等離子體起爆條件對不敏感含能材料響應(yīng)強度的影響

薛樂星，潘 文，馮 博，封雪松，趙 娟，馮曉軍

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引 言

等離子體起爆技術(shù)是一種基于電爆炸等離子體對炸藥脈沖作用的小藥量炸藥起爆技術(shù)，可以在克量級實現(xiàn)對炸藥的起爆[1]。20世紀(jì)60年代起國內(nèi)外獲得了等離子體放電回路電感、電阻，金屬絲材質(zhì)、規(guī)格，充放電截止時間等參數(shù)對起爆結(jié)果的影響規(guī)律[2-4]，但是起爆能量較低，主要起爆太安等較為敏感的炸藥。近年來，等離子體在火炸藥領(lǐng)域的應(yīng)用再次成為研究熱點。通過采用重頻脈沖等離子體可以降低點火延遲、點火閾值等[5]。水下等離子體起爆技術(shù)可用于油管解堵增采、頁巖氣/煤層氣儲層巖石致裂增效等[6]，獲得了多種高能炸藥的等離子體起爆、能量輸出及沖擊波效應(yīng)參數(shù)[7]。

隨著對炸藥安全性能的提升，不敏感炸藥成為研究重點，新型的不敏感含能材料也在不斷研發(fā)。但是由于不敏感含能材料爆轟增長慢、臨界直徑大，導(dǎo)致在表征不敏感含能材料的爆轟性能時起爆困難及爆轟不完全。

為了提高等離子體對不敏感含能材料的起爆可靠性，并改善小藥量下不敏感含能材料的起爆響應(yīng)強度，本研究通過選擇5種典型不敏感含能材料，獲得等離子體起爆電壓和等離子體與含能材料接觸面積對不敏感含能材料爆轟響應(yīng)強度的影響規(guī)律。

1 實 驗

1.1 實驗樣品

三氨基三硝基苯(TATB)，甘肅銀光化工有限公司；2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)，N-脒基脲二硝酰胺鹽(FOX-12)和1,1′-二羥基-5,5′-聯(lián)四唑二羥胺鹽(HATO)，西安近代化學(xué)研究所。

1.2 實驗裝置

起爆實驗裝置示意圖如圖1所示。等離子體由脈沖功率源對金屬絲放電產(chǎn)生。脈沖功率源電容6μF，起爆電壓15～25kV可調(diào)。金屬絲材質(zhì)為Ni-Cr(質(zhì)量比80∶20)合金，直徑0.3mm。試樣管材質(zhì)為陶瓷管，外徑14mm，內(nèi)徑10mm，長20mm。鋁制見證板尺寸150mm150mm2mm。

圖1 起爆實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of initiation experimental setup

1.3 實驗方法

等離子體起爆條件包括起爆電壓和等離子體與炸藥的接觸面積。起爆電壓通過脈沖功率源直接調(diào)節(jié)，選擇15、20和25kV。等離子體與炸藥的接觸面積通過改變金屬絲形狀調(diào)節(jié)，分為直線形(Z)和螺線形(W)兩種形狀，直線形金屬絲與含能材料接觸面積19mm2，螺線形金屬絲與含能材料的接觸面積為77mm2。所有實驗樣品如表1所示。

研究表明,見證板凹坑深度與爆壓具有線性關(guān)系[8]，本實驗基于該原理以見證板形變量作為不敏感含能材料在等離子體起爆下響應(yīng)強度的判定依據(jù)。

表1 試驗樣品及條件

2 結(jié)果與討論

2.1 等離子體起爆電壓對響應(yīng)強度的影響

TATB的等離子體起爆試驗見證板照片及最大形變量(Δlmax)如圖2所示。

圖2 TATB在不同起爆電壓下的見證板Fig.2 Witness plates of TATB at different initiation voltages

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，在等離子體起爆電壓15kV時，見證板表面殘留了大量TATB粉末，見證板沒有發(fā)生形變。起爆電壓20kV時見證板形變量較小，起爆電壓25kV時，表面殘留的少量粉末出現(xiàn)黑色燒蝕痕跡，見證板形變量明顯增大，達到2.95mm。可見起爆電壓15kV時TATB的響應(yīng)強度較差，見證板不能發(fā)生形變，因此后續(xù)實驗采用20kV和25kV的起爆電壓。

4種不敏感含能材料在不同起爆電壓下見證板照片及最大形變量如圖3所示。

圖3 不同起爆電壓下不敏感含能材料的見證板Fig.3 Witness plates of insensitive explosives initiated at different initiation voltages

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，LLM-105在起爆電壓20kV和25kV下見證板上殘留了大量未反應(yīng)的粉末，見證板最大形變量顯著增加，由0增至6.46mm；起爆電壓增大時FOX-7的未反應(yīng)粉末減少，見證板最大形變量也明顯增加，由4.55mm增至11.77mm；起爆電壓20kV和25kV下HATO的見證板殘留粉末及見證板最大形變量較為接近，分別為3.02mm和4.35mm；FOX-12的起爆響應(yīng)不同，在起爆電壓25kV下的見證板最大形變量(0.98mm)低于20kV(2.85mm)。

未反應(yīng)含能材料的飛散表現(xiàn)為兩種形式，當(dāng)含能材料起爆響應(yīng)較為劇烈時，試樣管快速破碎，未反應(yīng)粉末從四周飛散，起爆響應(yīng)較弱時不能快速炸裂試樣管，阻礙了含能材料從兩側(cè)飛散，此時未反應(yīng)含能材料主要從試樣管口飛散。隨著起爆電壓增大，LLM-105未反應(yīng)粉末由兩側(cè)變?yōu)樗闹芊稚?，見證板形變量增加，表明起爆響應(yīng)強度也隨之增加，同理表明FOX-7和HATO的響應(yīng)強度隨起爆電壓增大而增強，而FOX-12則發(fā)生了減弱。根據(jù)見證板形變量數(shù)據(jù)與爆壓線性相關(guān)的理論，TATB、FOX-7、LLM-105和HATO在25kV等離子體起爆下見證板形變量均高于20kV，表明通過提高等離子體起爆電壓可以改善不敏感含能材料的起爆響應(yīng)強度。

TATB、FOX-7和LLM-105的見證板中殘留的粉末較多，但見證板的最大形變量仍然較大，表明這類含能材料在等離子體起爆時并不依賴其自身的爆轟增長來達到最終的穩(wěn)定爆轟，而主要決定于與等離子體直接接觸的那部分含能材料，強脈沖式的等離子體使得含能材料在小顆粒范圍內(nèi)快速成長到爆轟，而金屬絲外圍的含能材料難以接觸到等離子體或者接收到的等離子體能量已經(jīng)衰減，只能依靠自身在弱作用下的點火增長實現(xiàn)爆轟，導(dǎo)致未反應(yīng)的含能材料飛散并殘留在見證板表面。TATB、FOX-7和LLM-105在更高起爆電壓下等離子體粒子可以對接觸到的含能材料顆粒施加更強的刺激，起爆響應(yīng)也更劇烈。HATO響應(yīng)強度較為穩(wěn)定，主要是因為其爆轟增長較快，在20kV和25kV起爆電壓下可以維持相似的起爆響應(yīng)強度，F(xiàn)OX-12的反常則可能是對等離子體起爆電壓具有最優(yōu)匹配性。

2.2 金屬絲形狀對起爆響應(yīng)強度的影響

直線形等離子體起爆試驗的見證板照片及最大形變量如圖4所示。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，采用直線形等離子體起爆時TATB和LLM-105未反應(yīng)粉末主要分布在試驗管口，見證板只零星分布少量凹痕，見證板形變量分別為0.74mm和2.06mm，對比相同起爆電壓的螺線形金屬絲起爆試驗，見證板最大形變量明顯減?。籉OX-7和HATO殘留的粉末分布在陶瓷殼四周，不同的是FOX-7見證板最大形變量(8.44mm)下降而HATO見證板最大形變量(4.88mm)略有增加；FOX-12在激發(fā)電壓20kV的直線形等離子體作用下未能起爆，見證板沒有發(fā)生形變。

螺線形金屬絲與含能材料的接觸面積是直線形金屬絲的4倍，增大金屬絲與含能材料的接觸面積后可以顯著提高等離子體與不敏感含能材料間的能量交互效率。TATB、LLM-105、FOX-12和FOX-7在直線形等離子體作用下見證板的形變量比同等條件下的螺線形金屬絲等離子體均有較為明顯的下降，表明起爆響應(yīng)強度均降低。HATO見證板形變量略有增加，與螺線形金屬絲試驗結(jié)果相近，表明HATO在等離子體作用下的起爆與其余4種含能材料的機制不同，增大等離子體與HATO的接觸面積并沒有顯著改變響應(yīng)劇烈程度，表明HATO可能主要依靠自身的點火增長實現(xiàn)爆轟，只要高于其等離子體起爆閾值條件，響應(yīng)強度就會較為穩(wěn)定，這與不同起爆電壓下的試驗結(jié)果一致。

2.3 含能材料種類對起爆響應(yīng)強度的影響

根據(jù)見證板最大形變量可以發(fā)現(xiàn)，分子類含能材料TATB、FOX-7和LLM-105具有相似的規(guī)律，等離子體起爆響應(yīng)強度順序為W/25kV> Z/25kV > W/20kV，離子類含能材料HATO起爆響應(yīng)強度較為接近，而同為離子類含能材料的FOX-12則沒有明顯的規(guī)律。在見證板最大形變量的變化方面，通過增加等離子體激發(fā)電壓或增大等離子體與含能材料接觸面積，可以大幅提升TATB、FOX-7和LLM-105的等離子體起爆響應(yīng)強度，HATO在不同試驗條件下響應(yīng)強度較為相近，F(xiàn)OX-12的響應(yīng)強度不足。

等離子體起爆過程與含能材料的性質(zhì)相關(guān)，5種不敏感含能材料的DSC分解溫度、爆熱及爆壓數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 5種不敏感含能材料的分解溫度及爆轟性能數(shù)據(jù)

注：爆熱和爆壓均為EXPLO 5計算數(shù)據(jù)。

LLM-105的DSC分解溫度顯著高于FOX-12和HATO，但其爆轟響應(yīng)強度明顯比后者劇烈，說明起爆過程與分解溫度沒有直接關(guān)聯(lián)，這與等離子體在推進劑中應(yīng)用時可以顯著降低點火閾值及反應(yīng)活化能相符合[14-15]。FOX-12和TATB的爆熱和爆壓均較小，因此見證板形變量也較小。HATO比FOX-7的爆熱和爆壓高，而HATO對見證板的破壞明顯弱于FOX-7，表明二者在等離子體起爆下的響應(yīng)機理存在差別。等離子體的起爆機理與常規(guī)的熱起爆、沖擊起爆不同，等離子體起爆遵循表面化學(xué)作用機制，強電磁環(huán)境及帶電粒子對不同種類不敏感含能材料的反應(yīng)路徑不同，離子類不敏感含能材料由于自身陰陽離子在電場及帶電粒子作用下可能解離形成較為穩(wěn)定的過渡態(tài)，雖然降低了反應(yīng)的活化能，但是釋放的能量卻不足以維持后續(xù)反應(yīng)所需的動力學(xué)條件，只能維持較弱的爆轟狀態(tài)，等離子體屬于脈沖激發(fā)源，持續(xù)時間為微秒量級，缺少連續(xù)激發(fā)能量，因此通過改變等離子體激發(fā)條件難以大幅提高離子類含能材料的響應(yīng)強度。

3 結(jié) 論

(1)增加等離子體起爆電壓可以顯著提高分子類不敏感含能材料FOX-7、LLM-105和TATB的響應(yīng)強度。

(2)增大等離子體與含能材料間的接觸面積，可以提高分子類和離子類不敏感含能材料的起爆響應(yīng)強度。

(3)不同類型含能材料對等離子體起爆條件的敏感性不同，分子類含能材料的起爆響應(yīng)強度對起爆電壓及等離子體與含能材料間相互作用面積敏感，而離子類含能材料對等離子體起爆條件的變化不敏感。