沖擊載荷作用下兩種HMX基抗高過載炸藥損傷特性

姜夕博, 金朋剛, 王建靈, 楊 建, 王曉峰

(西安近代化學(xué)研究所, 陜西 西安 710065)

1 引 言

針對(duì)軍事需求的迫切性，炸藥損傷的研究越來越受到學(xué)界關(guān)注。Palmer等[3-4]對(duì)高聚物粘結(jié)炸藥(PBX)進(jìn)行徑向壓縮實(shí)驗(yàn)，觀察到了顆粒斷裂、界面脫粘、變形孿晶等多種損傷破壞形式，并在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上對(duì)PBX材料幾種可能的變形破壞機(jī)理進(jìn)行了分析。陳鵬萬等[5-6]利用巴西實(shí)驗(yàn)對(duì)高聚物粘結(jié)炸藥的變形破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，結(jié)果表明試樣最主要的破壞機(jī)理是界面脫粘和粘結(jié)劑的成穴失效。孫培培[7]利用落錘沖擊加載不同粒度的高氯酸銨(AP)顆粒，并用掃描電鏡研究了試樣在落錘沖擊加載下的破碎特征，結(jié)果表明，沖擊加載后AP顆粒均發(fā)生脆性破裂，且粒度越大顆粒破碎越嚴(yán)重。田勇等[8-10]對(duì)JOB-9003炸藥的熱損傷進(jìn)行了超聲波檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)熱沖擊溫度差與試樣損傷破壞率、超聲波增益之間存在正相關(guān)關(guān)系。目前國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)炸藥損傷的研究大多集中在準(zhǔn)靜態(tài)、低應(yīng)變率或者溫度沖擊方面[11-13]，但對(duì)抗高過載炸藥在沖擊波作用下?lián)p傷及損傷對(duì)感度影響的研究開展較少。

基于此，本研究選取兩種常用的奧克托今(HMX)基抗高過載炸藥作為研究對(duì)象，一種采用壓裝工藝成型，另一種采用澆注工藝成型，用沖擊波感度試驗(yàn)對(duì)炸藥進(jìn)行沖擊損傷，通過CT檢測(cè)表征試驗(yàn)前后炸藥的損傷程度，同時(shí)測(cè)試了沖擊損傷后炸藥的沖擊波感度。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

兩種HMX基炸藥成型工藝不同，一種采用壓裝工藝成型，另一種采用澆注工藝成型。將壓裝成型炸藥壓制成直徑25 mm，高25 mm的小藥柱，沖擊損傷試驗(yàn)時(shí)在鋼管中放入三個(gè)壓裝小藥柱；澆注成型炸藥采用真空混合，并直接澆注裝填在鋼管中，實(shí)驗(yàn)時(shí)直接使用該裝入樣品的鋼管。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程與方法

按照?qǐng)D1所示的流程圖開展本研究，對(duì)于待試炸藥樣品，首先進(jìn)行沖擊波感度試驗(yàn)，得到損傷前兩種炸藥的臨界隔板厚度(即炸藥的沖擊波感度)，依據(jù)該結(jié)果，對(duì)炸藥樣品進(jìn)行沖擊損傷試驗(yàn)，獲得損傷后的炸藥樣品，損傷后炸藥樣品首先進(jìn)行CT檢測(cè)試驗(yàn)，然后進(jìn)行隔板試驗(yàn)，得到損傷后的臨界隔板厚度，分析損傷對(duì)沖擊波感度的影響。

(1) 沖擊波感度試驗(yàn)方法：參照GJB772A-1997中沖擊波感度試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置對(duì)炸藥樣品進(jìn)行沖擊波感度研究，如圖2所示。其中主發(fā)藥柱由鈍化黑索今壓制而成，壓藥密度為1.60 g·cm-3，直徑為40 mm；隔板材料選用有機(jī)玻璃隔板，直徑為40 mm；被試炸藥樣品裝填于45#鋼管中，鋼管尺寸為Φ32 mm×Φ25 mm×76 mm；見證板為Q235級(jí)鋼板，尺寸為100 mm×100 mm×6 mm。

圖1 試驗(yàn)流程圖

Fig.1 Experimental flow diagram

圖2 隔板實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

1—8#電雷管, 2—雷管座, 3—主發(fā)藥柱, 4—有機(jī)玻璃隔板, 5—支架, 6—試樣, 7—鋼管, 8—硬紙板墊片, 9—見證板

Fig.2 Sketch map of experimental device for card gap

1—8#detonator, 2—detonator base, 3—booster charge,4—PMMA card gap, 5—stent, 6—smaple, 7—steel tube,8—hardboard, 9—witness board

(2) 沖擊損傷試驗(yàn)方法：同樣參照GJB772A-1997中沖擊波感度試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置對(duì)炸藥樣品進(jìn)行沖擊損傷試驗(yàn)。采用8#電雷管起爆主發(fā)藥柱，主發(fā)藥柱產(chǎn)生的沖擊波經(jīng)有機(jī)玻璃隔板衰減后作用到被試炸藥樣品中，在炸藥中產(chǎn)生損傷，通過調(diào)整有機(jī)玻璃隔板的厚度，改變作用到被試炸藥的沖擊波強(qiáng)度，從而在被試炸藥中產(chǎn)生不同程度的損傷。

兩炸藥未損傷時(shí)的沖擊波感度實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：澆注成型炸藥的臨界隔板厚度為25～27 mm，壓裝成型炸藥的臨界隔板厚度為38～40 mm。依據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整沖擊損傷試驗(yàn)的隔板厚度。為實(shí)現(xiàn)兩種炸藥樣品在沖擊損傷試驗(yàn)后仍能再次進(jìn)行沖擊波感度試驗(yàn)研究，必須保證在沖擊損傷試驗(yàn)完成后樣品和鋼管基本完整，所以選取的沖擊損傷試驗(yàn)的隔板厚度首先必須大于樣品的臨界隔板厚度。試驗(yàn)結(jié)果表明澆注成型炸藥隔板厚度27～42 mm以及壓裝炸藥隔板厚度40～45 mm時(shí)，鋼管發(fā)生變形或者炸藥樣品破壞嚴(yán)重，這種情況的樣品不能再次進(jìn)行沖擊波感度試驗(yàn)研究。針對(duì)以上情況，兩樣品選取的三種隔板厚度如表1所示。

表1 炸藥樣品沖擊損傷的隔板厚度

Table 1 Gap thicknesses of impact damage for samples

samplecastingmouldingP?1P?2P?3pressedfittingW?1W?2W?3gapthickness/mm484542454851

(3) CT檢測(cè)：為準(zhǔn)確對(duì)比沖擊損傷的影響，利用CT系統(tǒng)對(duì)損傷前后的炸藥樣品進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)，沿著樣品軸向每隔10mm選取工作界面，共選取七個(gè)界面，如圖3所示。

圖3 兩種炸藥CT檢測(cè)工作界面

Fig.3 CT working interface of the two explosives

(4) 損傷后沖擊波感度試驗(yàn)方法：澆注成型炸藥選取的隔板厚度分別為42 mm和45 mm，壓裝成型炸藥選取的隔板厚度分別為45 mm和48 mm，每個(gè)隔板厚度條件下，各進(jìn)行七發(fā)沖擊損傷的有效試驗(yàn)，這里有效試驗(yàn)是指所得到的損傷后樣品及鋼殼體基本完整。將所得損傷后樣品再次進(jìn)行沖擊波感度試驗(yàn)，獲得損傷后炸藥的沖擊波感度臨界隔板厚度。

3 結(jié)果與討論

3.1 CT檢測(cè)結(jié)果

為準(zhǔn)確對(duì)比沖擊波對(duì)樣品的損傷程度，試驗(yàn)前對(duì)樣品的各個(gè)界面進(jìn)行CT檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，損傷前樣品各界面表面平整、密實(shí)，無宏觀裂紋和孔洞等情況，兩樣品界面1處的CT檢測(cè)圖如圖4所示，其余各界面的狀態(tài)與界面1相同，不再進(jìn)行圖示。

a. casting moulding b. pressed fitting

圖4 損傷前界面1的CT檢測(cè)圖

Fig.4 CT photos of interface 1 before damaged

損傷后的樣品及殼體整體形貌基本完整，對(duì)損傷后樣品各界面再次進(jìn)行CT檢測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)六個(gè)樣品中，澆注炸藥界面3～7之間以及壓裝炸藥各界面均未出現(xiàn)宏觀損傷破壞，但是澆注炸藥界面1和2的中心位置均出現(xiàn)了直徑約1～2 mm的孔洞，如圖5所示。

a. interface 1 of casting moulding b. interface 2 of pressed fitting

圖5 澆注炸藥沖擊損傷后CT檢測(cè)圖

Fig.5 CT photos of explosive by casting moulding after damaged

為了對(duì)孔洞進(jìn)一步表征，沿?fù)p傷后炸藥軸向平面進(jìn)行了CT檢測(cè)，如圖6所示。

由圖6可知，距離下端面約7～8 mm的位置，出現(xiàn)了長(zhǎng)度7～8 mm的密閉孔洞。而且三個(gè)不同損傷程度的樣品，孔洞出現(xiàn)的位置、尺寸和形狀基本相同，重復(fù)性比較好。同時(shí)，在樣品的上部靠近隔板處，出現(xiàn)了不同程度破壞，部分樣品被打散，隨著隔板厚度變小，沖擊損傷程度加大，樣品破壞程度變大。

分析出現(xiàn)孔洞的原因可能為：樣品下端面緊貼見證鋼板，沖擊波在此發(fā)生反射，反射后鋼見證板附近的壓力迅速增大。反射沖擊波在已經(jīng)受到?jīng)_擊壓縮過的炸藥中傳播，并不斷衰減。由于起爆方式為中心點(diǎn)起爆，同時(shí)受到側(cè)向稀疏波的影響，中心位置的壓力最高。此外樣品為軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，且澆注炸藥為整體澆注裝填進(jìn)鋼管中，與鋼管內(nèi)部接觸緊密。在入射和反射沖擊波的共同作用下，中心軸向位置內(nèi)應(yīng)力最高，開裂首先發(fā)生在這個(gè)位置。

a. gap thickness 48 mm b. gap thickness 45 mm c. gap thickness 42 mm

圖6 澆注炸藥損傷后軸向平面CT檢測(cè)圖

Fig.6 CT photos of the axial plane of explosive by casting moulding after damaged

利用CT檢測(cè)得到兩種炸藥軸向各界面的平均CT值，從得到的CT值換算得到樣品的密度[14-15]，具見式(1)：

ρi=ρ0Ci/C0

(1)

式中，ρ0和ρi分別為檢測(cè)用模擬藥柱和樣品的密度，g·cm-3，C0和Ci為模擬藥柱和樣品的CT值。其中模擬藥柱為已知密度的標(biāo)準(zhǔn)件，將其和待檢測(cè)炸藥樣品同時(shí)進(jìn)行CT檢測(cè)，得到對(duì)應(yīng)的CT值C0為標(biāo)準(zhǔn)CT值。由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中采用的模擬藥柱相同，所以得到的CT值能反映樣品密度的變化。損傷前后澆注和壓裝樣品各界面CT值，以及CT值的變化幅度見表2。

從表2可以看出，損傷后兩種炸藥的密度均在靠近界面4～7的位置發(fā)生了變化，不過變化幅度和趨勢(shì)相反。三種損傷程度的澆注炸藥界面4～7，損傷后的CT值變小1%～5%。三種損傷程度的壓裝炸藥界面5～7，損傷后的CT值提高1%～8%。

分析其原因，可能是由于兩者的成型工藝不同導(dǎo)致的。澆注炸藥為熱固性炸藥，采用真空澆注固化工藝制備，在制備的過程中炸藥混合物就具有一定的流動(dòng)性，從而填滿了各個(gè)角落。沖擊損傷實(shí)驗(yàn)中，部分沖擊波的能量轉(zhuǎn)換為樣品損傷破壞所需的能量，樣品中出現(xiàn)了更多的孔隙和微裂紋等損傷，樣品變得更加松散，導(dǎo)致密度變小，這一點(diǎn)從圖6中也可以看出來。而采用壓裝工藝的炸藥，樣品本身是由造型粉顆粒在一定壓力作用下壓實(shí)制備。發(fā)生損傷后，造型粉顆粒不僅發(fā)生破碎，而且在沖擊波的作用下發(fā)生流動(dòng)，顆粒間的空隙由破碎的顆粒填充，此外小顆粒也能夠填充到大顆粒的空隙中，導(dǎo)致顆粒間的空隙減少，使炸藥整體被進(jìn)一步壓實(shí)，最終樣品密度變大。

表2 兩種炸藥的CT檢測(cè)結(jié)果

Table 2 CT testing results of the two explosives

sampleinterfacenumber1234567P?1beforedamaged2826282828342833287028932826afterdamaged2820280028362829282928302788rangeability/%-0．21-0．70+0．07-0．14-1．43-2．18-1．34P?2beforedamaged2802281928072813282728672804afterdamaged2799279428062784279227882744rangeability/%-0．11-0．89-0．03-1．03-1．24-2．76-2．14P?3beforedamaged2819282728192819286429262823afterdamaged279127972808280628172806———rangeability/%-1-1．06-0．39-0．46-1．64-4．1———W?1beforedamaged2819277827872821279227992773afterdamaged2788277827862818280428422984rangeability/%-1．10-0．03-0．110．431．547．61W?2beforedamaged2860279428062777275727522778afterdamaged2750279227812777278227952960rangeability/%-0．38-0．07-0．8900．911．566．56W?3beforedamaged2801276628082798277027692803afterdamaged2772275128122775286727692963rangeability/%-1．04-0．540．14-0．823．505．71

3.2 損傷對(duì)沖擊波感度的影響

兩種炸藥未損傷時(shí)的臨界隔板厚度，以及分別經(jīng)歷兩種不同損傷程度后(42 mm(P-3)和45 mm(P-2)，45 mm(W-1)和48 mm(W-2))的臨界隔板值如表3所示。

由表3可知，損傷后兩種樣品的臨界隔板厚度下降，即損傷后樣品在沖擊波作用下變得更加鈍感。這可能是因?yàn)椋?/p>

(1) 實(shí)驗(yàn)中炸藥受到前驅(qū)波脈沖加載后，二次沖擊波再次加載，在這種壓力波形的作用下，反應(yīng)會(huì)受到抑制，反應(yīng)成長(zhǎng)為爆轟的距離將增加，導(dǎo)致?lián)p傷后炸藥的臨界隔板值下降，沖擊波作用下的這種變化稱為沖擊脫敏。這與Mulford等[16]的研究結(jié)果吻合。

(2) CT檢測(cè)結(jié)果表明，兩種炸藥損傷后能夠觀察到尺度很大的宏觀裂紋和孔洞，非均質(zhì)炸藥在沖擊波作用下起爆機(jī)理中，很重要的一點(diǎn)是絕熱壓縮形成熱點(diǎn)。損傷后形成的較大尺寸的孔洞，不利于絕熱壓縮形成熱點(diǎn)，也就不利于反應(yīng)沖擊波向爆轟波的轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致其感度的下降。

(3) 損傷程度與沖擊波感度之間可能存在非單調(diào)遞增或遞減的特性，即在損傷增加到某個(gè)程度之前，沖擊波感度隨著損傷程度的增加逐漸降低，但是若進(jìn)一步增大損傷程度，沖擊波感度反而會(huì)上升，這一部分的研究中將在后續(xù)工作中進(jìn)一步開展。

表3 損傷對(duì)沖擊波感度的影響

Table 3 Influence of damage on shock wave sensitivity

samplecastingmouldingbeforedamagedP?1P?2P?3pressedfittingbeforedamagedW?1W?2W?3criticalgapthicknesses/mm25-27-20-2213-1538-4030-3233-35-

4 結(jié) 論

(1) 沖擊損傷試驗(yàn)后壓裝成型炸藥各觀測(cè)界面均未出現(xiàn)宏觀損傷，而澆注成型炸藥在距見證板一端7～8 mm位置，出現(xiàn)了長(zhǎng)度7～8 mm、直徑1～2 mm的孔洞。

(2) 沖擊損傷后炸藥密度的變化與成型工藝有關(guān)，澆注炸藥損傷后密度降低1%～5%；而壓裝成型炸藥損傷后密度提高1%～8%。

(3) 沖擊損傷后兩種炸藥的沖擊波感度均出現(xiàn)了下降的現(xiàn)象，其中澆注成型炸藥由未損傷時(shí)的臨界隔板厚度25～27 mm下降到13～15 mm；壓裝成型炸藥由未損傷時(shí)的臨界隔板厚度38～40 mm下降到30～32 mm。

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