典型炸藥藥柱撞擊感度的試驗研究

陳 皓，徐洪濤，鄒洪輝，胡宏偉

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.岳陽地區(qū)軍事代表室，湖南 岳陽 414001)

引 言

炸藥在生產、運輸和使用過程中，不可避免地要遇到機械撞擊等作用，撞擊感度作為表征炸藥安全的一項重要指標，對于炸藥安全性研究具有非常重要的意義[1-3]。目前的撞擊感度測試(低速撞擊條件下)大都是測定毫克量級的粉狀炸藥的感度，然而除了制造和成型過程以外，使用中的炸藥大部分為成型藥柱，由于鈍感炸藥的惰性包覆膜在成型過程中可能被破壞以及成型炸藥結構、尺寸對撞擊能量傳遞的影響等原因，成型藥柱的性質與粉狀炸藥存在較大差異，粉狀炸藥的撞擊感度測試結果并不能完全反映成型藥柱遭受機械撞擊的安全性。

由于成型藥柱與實際應用條件更為接近，為此科研人員采用炸藥藥片或小型藥柱開展了成型藥柱的撞擊感度試驗研究。代曉淦等[4]設計建立了一種炸藥大藥片撞擊感度試驗方法，可進行尺寸規(guī)格為Φ20mm×5mm的大藥片撞擊感度測試，對Tetryl炸藥和JO-9003炸藥進行了實驗。孫業(yè)斌[5]研究了兩端無約束條件下1.5mm厚藥片的撞擊感度，結果表明，在相同溫度和相同裝藥密度條件下，無約束裝藥受到相同能量的撞擊時，其爆炸概率比有約束裝藥增大。但由于炸藥藥片尺寸較小，不能完全反應炸藥尺寸等參數(shù)對成型裝藥撞擊感度的影響，因此，研究人員開發(fā)了較大尺寸的藥柱感度試驗裝置進行撞擊感度試驗及響應規(guī)律研究。徐洪濤等[6]建立了一套新的炸藥藥柱撞擊感度測試系統(tǒng)，對成型炸藥藥柱和不同尺寸的推進劑進行了撞擊試驗，結果表明，此測試系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠可靠測定炸藥藥柱的撞擊感度；藥粉與藥柱由于結構的不同，試驗結果也不完全一致；J. M. Brosse等[7]使用直徑10mm的藥柱放在鋼軸承座的兩個擊柱之間進行實驗，發(fā)現(xiàn)落高和能量的關系曲線與大型蘇珊試驗類似；王淑萍等[8]利用大型撞擊加載裝置對不同直徑的炸藥裝藥進行了模擬實驗，分析了藥柱直徑對其敏感性的影響，為炸藥裝藥發(fā)射安全性研究提供了合適的模擬藥柱尺寸；高立龍等[9]利用400kg落錘加載裝置研究了裝藥成分與工藝對藥柱撞擊感度的影響，結果表明組成相近的配方，藥柱撞擊感度與抗壓強度、成型工藝相關；組成相近的HMX基澆注、壓裝炸藥配方中，藥粒撞擊感度和藥柱撞擊感度都比RDX基炸藥低；澆注類炸藥中加入AP時，藥粒和藥柱撞擊感度會提高，對安全不利，壓裝類炸藥則影響不明顯。

炸藥藥柱的撞擊感度還與藥柱的結構強度(壓縮緩沖)、熱導率(熱傳導散熱)、環(huán)境溫度等有關，但相關研究很少。本研究利用文獻[6]研制的炸藥藥柱撞擊感度試驗裝置，對5～10g量級成型炸藥的撞擊感度特性進行了試驗，以期為炸藥藥柱的安全性能評價提供參考依據。

1 實 驗

1.1 試驗裝置

試驗裝置[6]由落錘裝置、撞擊裝置、地下防爆小室、氣敏檢測裝置、測速系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，試驗裝置示意圖如圖1所示。落錘裝置如圖1(a)所示，落錘質量可在10～35kg之間調節(jié)，調節(jié)步長為5kg，可以自動接錘，防止對試樣產生二次打擊，落錘的高度定位精度1mm，同一高度10次落下末速度的相對標準偏差不大于1%。撞擊裝置由擊砧、上下?lián)糁⑺芰咸坠?、砂紙和擊桿5部分組成，如圖1(b)所示。防爆小室為地下鋼襯混凝土非密封結構，長970mm、寬940mm、高680mm，用厚20mm的鋼板焊接成外襯，能承受10g高能炸藥的爆炸而不破壞。測速系統(tǒng)為兩個紅外探頭，通過測量上擊柱上方9mm距離的自由落體時間，來計算落錘的平均速度。氣敏檢測裝置為高靈敏度的CO2、CO、和NO氣體傳感器，通過對爆炸釋放氣體的濃度變化在線檢測，判別炸藥被激發(fā)后是否發(fā)生反應。

1.2 試驗樣品

試驗樣品全部為壓裝炸藥，Tetryl尺寸為Φ20mm×10mm和Φ20mm×20mm兩種，其他試驗樣品尺寸全部為Φ20mm×10mm，炸藥組成和密度見表1。試驗前樣品需進行干燥處理，在50～60℃環(huán)境中烘干2h，試樣烘干后放入干燥器內，常溫(20℃)下冷卻1～2h后方可使用。

表1 炸藥的組成和密度Table 1 Formulation and density of explosives

炸藥藥柱通過塑料套管安裝在上下?lián)糁g，藥柱和下?lián)糁g墊有一孔徑100μm的砂紙，塑料套管內徑20mm，用于保證上下?lián)糁?、砂紙和試樣同軸。試驗時，將一定質量的落錘上升到預定高度，然后釋放落錘，錘體下落撞擊擊桿，炸藥藥柱受到撞擊擠壓可能發(fā)生爆炸反應，通過氣敏檢測傳感器系統(tǒng)檢測爆炸氣體中CO2、CO和NO氣體，由氣體的濃度變化判斷試驗樣品是否發(fā)生了反應，以撞擊感度下限(H0)表述炸藥藥柱的撞擊感度結果，具體方法參見文獻[6]。

1.3 撞擊感度測試

落錘質量為30kg的條件下，5種炸藥藥柱的撞擊感度測試結果見表2。

表2 5種炸藥藥柱的撞擊感度測試結果Table 2 Testing results of the impact sensitivity of five kinds of explosive grains

注：d為藥柱直徑；h為藥柱高度；t為試驗時炸藥藥柱的溫度，除了JO-8外，其他炸藥試驗時的溫度均為常溫(20℃)。

2 結果與討論

2.1 炸藥種類對藥柱撞擊感度的影響

4種炸藥藥柱的撞擊感度和粉狀炸藥撞擊感度的對比見表3。

表3 4種炸藥藥柱和藥粉的撞擊感度Table 3 Impact sensitivity for four kinds of grains and powder of explosive

注：H50為藥粉的臨界撞擊落高。

由表3可知，4種炸藥藥柱的撞擊感度由高到低依次為：Tetryl、鈍化RDX、TNT和PBX-9502。成型藥柱和粉狀炸藥的撞擊感度趨勢基本一致。

但藥柱和藥粉撞擊感度試驗中所用試驗樣品的物理狀態(tài)、力學和熱力學等性能顯著不同。如炸藥藥柱力學性能會影響機械撞擊能傳遞，熱力學性能會影響炸藥內部熱點能量積聚。目前研究表明[11-12]，炸藥非沖擊點火的原因主要為藥柱破碎產生剪切帶上塑性流動導致的局部摩擦，影響點火的主要因素為炸藥的塑性、沖擊壓力、剪切速率、剪切帶溫度積累等，而藥柱抗壓強度(σd)和熱導率(λ)對炸藥的塑性和剪切帶溫度積累具有重要的影響，因此，結合試驗結果分析了藥柱抗壓強度和熱導率對藥柱撞擊感度的影響。

4種炸藥藥柱的撞擊能、抗壓強度、熱導率和粉狀炸藥的臨界撞擊能見表4。

由表4可知，藥柱的撞擊感度與粉狀炸藥的不同在于其與實際應用條件更為接近，不僅能夠表征炸藥材料自身的安全性能，還能表現(xiàn)藥柱結構性能對撞擊感度的影響，如藥柱的結構強度(緩沖作用)、熱導率(熱傳導作用)等。落錘在撞擊藥柱的過程中，其抗壓強度高，藥柱在受到壓縮作用時保持結構完整性的能力越強，力作用在藥柱上的時間長，其能量傳遞和分散的區(qū)域廣，能量不易集中在局部區(qū)域形成熱點；藥柱抗壓強度低，藥柱受到撞擊后容易破裂向周圍產生高速流動，藥柱內部產生的裂紋和高速摩擦、炸藥與約束殼體的摩擦，都增加了產生熱點形成爆炸的可能性。

表4 藥柱的撞擊能、抗壓強度、熱導率和粉狀炸藥的臨界撞擊能Table 4 Impact energy，compressive strength，thermal conductivity of explosive grain and critical impact energy of powder for explosives

注：E0為藥柱感度下限的撞擊能；E50為粉狀炸藥的臨界撞擊能;σd為藥柱的抗壓強度；λ為藥柱的熱導率。

Tetryl炸藥抗壓強度較高、撞擊能較低，這是因為熱點的形成使炸藥具備了在機械作用下發(fā)生爆炸的基本條件，但是所形成的熱點要有效地引發(fā)材料激烈的化學反應，需要熱點達到炸藥材料發(fā)生爆炸的臨界溫度，在低速撞擊條件下，藥柱受到的撞擊作用過程較長，熱導率會影響炸藥內部的熱積累，粉狀炸藥由于試驗藥量很少，可以忽略熱導率的影響，但藥柱體積較大時，結構的緩沖作用導致撞擊作用過程較長，熱導率大的炸藥，熱點形成過程中向周圍的散熱速度快，不易形成局部熱點，達到爆發(fā)點，熱導率小的炸藥熱量向周圍的擴散速度慢，容易在炸藥中產生熱積累形成熱點，從而引起爆炸。PBX-9502藥柱的撞擊感度與粉狀炸藥的撞擊能相差很小，是由于PBX-9502炸藥的主成分TATB非常鈍感，這種低速撞擊刺激沒有達到其臨界起爆閾值的原因，對于這類特別鈍感的炸藥，應采用蘇珊試驗[1-2]等具有更大刺激能的試驗裝置。

因此，對于不同的炸藥，由于狀態(tài)和物理性質不同，形成熱點引發(fā)激烈化學分解反應的刺激能量也不同。所以，藥柱的機械感度應該由原材料性質和藥柱的物理性質兩個方面來決定。

2.2 試樣高度對藥柱撞擊感度的影響

直徑為20mm時，兩種不同高度Tetryl藥柱的撞擊感度和撞擊能見表5。

表5 兩種不同高度Tetryl藥柱的撞擊感度和撞擊能Table 5 Impact sensitivity and impact energy for two kinds of Tetryl explosive grains with different heights

由表5可知，隨著藥柱高度的增加，炸藥的感度下限增加，這是因為藥柱加長后受到的緩沖增強的原因。藥柱的撞擊感度表征的是其在特定結構狀態(tài)的感度，如不同高度的藥柱其撞擊能的閾值是不同的，有時會表現(xiàn)出與藥粉不一致的試驗結果[9]。因此，裝藥尺寸或結構對其撞擊感度具有顯著的影響，只有在相同試驗條件和樣品狀態(tài)下進行藥柱的撞擊感度試驗，才能得到可供比較的試驗結果。

2.3 試樣溫度對藥柱撞擊感度的影響

JO-8炸藥藥柱在-40℃和70℃兩種溫度下的撞擊感度和撞擊能見表6。

表6 兩種溫度條件下JO-8藥柱的撞擊感度和撞擊能Table 6 Impact sensitivity and impact energy of JO-8 grain under high and low temperature conditions

由表6可知，高溫(70℃)時JO-8藥柱的撞擊感度要小于低溫(-45℃)時的撞擊感度，與炸藥溫度高更容易達到熱點產生爆炸的傳統(tǒng)認識相反，這是由于JO-8炸藥中含有68號石蠟，石蠟在高溫時發(fā)生熔化，增強了炸藥的塑性，使炸藥顆粒表面有良好的包覆和潤滑作用，有效地降低了炸藥晶體間的摩擦，減少了提供給熱點點火的能量，導致其藥柱撞擊感度降低。

3 結 論

(1)成型藥柱和粉狀炸藥的機械撞擊感度的趨勢基本一致，但成型藥柱的撞擊能要明顯大于粉狀炸藥，藥柱的機械感度由原材料性質和藥柱的物理性質兩個方面來決定。

(2)隨著炸藥藥柱高度的增加，炸藥的感度下限增加，不同大小和結構的藥柱其撞擊能的閾值不同。

(3)JO-8炸藥藥柱在高溫(70℃)條件下的撞擊感度要低于低溫(-45℃)條件下，表明溫度對炸藥藥柱的撞擊感度有顯著影響。

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