一種HMX基PBX炸藥在熱與落錘撞擊復(fù)合作用下的響應(yīng)特性

申春迎, 黃 謙, 劉世俊

(中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所, 四川 綿陽(yáng) 621999)

1 引 言

撞擊安全性和熱安全性是評(píng)價(jià)炸藥安全性的兩個(gè)重要指標(biāo)。撞擊安全性可用落錘撞擊感度試驗(yàn)、蘇珊試驗(yàn)、滑道試驗(yàn)、沖塞試驗(yàn)、槍擊試驗(yàn)、Steven試驗(yàn)[1]等表征,熱安全性可用火燒試驗(yàn)、慢烤試驗(yàn)、一維熱爆炸試驗(yàn)(ODTX試驗(yàn))[2]、多尺度熱爆炸試驗(yàn)(STEX試驗(yàn))[3]等評(píng)價(jià)。這兩類試驗(yàn)都無(wú)法預(yù)估炸藥在撞擊與火災(zāi)綜合作用下是否會(huì)發(fā)生燃燒、爆炸等反應(yīng)。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展了高溫下炸藥高速撞擊安全性的研究。Kevin S. Vandersall 等[4]研究了PBX-9501在150 ℃時(shí)的沖擊安全性和點(diǎn)火增長(zhǎng)模型。代曉淦等[5-7]研究了高溫下HMX基PBX-2炸藥柱在260～320 m·s-1的小彈丸撞擊剪切摩擦作用下的響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明,溫度對(duì)其撞擊響應(yīng)影響明顯,PBX-2炸藥在75 ℃和105 ℃時(shí)的撞擊剪切安全性比常溫下好,但在160 ℃和195 ℃時(shí)會(huì)明顯變差。Sandusky等人[8]研究發(fā)現(xiàn),在直徑19 mm的鋼球撞擊擠壓作用下,PBX-9502炸藥在240 ℃時(shí)發(fā)生爆轟反應(yīng)的臨界撞擊速度較常溫有所降低。在實(shí)際運(yùn)輸和使用過(guò)程中,武器彈藥經(jīng)常面臨低速撞擊和/或火災(zāi)事故的威脅。其戰(zhàn)斗部中的炸藥一旦發(fā)生反應(yīng)后果嚴(yán)重,因此研究炸藥在熱與低速撞擊復(fù)合作用下的安全性對(duì)于預(yù)估武器在火災(zāi)、低速撞擊下的響應(yīng)是非常必要的,但目前這方面的研究還很少。

為了獲得HMX基PBX炸藥在熱與低速撞擊復(fù)合作用下的響應(yīng)特性,設(shè)計(jì)了一種炸藥片熱與落錘撞擊復(fù)合試驗(yàn)裝置(國(guó)家發(fā)明專利號(hào): ZL 201310236392.7)。利用該試驗(yàn)裝置對(duì)PBX炸藥進(jìn)行了溫度為20～170 ℃、落錘質(zhì)量為50 kg、撞擊速度0～14 m·s-1的熱與落錘撞擊復(fù)合試驗(yàn)。利用薄膜式壓力傳感器測(cè)試炸藥在撞擊過(guò)程中的壓力變化歷程,用高速攝影系統(tǒng)拍攝了炸藥撞擊點(diǎn)火過(guò)程,并利用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)PBX炸藥在不同溫度下的壓縮強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)試,從力學(xué)性能變化、晶體相變、熱膨脹和熱分解產(chǎn)生的損傷等方面分析了溫度對(duì)落錘撞擊安全性的影響。

2 試驗(yàn)

2.1 樣品

PBX炸藥組成為: HMX(質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于85%)、少量TATB、粘結(jié)劑、鈍感劑。采用水懸浮法制備成PBX造型粉,再用熱壓法壓制成密度為1.844～1.845 g·cm-3、尺寸為Φ20 mm×8 mm和Φ20 mm×20 mm的小藥柱,分別用于熱與落錘撞擊復(fù)合試驗(yàn)和壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)。熱失重測(cè)試樣品為顆粒狀的PBX造型粉。試驗(yàn)中所用的炸藥樣品均由中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所提供。

2.2 炸藥熱與落錘撞擊復(fù)合試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

自行設(shè)計(jì)的炸藥熱與落錘撞擊復(fù)合試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。其中,落錘質(zhì)量為50 kg,落高在12 m以內(nèi)可調(diào),試驗(yàn)溫度在室溫～300 ℃范圍內(nèi)可調(diào)。試驗(yàn)時(shí),利用控溫系統(tǒng)和均熱塊以5 ℃·min-1的升溫速率將炸藥片加熱到預(yù)定溫度并恒溫20 min后,將落錘提升到預(yù)定高度,釋放落錘撞擊炸藥。被加熱的炸藥在落錘的撞擊作用下可能發(fā)生反應(yīng)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果調(diào)節(jié)落錘落高。

圖1 炸藥熱與落錘撞擊復(fù)合試驗(yàn)示意圖

1—跌落支架, 2—提升裝置, 3—釋放裝置, 4—落錘, 5—樣品裝置, 6—鋼靶

Fig.1 Schematic diagram of the thermal-impact coupling test device

1—drop tower, 2—lift device, 3—releasing device, 4—drop hammer, 5—sample holder, 6—steel base

試驗(yàn)中,采用MEMRECAM GX-1高速攝影機(jī)觀察炸藥點(diǎn)火情況,在距撞擊點(diǎn)1 m處布置超壓測(cè)試系統(tǒng)(由CA-YD-202自由場(chǎng)壓力傳感器、YE6600電荷放大器、泰克示波器組成)測(cè)量炸藥反應(yīng)超壓,采用50 Ω螺旋型薄膜式錳銅壓力計(jì)測(cè)量炸藥底部的受力過(guò)程。

根據(jù)高速攝影圖像、沖擊波超壓、試驗(yàn)殘骸來(lái)綜合判斷炸藥是否發(fā)生反應(yīng)。以炸藥發(fā)生反應(yīng)時(shí)落錘的最低落高來(lái)表征該溫度下炸藥的落錘撞擊感度。

樣品裝置示意圖見(jiàn)圖2。樣品裝置由擊桿、聚四氟乙烯環(huán)、導(dǎo)向套、擊砧、底座、均熱塊、加熱帶組成。其中PBX炸藥樣品的尺寸為Φ20 mm×8 mm; 聚四氟乙烯環(huán)厚8 mm; 擊砧、擊桿、底座和均熱塊材料為鋼,導(dǎo)向套材料為鋁。

2.3 熱與落錘撞擊復(fù)合試驗(yàn)溫度選擇

為確定熱與落錘撞擊復(fù)合試驗(yàn)的溫度范圍,選擇適宜的試驗(yàn)溫度點(diǎn),對(duì)PBX炸藥進(jìn)行了熱失重測(cè)試分析。其在升溫速率為5 ℃·min-1時(shí)的熱失重曲線(TG曲線)見(jiàn)圖3。從圖中看出,PBX在136～150 ℃開(kāi)始出現(xiàn)熱失重,在263.7 ℃熱失重達(dá)到4%,根據(jù)炸藥的配方組成和組分的熱性能特點(diǎn)可知此時(shí)主要為粘結(jié)劑和鈍感劑的熱分解; 隨后熱失重加劇,在285 ℃時(shí),熱失重達(dá)到92%,此為HMX、粘結(jié)劑和鈍感劑受熱發(fā)生分解造成的。故PBX炸藥熱與撞擊復(fù)合試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度選擇了常溫、鈍感劑熔化、粘結(jié)劑軟化、炸藥發(fā)生輕微分解、HMX發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變的幾個(gè)特征溫度,即20,82,125,155,170 ℃。

圖2 樣品裝置示意圖

1—擊桿, 2—炸藥片, 3—聚四氟乙烯環(huán), 4—導(dǎo)向套, 5—擊砧, 6—底座, 7—均熱塊, 8—加熱帶

Fig.2 Schematic diagram of the sample holder

1—striker, 2—explosive tablet, 3—PTFE ring, 4—guide tube, 5—anvil, 6—steel base, 7—heating block, 8—ring heater

圖3 PBX炸藥的TG曲線(5 ℃·min-1)

Fig.3 TG curve of PBX at a heating rate of 5 ℃·min-1

2.4 炸藥壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)

參照GJB772A-1997方法416.1(抗壓強(qiáng)度 壓縮法),采用帶有溫度控制箱的INSTRON 8862電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī),對(duì)Φ20 mm×20 mm的小藥柱進(jìn)行炸藥壓縮強(qiáng)度性能測(cè)試。試驗(yàn)速度: 10 mm·min-1。測(cè)試溫度為20～150 ℃內(nèi)幾個(gè)不同溫度點(diǎn),每個(gè)溫度點(diǎn)五發(fā)試樣為一組。

3 結(jié)果與討論

3.1 熱與落錘撞擊復(fù)合試驗(yàn)的撞擊過(guò)程

在熱與落錘撞擊復(fù)合試驗(yàn)中,PBX炸藥發(fā)生反應(yīng)后回收的擊砧照片見(jiàn)圖4。從圖4可看出,當(dāng)炸藥發(fā)生反應(yīng)時(shí),擊砧表面有炸藥燒蝕發(fā)黑的痕跡,殘余炸藥表面有燃燒的痕跡,鋁質(zhì)導(dǎo)向套破裂。

高速攝影圖像可用來(lái)觀察判斷炸藥在落錘撞擊壓縮下是否發(fā)生點(diǎn)火以及點(diǎn)火熄滅或成長(zhǎng),獲得點(diǎn)火延滯時(shí)間等。圖5是典型的PBX炸藥撞擊點(diǎn)火高速攝影圖像。由圖5a可見(jiàn),在20 ℃、落高5 m的落錘撞擊作用下,部分炸藥發(fā)生點(diǎn)火、燃燒,大部分炸藥被撞碎后飛散出去,點(diǎn)火延滯時(shí)間約1.1667 ms。由圖5b可見(jiàn),溫度為170 ℃的炸藥被跌落高度為1.5 m的50 kg落錘撞擊后隨即發(fā)生點(diǎn)火,點(diǎn)火延滯時(shí)間約200 μs,有明顯的燃燒發(fā)光現(xiàn)象,而且燃燒迅速。這說(shuō)明炸藥在高溫環(huán)境下受到撞擊時(shí)很容易發(fā)生反應(yīng),而且反應(yīng)會(huì)迅速延續(xù)下去。

圖4 熱-撞擊復(fù)合試驗(yàn)后的擊砧照片

Fig.4 Photograph of the anvil after thermal-impact coupling test

a. 20 ℃,5 m

b. 170 ℃, 1.5 m

圖5 PBX炸藥撞擊點(diǎn)火高速攝影圖像

Fig.5 High speed recording pictures of ignited PBX during the impact process

圖6為不同溫度下PBX炸藥的落高與點(diǎn)火延滯時(shí)間關(guān)系圖。從圖6中可看出,在相同溫度下,落高越高,點(diǎn)火延滯時(shí)間越短。同時(shí),溫度升高,點(diǎn)火延滯時(shí)間縮短。

3.2 撞擊過(guò)程中炸藥片的受力分析

圖7是20 ℃、落錘落高分別為2.5,4,6 m時(shí)撞擊過(guò)程中炸藥底部的壓力-時(shí)間歷程曲線。從圖7可以看出,落錘落高為2.5 m和4 m時(shí)炸藥的壓力曲線相似,最大壓力峰值在2 GPa左右,脈寬1 ms左右,隨后壓力逐漸降低,表明炸藥未發(fā)生反應(yīng)。分析認(rèn)為,在受到落錘撞擊時(shí),炸藥底部壓力立即上升,隨著炸藥進(jìn)一步受到壓縮擠壓,炸藥底部受到的壓力隨之增長(zhǎng),在聚四氟乙烯環(huán)和導(dǎo)向套被破壞后,出現(xiàn)泄壓,壓力很快降低。在落高6 m時(shí),壓力峰值在1.5 GPa時(shí)發(fā)生跳變,表明炸藥發(fā)生了反應(yīng)。

圖6 落高與點(diǎn)火延滯時(shí)間的關(guān)系

Fig.6 Relationship of the drop height and delay time of ignition

圖7 熱-撞擊復(fù)合試驗(yàn)中PBX炸藥的底部壓力-時(shí)間曲線

Fig.7 The base pressure-time history of PBX in thermal-impact coupling test

3.3 溫度對(duì)炸藥撞擊響應(yīng)的影響

不同溫度下PBX炸藥的反應(yīng)落高閾值結(jié)果見(jiàn)圖8。從圖8可看出,溫度對(duì)PBX炸藥的撞擊安全性影響明顯。在170 ℃以下,隨著溫度升高,PBX炸藥的反應(yīng)落高閾值先升高,而后逐漸降低。反應(yīng)落高閾值越高則撞擊感度越低。不同溫度時(shí)PBX的撞擊感度從低到高的排列順序依次為82,125,20,155,170 ℃,其中20 ℃與155 ℃時(shí)的閾值相近。當(dāng)溫度在170 ℃時(shí),反應(yīng)落高閾值顯著降低,在0.5～1 m左右,撞擊感度顯著提高。

藥片狀的(藥量50 mg)純HMX炸藥在室溫～150 ℃范圍內(nèi),反應(yīng)落高閾值隨著溫度升高略有降低,但變化不明顯[9],因此,成型HMX基PBX炸藥在20～150 ℃范圍內(nèi)的撞擊感度變化與HMX含量關(guān)系不大,而可能與PBX在高溫下的力學(xué)性能變化及由于熱膨脹、熱分解等產(chǎn)生的熱損傷有關(guān)。

從圖8可看出,82 ℃時(shí)PBX的反應(yīng)落高閾值高于其它溫度。這與該溫度下PBX的力學(xué)性能有關(guān)。在20～80 ℃范圍內(nèi),隨溫度升高,PBX炸藥的壓縮強(qiáng)度顯著降低(見(jiàn)圖9),從44.85 MPa降低到4.24 MPa。PBX炸藥被加熱到82 ℃時(shí),由于里面的粘結(jié)劑軟化、低熔點(diǎn)鈍感劑熔化, PBX炸藥發(fā)生軟化、延展性增加,壓縮強(qiáng)度降低,在撞擊力的作用下易發(fā)生流動(dòng),不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,減少了熱點(diǎn)的形成, 因此82 ℃時(shí)PBX的撞擊感度低于其他溫度。

圖8 PBX炸藥片溫度-反應(yīng)落高閾值關(guān)系

Fig.8 The reaction drop height threshold changing with temperatures of PBX

圖9 PBX炸藥壓縮強(qiáng)度-溫度關(guān)系

Fig.9 Compressive strength vs. temperature for PBX

在82～155 ℃,隨著溫度升高,PBX的反應(yīng)落高閾值降低。從圖9可看出,PBX的壓縮強(qiáng)度在該溫度段沒(méi)有明顯變化,穩(wěn)定在3.4 MPa左右。在撞擊作用下,PBX的流動(dòng)性不會(huì)增加。由于PBX在受熱膨脹時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些孔洞、間隙等,同時(shí)在136 ℃以上還會(huì)有部分炸藥發(fā)生輕微的熱分解也會(huì)形成一些孔洞間隙等損傷,在撞擊壓縮作用下這些損傷缺陷部位易產(chǎn)生熱點(diǎn),而且炸藥的活化能隨著溫度升高會(huì)略有降低,因此,在這個(gè)溫度范圍內(nèi)PBX炸藥受到撞擊時(shí)更容易反應(yīng),撞擊感度會(huì)隨著溫度升高而提高。

從圖8還可以看出,在170 ℃時(shí),PBX炸藥的撞擊感度顯著提高。這可能與PBX中HMX由穩(wěn)定的β晶型轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的δ晶形有關(guān)。HMX 在155～174 ℃范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生β→δ相變,體積發(fā)生熱膨脹,晶體膨脹6.7%,導(dǎo)致晶格破壞,同時(shí)產(chǎn)生大量孔洞、裂紋等損傷,從而形成大量的熱點(diǎn)和剪切帶,大幅提高了HMX的起爆感度,撞感與起爆藥相當(dāng)[10-13]。故PBX炸藥在170 ℃高溫、落錘撞擊下由于HMX晶形發(fā)生轉(zhuǎn)變、PBX炸藥內(nèi)部由于熱膨脹和熱分解產(chǎn)生的損傷、缺陷以及高溫下炸藥活化能降低等原因致使PBX炸藥更容易發(fā)生反應(yīng),反應(yīng)落高閾值顯著降低,撞擊感度明顯提高。

4 結(jié) 論

(1)采用自行設(shè)計(jì)的炸藥片熱與落錘撞擊復(fù)合試驗(yàn)裝置,對(duì)成型HMX基PBX炸藥進(jìn)行了不同溫度下的熱與落錘撞擊試驗(yàn),結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置能有效用于成型炸藥的熱與撞擊復(fù)合作用下的安全性研究。

(2)在20～170 ℃范圍內(nèi),成型PBX炸藥的撞擊感度與溫度密切相關(guān)。隨溫度升高,PBX的撞擊感度先降低后提高。其中,82 ℃時(shí)的撞擊感度最低,這與該溫度下PBX炸藥的力學(xué)性能顯著降低不易形成熱點(diǎn)有關(guān); 在82～155 ℃,PBX撞擊感度隨溫度升高而提高,與炸藥內(nèi)部由于熱膨脹和熱分解產(chǎn)生的損傷缺陷易形成熱點(diǎn)有關(guān); 170 ℃時(shí)的撞擊感度顯著提高,這與炸藥中的HMX晶體發(fā)生相變、炸藥內(nèi)部由于熱分解和熱膨脹產(chǎn)生的缺陷密切相關(guān)。

(3)高溫環(huán)境下,炸藥的點(diǎn)火延滯時(shí)間縮短。同一溫度下,隨著落錘高度增加,點(diǎn)火延滯時(shí)間變短。

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