孔隙度對PBX炸藥沖擊起爆影響的實(shí)驗(yàn)研究*

劉海慶，段卓平，白志玲，溫麗晶,2，歐卓成，黃風(fēng)雷

（1. 北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京 100082）

PBX炸藥(polymer bonded explosives)是由主體炸藥(如RDX、HMX、PETN和TATB等)或其混合物與聚合物黏結(jié)劑混合制成的非均質(zhì)固體炸藥，由于其配方的靈活性、成型工藝的便捷性、成型后力學(xué)性能的優(yōu)異性，以及能量和感度的可協(xié)調(diào)性，該炸藥得到了廣泛關(guān)注[1-3]。非均質(zhì)固體炸藥的沖擊起爆過程明顯不同于均質(zhì)炸藥的，歸因于其細(xì)觀非均質(zhì)性[4-5]，而目前對炸藥在細(xì)觀尺度的沖擊響應(yīng)認(rèn)識還不足，探索炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征對其沖擊起爆性能的影響規(guī)律、發(fā)展細(xì)觀反應(yīng)速率模型是當(dāng)前爆轟領(lǐng)域的重要研究方向。

前人開展的炸藥沖擊起爆試驗(yàn)研究，主要通過隔板試驗(yàn)和楔形試驗(yàn)獲得臨界起爆條件或到爆轟距離等宏觀數(shù)據(jù)[6-7]，而通過一維拉格朗日量計測試技術(shù)研究主要關(guān)注的是炸藥本身爆轟成長特性和溫度對炸藥起爆過程的影響[8-9]。近年來大家關(guān)注炸藥細(xì)觀結(jié)構(gòu)對沖擊起爆影響的試驗(yàn)研究，如炸藥組分[10-12]、顆粒度[13]對沖擊起爆的影響，但是孔隙度(密度)對炸藥沖擊起爆爆轟成長過程影響的拉格朗日實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)未見報道。平面加載下一維拉格朗日量計測試技術(shù)，如嵌入式電磁粒子速度計測速技術(shù)[6,14]和錳銅壓阻傳感器測壓技術(shù)[8-9]，是目前記錄炸藥沖擊起爆過程流場信息最直觀有效的手段。目前由于反應(yīng)速率模型大都是壓力的函數(shù)，因此采用流場壓力數(shù)據(jù)來確定反應(yīng)速率模型更直觀合理。

本文中，采用炸藥沖擊起爆錳銅壓阻一維拉格朗日實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[11-12]，測量不同孔隙度(裝藥密度)的PBXC03炸藥沖擊起爆過程中不同拉格朗日位置的壓力變化歷史，獲得孔隙度對PBX炸藥沖擊起爆過程的影響，以期為炸藥檢驗(yàn)反應(yīng)速率模型的合理性、確定反應(yīng)速率模型參數(shù)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

溫麗晶等[11-13]采用炸藥沖擊起爆錳銅壓阻一維拉格朗日實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)(如圖1所示)研究了加載壓力和細(xì)觀結(jié)構(gòu)如顆粒度變化對PBXC03炸藥沖擊起爆過程的影響。為了補(bǔ)充測量炸藥裝藥密度(孔隙度)對其沖擊起爆過程的影響，并盡量減小其他因素帶來的誤差，本文中采用相同的實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)和相同尺寸的加載裝置，其中測試原理及加載裝置尺寸細(xì)節(jié)見文獻(xiàn)[11-13] 。

圖2 PBXC03炸藥樣品Fig. 2 PBXC03 samples

PBXC03炸藥中HMX的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87%，體積分?jǐn)?shù)為85.58%；TATB的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，體積分?jǐn)?shù)為6.76%；黏結(jié)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，體積分?jǐn)?shù)為7.66%；HMX平均顆粒尺寸為20～30 μm(細(xì)顆粒)，TATB 平均顆粒尺寸為 15 μm。PBXC03炸藥低裝藥密度為1.836 g/cm3，中等裝藥密度為1.849 g/cm3，高裝藥密度為1.855 g/cm3。每發(fā)實(shí)驗(yàn)均在炸藥0 mm位置處(與鋁隔板接觸的炸藥表面)放置一個錳銅壓阻傳感器，為了便于對比壓力成長變化，每發(fā)實(shí)驗(yàn)中錳銅傳感器放置位置相同(0、3、6、9 mm)。此外，為維持爆轟壓力測量時間，錳銅壓阻傳感器用聚四氟乙烯薄膜包覆，0 mm位置傳感器使用的薄膜厚度為0.2 mm，其余3個位置傳感器使用的薄膜厚度均為0.1 mm，并使用真空硅脂封裝，裝配細(xì)節(jié)如圖3所示。

圖3 封裝的錳銅壓阻傳感器Fig. 3 Packaged manganin piezoresistive pressure gauges

實(shí)驗(yàn)用H型錳銅壓阻傳感器，傳感器電阻R0=0.1～0.2 Ω，壓阻關(guān)系[15]為：

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場示波器記錄的典型實(shí)驗(yàn)信號，如圖4所示，每條曲線代表一個拉格朗日位置處流場壓力變化歷程，由式(1)即可將圖中電壓信號轉(zhuǎn)化為壓力-時間曲線。

圖4 示波器記錄的典型實(shí)驗(yàn)信號Fig. 4 Typical voltage signals recorded by an oscilloscope

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

圖5為3種孔隙度(裝藥密度)的PBXC03炸藥在同一加載壓力(p0=5.9 GPa)下沖擊起爆過程不同拉格朗日位置的壓力-時間歷史的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。對比不同實(shí)驗(yàn)中0 mm位置的壓力-時間歷史，如圖6所示，作為輸入條件，3條曲線在平臺值階段幾乎重疊(后期壓力成長不同是因?yàn)椴煌目紫抖纫鹫ㄋ幏磻?yīng)速率不同)，表明本文實(shí)驗(yàn)加載條件一致。

圖5 不同孔隙度的PBXC03炸藥沖擊起爆過程的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果Fig. 5 Experimental pressure-time curves of the shock initiation processes of the PBXC03 with different porosities.

沖擊起爆前期，PBXC03炸藥前導(dǎo)沖擊波陣面壓力增長不明顯，因?yàn)樵谳^低的起爆壓力下，炸藥壓縮度小，波陣面附近熱點(diǎn)數(shù)量少，釋能緩慢，熱點(diǎn)點(diǎn)火反應(yīng)在波陣面附近貢獻(xiàn)不大，但波后壓力成長較快，壓力高峰不斷追趕前導(dǎo)沖擊波，最終轉(zhuǎn)為爆轟。

不同孔隙度的PBXC03炸藥前導(dǎo)沖擊波陣面壓力成長歷史和前導(dǎo)沖擊波跡線，如圖7所示，中等密度炸藥前導(dǎo)沖擊波陣面壓力成長最快，波后壓力成長也最快，到爆轟時間最早，低密度炸藥的次之，高密度炸藥的最低?？梢姡诒疚难b藥范圍和加載條件下，裝藥密度對炸藥沖擊起爆爆轟性能的影響不單調(diào)。

圖6 同一加載壓力下不同實(shí)驗(yàn)中PBXC03炸藥0 mm位置的壓力-時間曲線對比Fig. 6 Pressure-time curves at 0 mm of the PBXC03 with different porosities in different experiments under the same loading pressure

圖7 不同孔隙度的PBXC03炸藥前導(dǎo)沖擊波陣面壓力成長歷史和前導(dǎo)沖擊波跡線。Fig. 7 Pressure growth histories on the shock wave front and precursory shock wave trajectories in the PBXC03 with different porosities

在沖擊載荷作用下，炸藥臨界點(diǎn)火溫度Tcr、反應(yīng)熱點(diǎn)的臨界直徑dcr與前導(dǎo)沖擊波陣面壓力pf滿足關(guān)系式[4]：

式中：T0為炸藥初始溫度，K；T1、γ、θ為常數(shù)系數(shù)。可見，在相同外載條件下，反應(yīng)熱點(diǎn)的臨界直徑dcr越小，臨界點(diǎn)火溫度Tcr越高。

目前普遍認(rèn)為，非均質(zhì)固體炸藥的沖擊起爆由熱點(diǎn)點(diǎn)火過程和后續(xù)燃燒反應(yīng)過程共同作用控制。裝藥密度低時，孔隙度大，潛在熱點(diǎn)數(shù)量多或尺寸大，在相同外載條件下，形成的反應(yīng)熱點(diǎn)溫度較低，熱點(diǎn)反應(yīng)區(qū)內(nèi)激發(fā)的化學(xué)反應(yīng)速率慢；而裝藥密度大時，孔隙度小，潛在熱點(diǎn)數(shù)量少或尺寸小，臨界點(diǎn)火溫度較高，但能夠發(fā)生點(diǎn)火反應(yīng)的熱點(diǎn)數(shù)量少，也將導(dǎo)致反應(yīng)速率下降；實(shí)驗(yàn)測得中等密度炸藥反應(yīng)速率最快的現(xiàn)象也可理解，因?yàn)橹械让芏鹊恼ㄋ帩撛跓狳c(diǎn)數(shù)量和尺寸均適中，燃燒拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可達(dá)到最優(yōu)，熱點(diǎn)點(diǎn)火和后續(xù)燃燒速率可達(dá)到最快。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果僅適用于本文裝藥密度范圍和加載壓力范圍。裝藥密度范圍不同，炸藥沖擊起爆過程隨孔隙度變化可能單調(diào)。載荷范圍不同，炸藥沖擊起爆隨孔隙度變化規(guī)律也可能不同。比如，在高壓載荷作用下，炸藥沖擊起爆主要受燃燒反應(yīng)控制，沖擊起爆過程隨著裝藥密度增大而單調(diào)變慢。在后續(xù)工作中將建立合理的細(xì)觀反應(yīng)速率模型進(jìn)行數(shù)值模擬進(jìn)一步證實(shí)。

3 結(jié) 論

采用炸藥沖擊起爆錳銅壓阻一維拉格朗日實(shí)驗(yàn)分析測試系統(tǒng)，獲得了PBXC03炸藥孔隙度(裝藥密度)變化對其沖擊起爆過程的影響：在本文裝藥和加載條件下，孔隙度對PBXC03炸藥沖擊起爆爆轟成長過程的影響不單調(diào)，這是熱點(diǎn)點(diǎn)火過程與燃燒反應(yīng)過程共同作用的結(jié)果。本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可為后續(xù)建立宏細(xì)觀反應(yīng)流模型提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。