射頻電磁作用下炸藥安全性研究進展

杜 斌，姚洪志，趙鳳起，趙 團，楊 帆

(1.西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安 710062；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安 710061；3.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引言

射頻電磁場(頻率100KHz～300GHz的電磁場)識別技術(shù)(Radio Frequency Identification，RFID)是近年來發(fā)展起來的一種利用電磁場對目標物體進行識別的新型生產(chǎn)管理技術(shù)。其原理是通過發(fā)射源向目標物體發(fā)射一定頻率的電磁波，電磁波通過鑲嵌在目標物體表面或內(nèi)部的電子標簽做出響應(yīng)，從而將目標物體的信息方便、快捷地記錄下來。RFID技術(shù)已經(jīng)在許多生產(chǎn)領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用。若能在炸藥的生產(chǎn)、貯存、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)推廣使用RFID技術(shù)，將會大大提高對炸藥的管理效率和管理能力。

在民用炸藥領(lǐng)域中，已有團隊設(shè)計出使用射頻電磁技術(shù)監(jiān)管炸藥的監(jiān)控系統(tǒng)，然而該技術(shù)遇到了瓶頸：使用射頻電磁場可能會引發(fā)炸藥的爆炸事故或者改變炸藥的使用性能，從而使得該技術(shù)難以得到推廣。在軍事領(lǐng)域中，隨著雷達、電磁彈、電磁脈沖武器、激光武器的飛速發(fā)展，各類武器彈藥面臨復(fù)雜電磁環(huán)境和電子攻擊的危險，以及高功率電磁波、激光等定向能武器的非對稱打擊風(fēng)險。已有機構(gòu)提出了“安全彈藥”的概念[1],并將電磁能量作為一種意外刺激明確列出[2]。因此，研究炸藥在射頻電磁場作用下的安全性具有重要的民用價值和軍事意義。

在現(xiàn)有的炸藥感度理論中，常見的炸藥感度包括熱感度、火焰感度、撞擊感度、針刺感度、摩擦感度、慣性力感度、沖擊波感度、靜電感度等。只要有足夠的場強和能量，射頻電磁場也可引發(fā)炸藥爆炸[3]，引起炸藥爆炸的最小射頻電磁能量可定義為炸藥的射頻敏感度。炸藥的感度理論目前缺乏射頻感度的內(nèi)容，盡管炸藥的射頻敏感度可能很高，但感度理論應(yīng)該包括射頻敏感度方面的內(nèi)容。本研究綜述了射頻技術(shù)在監(jiān)控火炸藥中的應(yīng)用情況，定義了射頻電磁敏感度，分析了射頻電磁場中炸藥產(chǎn)生熱點的可能性。

1 射頻技術(shù)在監(jiān)控火炸藥中的應(yīng)用

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，使用射頻技術(shù)監(jiān)控火炸藥的設(shè)想始于21世紀初[4-5]，該設(shè)想引起了各方研究人員的重視[6-7]。張蕊等[8]設(shè)計開發(fā)了一套炸藥信息識別系統(tǒng)，其工作原理為：通過射頻識別閱讀器發(fā)射電磁能量，附著在炸藥包裝材料上的耦合元件做出應(yīng)答和數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)炸藥的智能監(jiān)控，如圖1所示。

圖1 炸藥信息識別系統(tǒng)工作原理圖

該系統(tǒng)與庫房監(jiān)控系統(tǒng)、運輸監(jiān)控系統(tǒng)融合可形成智能監(jiān)控平臺，如圖2所示。

圖2 炸藥智能倉儲及運輸管理系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)開發(fā)成功后遇到了推廣應(yīng)用的困難，主要是因為炸藥在受到電磁輻射后其部分性能發(fā)生了改變，從而使得監(jiān)管層在推廣該技術(shù)時非常謹慎。

2 射頻電磁場對炸藥能量的影響

在射頻電磁場作用于炸藥時，炸藥可從空間吸收一定的電磁能量。寬帶電磁感應(yīng)傳感器(WEMI)揭示了炸藥分子與射頻電磁的相互作用[9]。在一定的照射強度和作用時間下，電磁能量可在炸藥內(nèi)部積累，并轉(zhuǎn)化成熱能[10]。炸藥反應(yīng)進程和反應(yīng)行為方式[11]隨著電磁能量的注入[12]會發(fā)生變化。炸藥被射頻電磁能量加熱是不均勻的過程[13]，從而在其內(nèi)部形成一定的溫度梯度[14]，如圖3所示。

圖3 輻照時炸藥絕對溫度變化圖

CRANE C A等[15]發(fā)現(xiàn)把鋁粉、石墨及Fe2O3加入炸藥中可以將炸藥吸收電磁場能量的吸收效率提高10%。利用碳基聚合物能夠改變TNT炸藥的感度[16]。FORBES T P等[17]使用電流聚焦分析儀(Desorption electro-flow focusing ionization，DEFFI)可以獲得RDX受射頻照射時的信號輸出強度。THOMAS P F等[18]發(fā)現(xiàn)當電場強度為100～1500V/m時對RDX炸藥感度產(chǎn)生較大影響。ALVEY B等[19]發(fā)現(xiàn)寬頻帶電磁波可對炸藥產(chǎn)生一定的危害，且寬頻帶電磁波具有傅里葉特征[20]；Rodzevich A P與Gazenaur E G[21]研究了不同的電磁場發(fā)射方法對炸藥敏感度的影響； Sardar R與Liyanage T[22]研究了一種基于電磁波理論的高靈敏傳感器，該傳感器可以十分靈敏地探測到非常微量的炸藥；Sigman J B與Barrowes B E[23]研究了一種高頻電磁感應(yīng)耦合線圈，該線圈可以用來探測炸藥；Nassim B 和 Zhang Q[24]用麥克斯韋方程組計算了混合炸藥(RDX/IPN/Al)在電磁環(huán)境下的熱感度，計算表明，電磁場可以影響該混合炸藥的熱感度。

總之，從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，有足夠的證據(jù)表明炸藥可從射頻電磁場中吸收能量。能量在炸藥內(nèi)部并不是均勻分布，而是形成了熱梯度，如圖4所示。

圖4 HMX-air殼體吸收電磁波后的溫度(HMX直徑為5mm)

3 炸藥的射頻電磁場敏感度

嚴格上說，炸藥的射頻電磁場敏感度還沒有被國內(nèi)外的文獻定義。為研究方便，特提出此概念。炸藥的射頻電磁場敏感度是指炸藥在受到射頻電磁場輻射時，其熱力學(xué)性能、起爆性能、安全性能等發(fā)生改變的難易程度，即炸藥性能對射頻電磁場的敏感程度。

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開始了射頻電磁場對炸藥性能影響的研究工作。國內(nèi)學(xué)者采用實驗手段對乳化炸藥、RDX、含鋁粉RDX(DHL)在射頻電磁場中的分子形貌、紅外光譜、熱力學(xué)參數(shù)、感度變化等進行了研究。

杜斌等[25]使用頻率為915MHz、場強為200V/m的電磁場對乳化炸藥進行連續(xù)照射(如圖5所示)10min至3h后，發(fā)現(xiàn)乳化炸藥的安全性未發(fā)生明顯改變(見表1)，但分子形貌發(fā)生改變, 如圖6所示。

圖5 射頻輻照系統(tǒng)

表1 915MHz電磁場對乳化炸藥輻照試驗

圖6 乳化炸藥掃描電鏡圖片(915MHz, 1∶10000)

通過對乳化炸藥原樣及經(jīng)射頻電磁場照射后的樣品進行紅外光譜分析，兩種樣品紅外光譜出峰位置并無明顯差異，但出現(xiàn)強度上的差異，如圖7所示。

圖7 乳化炸藥經(jīng)射頻電磁場照射后紅外光譜分析

文獻[25]還采用DSC法對乳化炸藥的相容性進行對比分析，如圖8所示。對比分析兩個乳化炸藥樣本，兩種樣本的峰形及出峰位置存在差異，且經(jīng)輻照后的乳化炸藥樣本存在明顯放熱峰，這說明經(jīng)射頻電磁場照射后其熱性能產(chǎn)生了一定的變化。

圖8 乳化炸藥經(jīng)射頻電磁場照射后的DSC譜線

金建峰等[26]在 833MHz-200V/m、5565MHz-200V/m、13482MHz-200V/m 3種條件下，對 DHL 炸藥進行電磁輻射照射，照射時間 3h。然后采用隧道掃描電鏡觀察DHL炸藥外觀變化，采用 DSC 分析其成分變化，并測試了其機械感度，結(jié)果見表2。表2表明: DHL炸藥經(jīng)歷不同電磁輻射后, O元素含量、撞擊感度、熱力學(xué)參數(shù)存在規(guī)律性變化。從表2可以看出，經(jīng)過3h射頻照射后，乳化DHL炸藥C、N、O、Al 的含量發(fā)生了變化，其中O元素含量下降，下降幅度約為2%～4%；熱分解峰溫下降約2～3℃，峰值溫度差的下降說明DHL炸藥的熱力學(xué)參數(shù)發(fā)生了改變；DHL炸藥的撞擊感度發(fā)生明顯降低，并且照射的頻率越高，撞擊感度下降幅度越大。

表2 DHL 原樣和經(jīng)歷3種電磁輻射照射后炸藥性能變化

陳誠等[27]使用13.56MHz和925MHz電磁場對RDX分別進行連續(xù)照射,發(fā)現(xiàn)射頻電磁場對RDX影響較小。

以上研究表明，炸藥在受到電磁場輻射后，其分子形貌、熱性能、撞擊感度、熱力學(xué)參數(shù)等性能會發(fā)生改變，即炸藥存在電磁敏感度；不同炸藥的電磁敏感度不同，且炸藥的電磁敏感度與炸藥的分子結(jié)構(gòu)、組成成分、輻照頻率等因素有關(guān)。

在理論方面，馮睿智等[28-29]借助分子動力學(xué)理論研究了HMX/FOX-7及HMX/NQ共晶炸藥晶體表面成鍵能和力學(xué)性質(zhì)，結(jié)果表明共晶復(fù)合物的形成使HMX引發(fā)鍵N—NO2增強,感度降低，正方向外電場增大了晶面成鍵能和N—NO2鍵離解能,降低了HMX的撞擊感度；任福德等[30]借助分子動力學(xué)方法研究了不同分子比例的β-HMX/FOX-7、β-HMX/NQ和CL-20/FOX-7部分晶面的成鍵能和力學(xué)性質(zhì)；借助B3LYP/6-311++G(2d,p)和M06-2X/6-311++G(2d,p)理論方法發(fā)現(xiàn)在外電場作用下,1,4-二硝基咪唑-N-氧化物(1,4-DNIO)炸藥的N─NO2是最可能的引發(fā)鍵,其次是N→O,最后是C─NO2鍵，如圖9所示[27]。沿N→O、C─NO2鍵軸正方向和N─NO2負方向的外電場使N→O和C─NO2鍵離解能減小、N─NO2鍵離解能增大、撞擊感度降低[31]，見表3。

圖9 1，4 DNIO的引發(fā)健、離解能等在外電場作用下的變化

表3 復(fù)合物中HMX在不同電場強度的撞擊感度

韓剛等[32]采用量子力學(xué)方法對奧克托今(HMX)分別施加不同大小的外電場(-0.010～0.010a.u.),得到不同外電場下的穩(wěn)定構(gòu)型(如圖10所示)。隨著正向外電場的增強,HMX的引發(fā)鍵鍵長變短,解離能增加,感度降低；劉媛媛等[33]運用密度泛函理論方法,對三硝基芳香族炸藥分子的活化能、表面靜電勢等計算后發(fā)現(xiàn)、撞擊感度與活化能、表面靜電勢及外電場能量之間存在很好的相關(guān)關(guān)系。唐翠明等[34]采用DFT-B3LYP方法研究發(fā)現(xiàn)電場會對硝銨類炸藥的分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響；智春燕等[35]研究表明炸藥的電火花感度會隨分子能隙的減小而增大。

圖10 HMX在不同外電場下的靜電云圖

以上理論研究表明，利用低頻率、低場強電磁場對部分工業(yè)炸藥進行輻照時，炸藥分子引發(fā)健、離解能、活化能等會發(fā)生變化。這是炸藥在電磁場作用下其撞擊感度、沖擊波感度、靜電火花感度等發(fā)生變化的原因。

4 炸藥在射頻電磁場中形成熱點的可能性

熱點學(xué)說認為，在機械作用下，產(chǎn)生的熱來不及均勻分布到整個炸藥，而是集中在個別的小點處(稱之為熱點)，當熱點溫度高于爆發(fā)點時，炸藥開始燃燒，并進一步轉(zhuǎn)化為爆燃和爆轟?，F(xiàn)有的熱點理論主要將炸藥熱點的形成歸因于氣泡、空穴、間隙、雜質(zhì)及密度間斷等，并借助多種數(shù)學(xué)方法建立了氣泡絕熱壓縮模型、空隙沖擊塌陷模型、剪切摩擦模型、裂紋尖端加熱模型、晶體位錯堆積雪崩模型、積累損傷模型、激光吸收模型等。這些模型主要用來解釋撞擊、沖擊波、火焰、激光等外界能量激發(fā)與熱點形成之間的關(guān)系。

在以上熱點理論研究中，生成熱點的能量一般來源于摩擦、撞擊產(chǎn)生的熱量等，而對于從電磁場吸收能量生成熱點的情況研究較少。應(yīng)用時域有限差分法可對射頻電磁場入射到炸藥形成的熱點進行模擬[36]；根據(jù)電磁場理論，對電磁場作用于炸藥的能量分布進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)電磁能量的空間分布并不均勻，而是在個別位置形成小點[37-38]。小點處的溫度明顯高于周圍炸藥，如圖11所示。

圖11 炸藥在射頻電磁場作用下能量分布圖

當該小點處的溫度積累能夠達到炸藥的爆發(fā)點時，爆炸就會開始。這揭示了電磁場能量在炸藥內(nèi)部激發(fā)熱點的可能性。

5 結(jié)束語

射頻電磁場具有一定的穿透性，且能量的空間分布具有不均勻性，在一定場強和電磁能量持續(xù)作用下，可在炸藥表面或者內(nèi)部形成熱點。僅用熱起爆理論描述炸藥在強電磁場中的爆炸行為是不夠精確的,用熱點理論更為合適。現(xiàn)有的熱點理論中關(guān)于強電磁場作用于炸藥的熱點生成機理等內(nèi)容還有待補充。

國外已有學(xué)者通過數(shù)值模擬的方法研究射頻電磁場作用下炸藥的熱點生成過程。國內(nèi)研究限于低頻率低場強情況，未對高頻率和強場強情況進行研究，且未對炸藥分子的諧振頻率進行研究；同時，炸藥在射頻電磁場中的安全性研究以試驗研究為主，沒有進行深入的理論分析?？傮w而言，射頻電磁場作用于炸藥研究仍處于起步階段。建議未來炸藥在射頻電磁場中的安全性研究方向為：

(1)研究炸藥分子在射頻電磁場作用下的熱力學(xué)行為，建立熱力學(xué)行為與化學(xué)反應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)，建立電磁場作用于炸藥的能量耦合模型，以理論研究和試驗驗證為研究方法探明炸藥分子對電磁場能量的響應(yīng)。

(2)研究炸藥在射頻電磁場作用下的射頻電磁敏感度。開發(fā)炸藥電磁敏感度測試系統(tǒng)，選擇RDX、HMX、乳化炸藥、含金屬粉末炸藥等典型炸藥作為測試炸藥，獲得不同場強、不同頻率下典型炸藥的射頻敏感度。

(3)進行射頻電磁場作用下炸藥熱點生成機理研究，探索強電磁場作用下炸藥熱點的生成方式及生成機理。