂紋路徑上觀察到剪切帶，表明在撞擊加載過(guò)程中顆粒發(fā)生了較大的剪切塑性變形，見(jiàn)圖7（c）、7（d），說(shuō)明JO-8炸藥裝藥在低速撞擊加載下的損傷以剪切變形和穿晶斷裂為主。

2.4分析與討論

當(dāng)炸藥裝藥受到低速撞擊時(shí)，在裝藥內(nèi)部形成壓力為幾千巴的壓縮波，該壓縮波由以聲速傳播的彈性波和以較低塑性聲速傳播的塑性波組成[9]，而一般炸藥裝藥的屈服應(yīng)力僅幾十巴，故在撞擊加載作用下，中心裝藥在摩擦、剪切、滑移帶等機(jī)制作用下發(fā)生塑性流動(dòng)，在此過(guò)程中裝藥出現(xiàn)斷裂、滑移、穿晶等不同形式的力學(xué)損傷，具體的損傷模式與裝藥材料及工藝特性有關(guān)。

對(duì)于由熔鑄工藝制備的B炸藥，該炸藥主要利用TNT炸藥的固-液相變特點(diǎn)，當(dāng)熔融的B炸藥澆入模具后，隨著周圍溫度逐漸下降，熔態(tài)TNT原子間的引力逐漸加強(qiáng)，排列逐漸規(guī)則化，同時(shí)與RDX分子中的H、O原子形成氫鍵，作用力較強(qiáng)。由于TNT充當(dāng)粘結(jié)劑作用，因此在相對(duì)較強(qiáng)的應(yīng)力波作用下，B炸藥的力學(xué)損傷形式以TNT晶體的脆性斷裂為主。而JO-8炸藥由于加入少量粘結(jié)劑，粘結(jié)劑與炸藥顆粒緊密接觸，這種微觀結(jié)構(gòu)改善了傳統(tǒng)炸藥的脆性缺陷。粘結(jié)劑保持自身形狀的能力強(qiáng)于炸藥，因此，在應(yīng)力波作用下，JO-8炸藥主要以HMX炸藥晶體剪切變形和穿晶斷裂為主。

3　結(jié)論

（1）對(duì)JO-8炸藥和B炸藥進(jìn)行了撞擊感度試驗(yàn)研究，并對(duì)撞擊過(guò)程和試驗(yàn)后樣品進(jìn)行分析。撞擊感度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：JO-8炸藥比B炸藥具有更高的抗撞擊能力；高速攝影發(fā)現(xiàn)：兩種炸藥裝藥均經(jīng)歷沖擊、塑性流動(dòng)、飛散、反應(yīng)等過(guò)程，裝藥反應(yīng)發(fā)生在裝藥損傷后，且反應(yīng)主要由上下?lián)糁鶖D壓殘余裝藥而引起；微觀分析表明：B炸藥在低速撞擊下的損傷以界面脫粘、沿晶斷裂為主，JO-8炸藥裝藥以剪切變形和穿晶斷裂為主。

（2）兩種炸藥在低速撞擊加載下的力學(xué)損傷特性與裝藥材料及工藝特性有關(guān)，且粘結(jié)劑能夠提升炸藥裝藥的抗撞擊能力。

［1］ Field J E. Hot spot ignition mechanisms for explosives［J］. Acc Chem Res， 1989（25）：489-496.

［2］ Walley S M， Field J E， Palmer. Impact sensitivity of propellants［J］. Proc R Soc Lond，1992（A438）： 571-583.

［3］ 陳鵬萬(wàn)，黃風(fēng)雷.含能材料損傷理論及應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2006．

［4］ Skidmore C B，Phillips D S，crane N B．Microscopical examination of plastic-bonded explosives［J］.Microscope，1997，45（4）：127-136．

［5］ Peterson P D.Fletcher M A，Roemer R L．Influnence of pressing intensity on the microstructure of PBX9501［J］．J Energ Mater，2004（21）：247-260．

［6］ Palmer S J P，F(xiàn)ield J E，Huntley J M．Deformation，strengths and strains to failure of bonded explosives［J］.Pro R Soc Lond A，1993（440）：399-419．

［7］ 陳鵬萬(wàn).高聚物粘結(jié)炸藥的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能［R］.北京：中國(guó)科學(xué)院力學(xué)所，2001．

［8］ 周棟，黃風(fēng)雷，姚惠生．PBX炸藥細(xì)觀損傷的實(shí)驗(yàn)研究［J］．火炸藥學(xué)報(bào)，2007，30（3）：16-18．

［9］ 田軒，王曉峰，南海，等. 撞擊加載下炸藥晶體的破碎特征［J］.火炸藥學(xué)報(bào)，2012，35（1）：27-31.

The Experimental Research on the Impact Safety of the Two Explosive Charges

XU Hong-tao，SONG Zhen，TIAN Xuan，ZHAO Dong-kui，F(xiàn)ENG Xue-song，F(xiàn)ENG Bo，ZHAO Juan
（Xi'an Modern Chemistry Research Institute，Xi'an，710065）

The low-speed impact loading of the charge JO-8 and composition B were researched by the small hammer， the course and the tested sample were analyzed by the high speed photography and SEM respectively. The impact experiment found that the charge JO-8 has much higher anti-impact ability than composition B， the two charges were found to experienced the course of shocking， plastic flowing， flying and reacting through the high speed photography， and the reaction happened after damage. The SEM found that the damage pattern of composition B was focused on the interface debond and rupture across the crystal， and JO-8 was focused on the shear distort and rupture through the crystal. The research suggested that the binder can improve the anti- impact ability of the charge， the damage pattern was depended on the charge techniques.

JO-8 explosive；Composition B；Impact sensibility；Crystal damage；High speed photography

TQ564

A

1003-1480（2015）02-0029-04

2014-09-10

徐洪濤（1982-），男，高級(jí)工程師，從事炸藥裝藥的安全與能量評(píng)估技術(shù)研究。基金項(xiàng)目：2013年火炸藥燃燒國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（9140C350408110C3507）