沖擊點火反應過程中RDX基PBX炸藥的熱輻射特性

關(guān)鍵詞：聚合物黏結(jié)炸藥；沖擊加載；界面熱輻射；點火反應；等熵膨脹；界面溫度

聚合物黏結(jié)炸藥（polymer-bondedexplosive，PBX）的起爆機理是爆炸力學和爆轟物理研究領(lǐng)域的重要課題之一。環(huán)三亞甲基三硝胺（hexogen，RDX）是一種典型的具有N—NO2基團結(jié)構(gòu)的硝胺類含能材料，被廣泛應用作高爆炸藥、粉末添加劑、氧化劑和固體推進劑[1–3]。盡管RDX單晶均質(zhì)透明，但在動態(tài)加載下表現(xiàn)出明顯的非均質(zhì)特點和局部熱耗散行為[4]。鑒于服役中的各種武器戰(zhàn)斗部幾乎都是復合炸藥結(jié)構(gòu)[5]，因此，研究含能材料粉體或混合炸藥的沖擊動力學行為更具實際應用價值[6–7]，研究成果在相關(guān)材料設計研發(fā)及產(chǎn)品安全性評價等方面具有重要應用前景[8–9]。

在爆轟物理研究領(lǐng)域，沖擊點火反應及起爆機理問題備受關(guān)注，而直接觀測含能材料在沖擊起爆過程中的發(fā)光特性可能為探究其分解反應機理和沖擊感度等問題提供重要的實驗依據(jù)?！盁狳c”的形成、擴展及貫通被認為是非均質(zhì)含能材料的主要起爆機制[10]。在熱點區(qū)域形成過程中往往伴隨著化學釋能，隨著熱能的累積和熱壓增加，由沖擊波誘導的反應性流場迅速發(fā)展成為爆轟波流場[11]。在前期化學反應階段，研究工作主要集中在“熱點”的形成、熱能的局部聚集[12–13]以及對分解路徑的理論研究[14–15]；Dattelbaum等[16]通過在樣品中安裝粒子速度計，測得了整個沖擊加載期間沖擊波的增長和演化特性，并捕捉到了起爆過程中馮諾依曼峰的形成和演化特征。然而，關(guān)于RDX基PBX炸藥在沖擊釋能反應期間的發(fā)光特性及熱輻射溫度的研究還較少，相信這些直接觀測數(shù)據(jù)可以反映化學反應的程度和速率，為構(gòu)建RDX炸藥的反應速率方程及描述其沖擊反應動力學行為提供直接的實驗依據(jù)。

在沖擊壓縮下，非均質(zhì)光學介質(zhì)內(nèi)部間隙填充物的行為[17–18]，特別是空氣發(fā)光行為[19–20]不容忽視，且樣品/窗口界面的“間隙”發(fā)光背景難以完全消除，以致于嚴重干擾炸藥樣品熱輻射信號的觀測。由于觀測結(jié)果的重復精度不高，其分析結(jié)果也在某種程度上受到質(zhì)疑。采用傳統(tǒng)方法測量金屬的沖擊溫度時[21]，處于樣品/窗口界面處的樣品受到入射波和反射波連續(xù)沖擊加載。在觀測界面發(fā)光期間，界面壓力基本保持穩(wěn)定，因此界面輻亮度隨時間演化特性被歸因于界面的熱弛豫現(xiàn)象。然而，在研究炸藥樣品時發(fā)現(xiàn)，界面處的壓力和樣品組分都可能隨時間而變化。引起界面溫度隨時間變化的主要因素可能是界面熱弛豫，也可能是界面處樣品體內(nèi)的狀態(tài)演變，有必要通過特定實驗設計加以鑒別。本研究將報道在非均質(zhì)炸藥沖擊溫度測量技術(shù)和分析方法方面取得的進展，將通過測量PBX/氟化鋰界面的熱輻射歷史，獲得RDX在沖擊起爆過程中的熱輻射溫度數(shù)據(jù)及其隨時間的演化特征，為探究沖擊起爆機理和釋能特性提供反應產(chǎn)物溫度的觀測數(shù)據(jù)。

1實驗方法和樣品

1.1實驗方案

本研究采用雙波加載實驗方案，使處于光學窗口界面處的樣品先后經(jīng)歷2次沖擊波加載。通過調(diào)控樣品/窗口處樣品體內(nèi)狀態(tài)的變化路徑，擬觀測界面輻亮度及熱輻射溫度隨調(diào)制壓力波形的變化情況。同時，雙波實驗還有利于檢驗界面“間隙發(fā)光”干擾的抑制效果。

如圖1所示，沖擊實驗在二級輕氣炮加載平臺上完成。固定于彈丸頭部的銅飛片經(jīng)二級輕氣炮加速后，由磁測速裝置精確測得其速度。飛片撞擊基板產(chǎn)生沖擊波，沖擊波透過基板進入樣品。在基板夾層處安裝電探針，以準確記錄沖擊波到達基板的時刻。在沖擊壓縮狀態(tài)下，氟化鋰窗口在較廣波長范圍內(nèi)能夠保持光學透明性，確保了熱輻亮度觀測數(shù)據(jù)的可靠性。由于氟化鋰的沖擊阻抗高于樣品，光學窗口也起到了樣品保壓作用。輻射測溫原理及數(shù)據(jù)處理方法參考文獻[21]，采用溴鎢燈作為標準光源標定各測量通道的靈敏度系數(shù)，輻亮度隨波長分布的測量結(jié)果借助普朗克灰體模型分析評價。在沖擊加載過程中，通過置于窗口后方的光纖透鏡收集樣品內(nèi)部和樣品/窗口界面處產(chǎn)生的輻射光，并傳輸?shù)剿矐B(tài)輻射高溫計完成光電轉(zhuǎn)化和信號放大，最后由示波器記錄保存電信號。輻射高溫計的波長范圍為448～887nm。實驗靶結(jié)構(gòu)如圖2所示，基板內(nèi)設置了0.4mm的空氣夾層，沖擊波被夾層調(diào)制后具有“雙波”結(jié)構(gòu)特征。“雙波形”沖擊波進入樣品對其實施連續(xù)2次沖擊加載。在具體實驗條件下，輸入波形由材料物態(tài)方程參數(shù)及流體力學模擬方法獲得。界面粒子速度隨時間的變化特征由激光多普勒位移干涉系統(tǒng)（Dopplerdisplacementinterferometersystem，DPS）測定，根據(jù)界面粒子速度的測量數(shù)據(jù)即可確定界面的壓力波形。

1.2樣品制備及材料參數(shù)

若直接采用RDX粉末壓片制備樣品，樣品內(nèi)必定存在空氣包裹體，這些殘余氣體在受到?jīng)_擊壓縮時會發(fā)出強光，干擾實驗結(jié)果[19]。鑒于硅油在靜高壓（64GPa）下仍然能保持光學透明性[22]，本研究樣品由RDX粉末和二甲基硅油（質(zhì)量分數(shù)5%）組成。通過壓制成型制備PBX炸藥樣品，使用硅油的目的是填充粒間空穴；同時進行抽真空處理，以減少復合樣品內(nèi)殘余孔隙及包裹氣體的沖擊發(fā)光背景。附著在樣品表面的薄層硅油也有利于樣品與觀察窗口之間實現(xiàn)良好接觸，并減弱界面“間隙”發(fā)光干擾。

共進行了4次實驗，RDX基PBX炸藥壓片樣品的密度及每次實驗樣品靶相關(guān)幾何參數(shù)見表1。其中：s為樣品密度，vF為飛片速度，hF、hp1、hp2、hA、hs、hw分別為飛片、第1基板、第2基板、空氣層、樣品和窗口的厚度。飛片材料為純銅，蓋板和基板材料均為2024鋁，各材料的Hugoniot參數(shù)見表2[23–25]。其中：為密度，和分別為材料的沖擊波參數(shù)，即沖擊波速度與波后粒子速度之間線性擬合關(guān)系的系數(shù)。

2實驗結(jié)果與討論

2.1實驗信號

實驗1～實驗3的輻亮度曲線如圖3～圖5所示，均呈現(xiàn)雙峰特征。實驗1的輻亮度信號的第1峰較寬，實驗2輻亮度信號的信噪比較差；實驗3的輻亮度信號的第1峰較銳，且第2峰的起跳特征更清晰。實驗3非常接近正碰條件，故對實驗3的結(jié)果進行詳細討論。實驗3中電探針及各波長的輻亮度變化歷史見圖5。電探針信號給出了沖擊波進入第2基板的t0時刻。根據(jù)阻抗匹配計算結(jié)果，沖擊波在基板中的傳播時間約為338ns，據(jù)此得到?jīng)_擊波進入樣品的時刻t1；沖擊波在t1時刻進入樣品后，開始對樣品進行沖擊加載；同時，受沖擊樣品的熱輻射光信號能夠透過前方未被壓縮的半透明樣品，而且隨著該部分樣品厚度的減小，透射光的亮度逐漸增加；在t2和t3時刻，樣品后界面連續(xù)2次受到?jīng)_擊加載，因此先后出現(xiàn)2個明顯的輻亮度峰值。為了進一步證實雙波效應，進行了實驗4。圖6給出了相近實驗條件下界面粒子速度測量結(jié)果，結(jié)果表明，樣品/窗口界面粒子速度及壓力呈現(xiàn)雙波特征，其中，t2和t3代表的雙波特征分別與圖5所示的輻亮度雙峰之間存在關(guān)聯(lián)。鑒于沖擊加載狀態(tài)下樣品可能還具有一定的光學透明度，其輻亮度信號也就可能包含體積輻射貢獻；而界面速度信號僅僅反映特定位置流場的演化特征。因此，實驗3的輻亮度波形與實驗4的界面速度測量波形之間必然存在較明顯差異。然而，在第1次沖擊加載后，界面壓力和輻亮度均呈現(xiàn)持續(xù)衰減特征，兩者具有較好的一致性。壓力波形的起跳前沿特征對反應度及樣品的初始密度比較敏感，可能受到反應產(chǎn)物體積膨脹效應的影響。

圖7～圖9為實驗1～實驗3樣品后界面的溫度隨時間變化曲線。圖10為實驗3對應時刻溫度的擬合結(jié)果。對輻亮度隨波長的分布特征進行擬合，發(fā)現(xiàn)界面發(fā)光具有灰體熱輻射特征，其發(fā)射率ε約為0.85。在第1、2次沖擊加載期間，實驗3樣品后界面溫度從2790K衰減到2550K，降低了240K，隨后在t3時刻界面受到第2次沖擊加載，界面溫度再次躍升到2730K，最后緩慢下降。由圖6（b）所示的壓力曲線可知，界面壓力經(jīng)歷了衰減過程，壓力從25GPa降至18GPa，其最高峰值明顯低于文獻[26–27]的爆轟壓力。在本實驗中，樣品溫度測量值也未達到文獻[28]報道的爆轟溫度（3400K），可見爆轟過程需要足夠高的溫度和持續(xù)時間才能完成能量的充分釋放。溫度測量值低于穩(wěn)定爆轟溫度，說明在本次實驗中，樣品處于爆轟前的化學分解和熱釋能階段。在此過程中，樣品熱輻射的發(fā)射率仍然小于1，也間接反映出在觀測界面上存在某些發(fā)光較弱的區(qū)域，即處于不同區(qū)域的炸藥樣品的能量釋放程度有所差異。

2.2實驗結(jié)果的可重復性

表1給出了3發(fā)實驗的加載參數(shù)和樣靶結(jié)構(gòu)參數(shù)，其加載壓力相近，據(jù)此考察了沖擊發(fā)光實驗結(jié)果的分散性。輻亮度信號及界面溫度變化特征均顯示出“雙波”現(xiàn)象，其中界面溫度的第2個峰值在2650～2730K之間，而第1個峰值在2750～2950K之間，且2個峰之后均呈現(xiàn)相似的衰減趨勢，由此可見，界面溫度測量結(jié)果具有較好的一致性。因此，本研究重點關(guān)注界面輻射溫度的衰減特性。然而，界面輻亮度測量結(jié)果存在明顯的分散性：（1）前、后2個輻亮度峰的相對幅值差別較大，其中實驗1和實驗2中的第2峰值高于第1峰值，而實驗3的2個輻亮度峰值接近；（2）雙波信號的時間間隔在150～230ns之間變化，且實驗3的雙波信號具有較大的時間間隔。值得注意的是，前2發(fā)實驗靶的第2基板厚度約為4mm，而實驗3中樣靶的第2基板厚度僅為2.26mm。如果不考慮含能材料的釋能反應，本實驗樣靶的沖擊動力學行為可簡化為一維惰性流體動力學問題。圖11給出了實驗2和實驗3中窗口界面的壓力波形。

如圖11所示，2片鋁基板碰撞產(chǎn)生的沖擊波受薄基板后界面卸載的影響，演化為“三角波”，其后跟隨斜波卸載衰減，該波形與圖5中的第1輻射峰對應。約200ns后，從飛片界面反射的第2沖擊波緊隨到達窗口處，該波形與圖5中的第2輻射峰對應。圖11的第2壓力波形具有方波特征，但圖5中的第2輻射峰卻呈衰減特征，說明樣品實際發(fā)生了釋能反應，偏離了惰性流體模擬波形。圖11反映了第1壓力波后伴隨的線性卸載過程以及2次實驗入射波形的差異，即雙波時間間隔越小，第2壓力波幅值越大。該模擬波形能夠為理解熱輻射波形提供參考，并對輻射波形差異給出定性解釋。通過對比發(fā)現(xiàn)，實驗1和實驗2的雙波時間間隔明顯低于模擬結(jié)果，實驗4的壓力幅值高于模擬結(jié)果，結(jié)合第2輻射峰的衰減特征，我們認為樣品實際發(fā)生了明顯的釋能反應，釋能反應引起第2沖擊波幅值增大和加速追趕效應，形成了第2輻射峰的“尖峰”特征，同時縮短了雙波時間間隔。進一步的定量分析需要開展合理的反應率模擬，該工作正在進行中。本研究結(jié)果還表明：具有非均質(zhì)釋能特性的含能材料在沖擊波作用下呈現(xiàn)出復雜的熱輻射特征，其能量釋放過程與加載條件及樣品制備工藝控制參數(shù)的關(guān)系十分密切；同時，為了獲得更精密的炸藥沖擊釋能特性，有必要進一步提高樣品的制備工藝水平和局部結(jié)構(gòu)的表征能力。

2.3結(jié)果討論

本研究發(fā)現(xiàn)，PBX/氟化鋰界面的沖擊溫度測量結(jié)果在2500～2800K之間變化，且明顯高于未反應RDX的沖擊溫度計算值。參考文獻[23]計算RDX的沖擊壓縮溫度[11]，結(jié)果顯示，界面處樣品的壓力為25GPa，沖擊溫度為1228K，遠低于圖9中實驗測得的樣品/窗口界面溫度。由此可見，界面處的RDX炸藥樣品發(fā)生了明顯的化學能釋放過程，該結(jié)論與Ravindran等[29]、Loboiko等[30]的觀點一致。

如圖3所示，樣品界面先后受到2次沖擊加載后，發(fā)光輻亮度均呈現(xiàn)線性衰減特征。這種輻亮度變化形態(tài)與金屬測溫信號呈現(xiàn)的“尖峰”形態(tài)明顯不同，其衰減過程更緩慢。類似現(xiàn)象也體現(xiàn)在圖9所示的界面溫度曲線上。在金屬測溫實驗中，界面壓力保持恒定，通常將界面輻亮度和輻射溫度的衰減歸因于界面熱傳導。本實驗中，炸藥樣品的熱傳導系數(shù)比金屬低得多，且界面處不存在空氣間隙（視為理想界面），因此，推測由界面熱傳導效應引起的輻亮度和溫度衰減效應不明顯。首先將這種典型的“線性”慢衰減現(xiàn)象解釋為反應產(chǎn)物的等熵膨脹效應，原因是在相近的沖擊條件下，本研究所進行的對比實驗的確記錄了界面速度的持續(xù)衰減現(xiàn)象，如圖6所示。該過程對應界面壓力的持續(xù)衰減，必然伴隨界面處流場物質(zhì)發(fā)生體積等熵膨脹和溫度降低。做出上述解釋的另一個支撐證據(jù)來自“雙波”加載數(shù)據(jù)。在前期膨脹過程中，界面溫度降低，但在經(jīng)歷第2次加載后又恢復到原有水平，表明這里界面溫度的升降受界面壓力調(diào)控，而熱耗散所致的界面降溫效應并不明顯。在炸藥及其產(chǎn)物組成的反應流場中，介質(zhì)的組成通常被界定為未反應炸藥和反應產(chǎn)物2個類別。其中，未反應炸藥組分的溫度也會因沖擊壓力的增加而升高，但從圖6所示的實際測量結(jié)果可以看出，即使按第1次沖擊壓力（25GPa）峰值估算，界面溫度也僅為1228K，遠低于實際測得的界面輻射溫度（2790K）。由此可見，未反應炸藥組分對界面輻亮度和輻射溫度測量結(jié)果的貢獻可以忽略不計，主要貢獻來自于反應產(chǎn)物的熱輻射。反應產(chǎn)物是由一些小分子組成的混合流體。從本研究的測量結(jié)果可以看到，在25GPa沖擊壓力下，這些產(chǎn)物的溫度約為2790K，直到第2次沖擊波到達之前，流體壓力已衰減到18GPa附近，對應的溫度降為2550K。在該過程中，流體溫度的降低幅度與利用簡單理想氣體模型計算的估值相符，該模型在其他有關(guān)含能材料沖擊動力學問題研究中曾被采用[31–32]。鑒于RDX爆炸產(chǎn)生的主要氣體組分（混合物中H2O、N2和CO2的摩爾配比為3∶3∶1.5）的比熱比（）取值約等于1.3～1.4，當其從初始狀態(tài)（25GPa，2790K）經(jīng)歷絕熱膨脹到18GPa時，預計溫度會下降至約2580K，該近似結(jié)果與本研究中界面溫度衰減結(jié)果（從2790K下降至2550K）相符。如果考慮高壓下分子相互作用的貢獻，體系的比熱容會降低，絕熱膨脹所引起的降溫幅度會有所減少，畢竟在含能材料中因溫度非均勻而導致的熱弛豫效應也會引起溫度降低。在實驗3中，樣品的輻亮度和輻射溫度都回升到了衰減前的水平，證明界面溫度主要受壓力的影響。只有在考慮反應產(chǎn)物的化學反應平衡，并引用產(chǎn)物組分相關(guān)的狀態(tài)方程模型后，才能對等熵膨脹效應和熱弛豫效應的相對大小給出比較準確的反應流場動力學和熱力學計算結(jié)果。如果在沖擊加載下樣品RDX的反應率較低，氣體產(chǎn)物相對較少（對應實驗3情形），第2次加載波（銅飛片/鋁基板界面的反射波）的壓力幅值與第1次沖擊加載波（基板夾層碰撞）的壓力幅值相當；如果反應速率較高，隨著氣體產(chǎn)物占比增大，因產(chǎn)物膨脹導致阻抗降低效應會更明顯，致使第2次加載波幅值被削弱，與圖6中的界面速度和壓力測量結(jié)果相符。

實驗中PBX炸藥的沖擊發(fā)光輻亮度分布滿足灰體輻射模型，沒有記錄到“包裹氣體”或界面間隙導致的“輻射尖峰”信號，因此可以認為本研究采用的樣品制備方法基本抑制了殘留氣體問題。樣品內(nèi)部和界面處的氣孔和間隙已經(jīng)被第1次沖擊波完全壓實，因此在第2次沖擊波到達界面時不存在殘余氣體發(fā)光問題。將第1次沖擊的發(fā)光峰與第2次沖擊的發(fā)光峰對比，發(fā)現(xiàn)兩者的起跳特征和衰減行為非常相似。據(jù)此認為，第1次沖擊加載時，也不存在明顯的包裹氣體和間隙氣體發(fā)光問題。通過這種雙波加載實驗，證實本研究采用的制樣方法有效抑制了界面“間隙”和粒間空穴塌縮引起的熱輻射背景干擾信號。

3結(jié)論

本研究針對RDX基PBX非均質(zhì)復合炸藥的沖擊溫度測量問題，探索了樣品制備方法和測試技術(shù)，獲得以下結(jié)論：（1）通過“雙波”加載實驗和沖擊輻亮度檢測，發(fā)現(xiàn)孔隙塌縮及界面間隙發(fā)光背景得到了有效抑制；（2）借助瞬態(tài)原位輻射測溫技術(shù)獲得了樣品/氟化鋰界面的輻射譜演變特性，發(fā)現(xiàn)輻亮度隨波長變化的分布特征滿足普朗克灰體輻射模型，表明沖擊發(fā)光主要來自炸藥樣品的熱輻射；（3）利用激光位移干涉技術(shù)獲得了樣品/氟化鋰界面的粒子速度剖面，分析發(fā)現(xiàn)，界面溫度的時間演化特性主要受界面壓力調(diào)制影響，界面溫度測量結(jié)果反映了炸藥內(nèi)局部熱區(qū)分解產(chǎn)物的高溫環(huán)境。研究結(jié)果為RDX基PBX炸藥的沖擊起爆反應機理以及反應模型的建立和完善提供了重要依據(jù)。