奧克托今基和太安基兩種炸藥片靜電放電響應(yīng)特性研究

李志鵬，呂子劍，文雯，龍新平，黃毅民

（1.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽621900；2.中國工程物理研究院，四川綿陽621900）

奧克托今基和太安基兩種炸藥片靜電放電響應(yīng)特性研究

李志鵬1，呂子劍1，文雯1，龍新平2，黃毅民1

（1.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽621900；2.中國工程物理研究院，四川綿陽621900）

為研究成型炸藥在靜電放電作用下的響應(yīng)特性，采用JGY-50靜電火花感度儀，建立了可模擬擊穿放電和表面放電兩種放電情形的實驗裝置，對兩種較為典型的奧克托今（HMX）基和太安（PETN）基炸藥片進行了實驗研究。研究發(fā)現(xiàn)：炸藥片對靜電的響應(yīng)主要是熱效應(yīng)和沖擊效應(yīng)相互作用的結(jié)果。對于實驗中偏脆性的HMX基炸藥，靜電的沖擊作用效應(yīng)較為明顯。而對于實驗中偏塑性的PETN基炸藥，靜電的熱作用效應(yīng)更為明顯。在較高靜電放電能量（3.43 J）作用下兩種炸藥片均未發(fā)生爆炸反應(yīng)。分析認為這主要是由于成型炸藥密度較高，且滲透性低，不利于靜電放電能量的耦合以及反應(yīng)后形成對流燃燒，致使反應(yīng)無法自持而最終熄滅。

兵器科學(xué)與技術(shù)；靜電放電；炸藥；熱效應(yīng)

0　引言

炸藥在生產(chǎn)和使用過程中，由于意外的靜電放電刺激而引發(fā)的安全事故并不鮮見［1］。目前，許多與炸藥靜電安全性相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)［2-4］和研究文獻［5-8］均主要以粉粒狀炸藥為研究對象，研究結(jié)果對于指導(dǎo)炸藥粉粒生產(chǎn)及使用過程的靜電安全有重要作用。然而，在彈藥的實際使用過程中，炸藥多是以成型狀態(tài)出現(xiàn)的，雖然一般認為成型狀態(tài)炸藥的靜電安全性要高于其粉粒狀態(tài)，且發(fā)生更高等級反應(yīng)（如燃燒或爆炸）的概率較小，但是成型炸藥在較強烈靜電放電作用下卻很有可能產(chǎn)生潛在損傷（如裂紋或孔洞），對于其進一步使用的安全性和可靠性造成影響。此外，隨著彈藥使用電磁環(huán)境的日益復(fù)雜化，成型炸藥遭受更強烈靜電放電刺激的概率增加，其響應(yīng)特性研究也越來越受到人們的關(guān)注和重視。

在成型炸藥靜電放電響應(yīng)特性研究工作中，含鋁炸藥、固體推進劑等因含有金屬成分易被靜電放電擊穿，引發(fā)安全事故，相關(guān)的研究工作較多［9-11］，而對于不含金屬成分高聚物黏結(jié)炸藥（PBX）的研究文獻還較少，國外開展了一些研究工作。如1989年，Tasker等［12］采用模擬雷擊裝置（20 kV，2.4 MJ）對某奧克托今（HMX）基炸藥進行了靜電放電響應(yīng)實驗，發(fā)現(xiàn)靜電放電會在炸藥中“鉆”出許多小孔。1999年，Buntain等［13］對20kg的PBX-9501炸藥進行了自然雷擊響應(yīng)實驗，雖未發(fā)現(xiàn)炸藥發(fā)生爆炸反應(yīng)，但炸藥件出現(xiàn)了粉碎，炸藥碎塊燒焦和燃燒的痕跡明顯。國內(nèi)相關(guān)的研究工作尚未見文獻報道，然而，研究成型炸藥在靜電放電作用下的響應(yīng)特性，對于認識和評估其實際使用過程中的靜電安全性是不可或缺的。

本研究建立了可模擬擊穿放電和表面放電兩種放電情形的實驗裝置，對兩種較為典型的HMX基和太安（PETN）基炸藥片的靜電放電響應(yīng)特性進行了實驗研究，獲得了炸藥片的靜電放電響應(yīng)特征，并對實驗結(jié)果進行了理論分析。研究工作對于認識成型炸藥的靜電放電響應(yīng)特性以及評估成型炸藥的靜電安全性均有參考作用。

1　實驗裝置及方法

圖1所示為研究炸藥片靜電放電響應(yīng)的實驗系統(tǒng)示意圖。主要包括放電系統(tǒng)和實驗裝置兩部分，其中的靜電放電系統(tǒng)采用JGY-50靜電火花感度儀，充電電容30 500 pF，不串聯(lián)電阻，振蕩火花放電。實驗裝置分為靜電擊穿放電以及在炸藥片表面放電的兩種裝置，實驗時根據(jù)需模擬的不同放電情形選取。

圖1　炸藥片靜電放電響應(yīng)實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system for high-density explosives response to ESD

擊穿放電裝置主要用來研究炸藥片被靜電放電擊穿時的響應(yīng)特性，其為炸藥靜電安全性研究較常用的一種裝置，如圖1所示。炸藥樣品被壓制成直徑10 mm的片狀，由于炸藥樣品的直徑遠大于靜電放電火花直徑，從而保證炸藥樣品的尺寸對實驗結(jié)果不產(chǎn)生影響。將壓制成型的炸藥樣品放置在板電極上，并用透明膠帶密封有機玻璃套的頂部，形成一個相對密閉的空腔。然后用針電極刺穿透明膠帶，針尖直接接觸炸藥樣品表面，對其進行靜電擊穿實驗。由于板電極、有機玻璃套以及透明膠帶之間形成了一個相對密閉的空間，若炸藥發(fā)生較強烈的分解或爆炸反應(yīng)，都會導(dǎo)致密閉空間的壓力升高，從而使密封的透明膠帶發(fā)生破裂。因此，根據(jù)透明膠帶的破裂程度并結(jié)合實驗發(fā)現(xiàn)的火光、冒煙、變色、燃燒等現(xiàn)象可對炸藥片的反應(yīng)程度進行綜合判斷。

表面放電裝置是根據(jù)炸藥部件實際操作和使用過程中可能遇到的另外一種放電情形而設(shè)計的，模擬在炸藥片表面或附近發(fā)生靜電火花放電時對炸藥的影響，主要用來研究炸藥片表面經(jīng)受靜電放電作用時的響應(yīng)特性。如圖1所示，首先在有機玻璃中用兩根平行的放電針組成針-針放電電極，參考相關(guān)文獻［3-4］，電極間距確定為1.5 mm，然后將放電電極貼近炸藥表面固定，進行靜電放電刺激實驗，炸藥片直徑為10 mm.

實驗分別選取了PETN基和HMX基兩種不同類型的炸藥進行研究。PETN基炸藥為一種典型的固化炸藥，由PETN、熱固樹脂組成，熱固樹脂質(zhì)量分數(shù)約為20%.HMX基炸藥為壓制成型，是典型的高能炸藥，由HMX、粘結(jié)劑、鈍感劑等組成，其中粘結(jié)劑質(zhì)量分數(shù)約為4%.每種炸藥樣品數(shù)量均為20發(fā)，其中10發(fā)用于擊穿放電實驗，另外10發(fā)用于表面靜電放電實驗。炸藥樣品在實驗前均在干燥器內(nèi)進行不少于48 h的干燥處理。為確保靜電放電對炸藥片能有效擊穿，實驗時充電電壓取為15 kV，實驗電壓極性為負，根據(jù)公式E=0.5CU2計算得到實驗靜電放電能量約為3.43 J.同時，實驗考慮了靜電放電的累積效應(yīng)，對同一炸藥樣品均進行多次重復(fù)靜電放電刺激，放電時間間隔約2 s.

2　結(jié)果與分析

2.1靜電擊穿放電

表1所示為炸藥片靜電擊穿放電的實驗條件，圖2所示為部分實驗結(jié)果的照片。實驗發(fā)現(xiàn)，被測的20發(fā)炸藥片（PETN基和HMX基炸藥片各10發(fā)）全部被靜電放電擊穿；10次重復(fù)靜電放電刺激后，樣品局部區(qū)域有少量炸藥被靜電放電火花沖碎并發(fā)生反應(yīng)（見圖2所示），密封有機玻璃套的透明膠帶均發(fā)生不同程度的破裂。實驗中偶爾可見電火花點燃被氣流沖碎的炸藥粉末產(chǎn)生亮光，未觀察到炸藥片發(fā)生持續(xù)燃燒或者爆炸反應(yīng)。

表1　炸藥片靜電擊穿放電實驗條件Tab.1 Initial conditions of ESD breakdown

靜電對物質(zhì)的影響，主要是通過能量耦合方式發(fā)生作用，其包含多種作用效應(yīng)，而對于炸藥的刺激主要是熱效應(yīng)。靜電放電產(chǎn)生的熱效應(yīng)是在納秒或微秒量級完成的，是一種絕熱過程，同時由于熱效應(yīng)導(dǎo)致空氣瞬時被加熱到很高的溫度，膨脹產(chǎn)生沖擊波，壓力突升，常有一定的沖擊作用。擊穿實驗裝置中，板電極、有機玻璃套以及透明膠帶之間形成的密閉空間，由于具有一定的體積，僅靜電放電火花熱效應(yīng)導(dǎo)致的氣體膨脹不足以沖破透明膠帶，只有當(dāng)炸藥片反應(yīng)產(chǎn)生足夠氣體后才有可能使透明膠帶破裂。實際上，實驗采用的PETN基炸藥粉末的最小靜電發(fā)火能僅為0.25 J，HMX基炸藥粉末的最小靜電發(fā)火能為0.385 J，而實驗的靜電放電能量約為3.43 J，遠大于兩種炸藥粉末的最小靜電發(fā)火能。雖然實驗樣品為成型的炸藥片，但在靜電放電沖擊作用下可能形成部分炸藥粉末，這部分粉末被靜電放電引燃后會分解或燃燒產(chǎn)生氣體。因此，實驗中偶爾可見電火花點燃被氣流沖碎的炸藥粉末產(chǎn)生的亮光，并且透明膠帶發(fā)生破裂。

圖2　炸藥片靜電擊穿實驗結(jié)果照片F(xiàn)ig.2 Photos of high-density explosive ESD breakdown

此外，由圖2可以看出，相同的靜電放電刺激在PETN基和HMX基炸藥中形成的孔洞卻有很大不同，HMX基炸藥中形成的孔洞大且多為脆性剝離，而PETN基炸藥中形成了像“火山口”一樣的孔洞。其主要原因是因為實驗采用的HMX基炸藥中粘結(jié)劑含量較低（質(zhì)量分數(shù)約4%），且炸藥偏脆性，在靜電放電多次擊穿時炸藥片易被擊碎且被氣流沖走形成明顯坑洞，沖擊效應(yīng)更為明顯；而PETN基炸藥粘結(jié)劑為熱固樹脂，且含量較多（質(zhì)量分數(shù)約20%），同時炸藥偏塑性，在靜電放電擊穿時炸藥片雖不易被擊碎，但更容易受到靜電放電通道中熱量的作用，多達10次的重復(fù)靜電放電刺激后，擊穿孔洞出現(xiàn)熔融狀態(tài)，熱效應(yīng)更為明顯。

2.2靜電表面放電

表2所示為靜電放電對炸藥片表面進行刺激的實驗條件。實驗結(jié)果表明，在靜電放電能量為3.43 J，對每發(fā)樣品40次重復(fù)放電刺激的條件下，被測的20發(fā)炸藥片表面僅局部出現(xiàn)輕微的灼燒反應(yīng)痕跡，實驗未觀察到炸藥片發(fā)生持續(xù)燃燒或者爆炸反應(yīng)，如圖3所示。

表2　炸藥片表面靜電放電實驗條件Tab.2 Initial conditions of ESD on explosive surface

圖3　炸藥片表面靜電放電刺激后的結(jié)果照片F(xiàn)ig.3 Photos of high-density explosives after ESD

在其他實驗條件不變的情況下，進一步提高實驗電壓到20 kV，放電能量6.1 J，并增加每發(fā)炸藥樣品的重復(fù)放電次數(shù)到100次，對2發(fā)HMX基炸藥表面進行高能量靜電放電刺激，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4　HMX基炸藥片表面高能量靜電放電刺激后的結(jié)果照片F(xiàn)ig.4 Photo of HMX-based explosive after high energy ESD

由圖3和圖4可見，炸藥片表面均出現(xiàn)了較為明顯的燒焦痕跡，特別是高能量（6.1 J）靜電放電刺激后，有1發(fā)HMX基炸藥片甚至出現(xiàn)了破裂，炸藥片碎塊端面也有明顯的燒焦反應(yīng)痕跡。靜電火花形成過程中不僅產(chǎn)生高溫，而且由于空氣瞬時被加熱，膨脹產(chǎn)生沖擊波，可能使得炸藥表面的部分炸藥被沖擊剝離出來形成粉末，并在高溫條件下發(fā)生分解反應(yīng)，從而在炸藥表面形成反應(yīng)痕跡。PETN基炸藥由于具有較好的塑性，炸藥粉末不易被沖擊剝離出來，因此形成的反應(yīng)痕跡也就沒有HMX基炸藥那么明顯，但由于實驗采用的PETN基炸藥片厚度較小，靜電放電使其表面還是出現(xiàn)了裂紋。實驗結(jié)果同時也說明，靜電放電對炸藥片的效應(yīng)是沖擊效應(yīng)和熱效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。

2.3炸藥片響應(yīng)結(jié)果分析

從實驗后放電電極的燒蝕情況（見圖5所示）以及與被測炸藥粉末最小靜電點火能的對比分析來看，實驗中采用的靜電刺激能量是較大的（3.43 J），從2.1節(jié)的實驗結(jié)果可知，若炸藥為粉粒狀態(tài)則會發(fā)生分解或燃燒反應(yīng)。但綜合實驗結(jié)果可知，40發(fā)被測炸藥片均未發(fā)生較高級別的燃燒或者爆炸反應(yīng)。究其原因，可主要從靜電放電與炸藥片的能量耦合效率以及靜電放電引燃過程兩方面進行分析。

圖5　放電電極燒蝕痕跡照片F(xiàn)ig.5 Photos of electrode after ESD

首先，靜電火花起爆屬于電擊穿起爆形式。上述擊穿放電實驗中，靜電放電擊穿炸藥形成高能量火花通道。表面放電實驗中，靜電放電沿炸藥表面的空氣擊穿后形成電火花，靜電火花的電能轉(zhuǎn)換成熱能使得藥劑溫度升高，從而發(fā)生分解、燃燒或爆炸反應(yīng)。實驗時采用的靜電放電能量雖大，但由于靜電放電的局部性以及瞬時性，并且藥劑被壓制成一定密度后，和靜電火花的接觸面積較松裝藥劑大為減少，從而導(dǎo)致靜電放電的能量難以和藥劑進行有效耦合，電能轉(zhuǎn)換成的熱能僅有小部分被藥片吸收。

其次，靜電放電對炸藥的引爆過程是一個非常復(fù)雜的過程，一般認為，這一過程是由熱主導(dǎo)，壓力驅(qū)動的一個過程［14］。表面靜電放電時，可能的引爆方式是：藥片的表面先被加熱到臨界溫度發(fā)生爆炸從而引爆整體藥片；擊穿放電時更有可能在藥片局部形成高溫?zé)狳c起爆。實驗中觀察到部分靜電沖擊作用產(chǎn)生的炸藥粉末，由于比表面積較大，與電火花的接觸面積急劇增大，容易被熾熱的電火花點燃發(fā)生反應(yīng)，但是被點燃的炸藥粉末極少且隨氣流處于運動狀態(tài)，很難對炸藥片整體加熱或產(chǎn)生局部熱點，再加上炸藥片約束條件較弱，稀疏波影響大，也難以形成較高壓力驅(qū)動反應(yīng)進行。此外，由于藥片的高密度使得其具有低滲透性，難以形成對流燃燒，即使發(fā)生點火也不利于反應(yīng)的建立和增長，最終導(dǎo)致反應(yīng)熄滅。由此可見，高密度是炸藥片較炸藥粉末靜電安全性高的主要原因。

3　結(jié)論

1）炸藥片對靜電的響應(yīng)主要是靜電熱效應(yīng)和沖擊效應(yīng)相互作用的結(jié)果。對于實驗中偏脆性的HMX基炸藥，靜電的沖擊作用導(dǎo)致炸藥中形成脆性剝離的孔洞。而對于實驗中偏塑性的PETN基炸藥，靜電的熱作用導(dǎo)致炸藥中孔洞出現(xiàn)熔融狀態(tài)。

2）在較高靜電放電能量（3.43 J）作用下HMX基和PETN基兩種炸藥片均未發(fā)生燃燒或爆炸反應(yīng)，分析認為高密度是炸藥片較炸藥粉末靜電安全性高的主要原因。

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Responses of HMX-based and PETN-based Explosives to Electrostatic Discharge

LI Zhi-peng1，LYU Zi-jian1，WEN Wen1，LONG Xin-ping2，HUANG Yi-min1
（1.Institute of Chemical Materials，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，Sichuan，China；2.China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，Sichuan，China）

The responses of high-density HMX-based and PETN-based explosives to electrostatic discharge（ESD）are tested by JGY-50 electrostatic spark tester.Two discharge modes including impenetrating discharge and surface discharge are employed to simulate the different ESD scenarios.The results show that the response of high-density explosives include heat and shock effects.The heat effect of PETN-based explosive and the shock effect of HMX-based explosive dominate under ESDs.No detonation is probably observed because there is less accessible surface area and low permeability of high-density solid explosive allowing little convective burning，and the energy of ESD can not be coupled effectively to highdensity solid explosives.

ordnance science and technology；electrostatic discharge；explosive；heat effect

O381

A

1000-1093（2015）02-0374-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.02.026

2014-04-17

武器裝備預(yù)先研究項目（426010102）

李志鵬（1978—），男，副研究員。E-mail：lzpsunny@sina.com；呂子劍（1966—），男，副研究員。E-mail：zijianlv@gmail.com