李金河，文尚剛，譚多望，李 濤

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621900）

低沖擊作用下JO9159炸藥的反應(yīng)閾值*

李金河，文尚剛，譚多望，李 濤

（中國工程物理研究院流體物理研究所沖擊波物理與爆轟物理國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621900）

設(shè)計(jì)了改進(jìn)的隔板實(shí)驗(yàn)裝置，采用PVDF壓力計(jì)測量受試炸藥的入射壓力，利用高速分幅相機(jī)得到炸藥自由表面發(fā)展變化過程。通過分析計(jì)算得到入射壓力與自由表面粒子速度之間的關(guān)系，并與未反應(yīng)炸藥計(jì)算的自由面粒子速度進(jìn)行了比較，得到JO-9159炸藥在低沖擊作用下的化學(xué)反應(yīng)閾值和點(diǎn)火閾值分別為1.13和1.98GPa。

爆炸力學(xué)；反應(yīng)閾值；隔板實(shí)驗(yàn)；JO-9159炸藥；低沖擊；PVDF壓力計(jì)；高速分幅相機(jī)

炸藥的安全性和使用性能是含能材料最重要的2個研究方面。早期的爆轟基礎(chǔ)研究主要集中在較高壓力作用下炸藥的沖擊起爆機(jī)制和炸藥的爆轟性能。如今，炸藥在貯存、使用過程中的安全性也越來越受到重視，成為爆轟基礎(chǔ)研究中的一個重點(diǎn)。炸藥在貯存和使用過程中可能的危險(xiǎn)源大致分為3類：機(jī)械撞擊、熱刺激和沖擊波作用［1］。由于強(qiáng)度和作用時間的不同，炸藥在3種危險(xiǎn)源的作用下可能會產(chǎn)生不同的反應(yīng)情況，如化學(xué)反應(yīng)、點(diǎn)火、燃燒、爆燃、爆轟以及爆燃轉(zhuǎn)爆轟（deflagration-to-detonation transition，DDT）和延遲爆轟（delayed detonation，XDT）等現(xiàn)象。DDT和XDT現(xiàn)象是炸藥或武器系統(tǒng)貯存、使用過程中必須避免的，往往會導(dǎo)致災(zāi)難性的事故。許多研究者采用多種實(shí)驗(yàn)方法對XDT和DDT現(xiàn)象進(jìn)行了研究［2－5］，雖然得到了一些普遍的認(rèn)識，但由于其產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜、發(fā)生概率低、重復(fù)性差，直接研究進(jìn)展不大。因此，人們退而研究更加基礎(chǔ)性的階段——熱和撞擊加載下含能材料的損傷與點(diǎn)火反應(yīng)，并在方法論上趨同于若干公認(rèn)的、可比較的基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬［6］，如烤燃實(shí)驗(yàn)、Steven實(shí)驗(yàn)等［7－10］。而隔板實(shí)驗(yàn)則是研究沖擊波作用下炸藥反應(yīng)機(jī)理的重要方法。P.J.Baker［11］認(rèn)為研究在低刺激作用下炸藥的反應(yīng)很有意義，指出在低于一定壓力情況下炸藥不會發(fā)生反應(yīng)（即存在反應(yīng)閾值），但壓力在反應(yīng)閾值和爆轟閾值之間可能出現(xiàn)DDT、燃燒和爆炸等現(xiàn)象。S.K.Chidester等［12－13］用Steven實(shí)驗(yàn)方法對PBX-9501等炸藥進(jìn)行了研究，說明在低壓下存在燃燒性質(zhì)的反應(yīng)，炸藥發(fā)生反應(yīng)的閾值速度與其厚度無關(guān)。T.P.Liddiard等［14－15］通過改進(jìn)的隔板實(shí)驗(yàn)方法說明炸藥的反應(yīng)閾值與炸藥厚度無關(guān)，入射壓力在化學(xué)反應(yīng)閾值與點(diǎn)火閾值之間時，炸藥的反應(yīng)烈度很低。對于某些以HMX為主要成分的炸藥，在接近點(diǎn)火閾值時，大尺寸裝藥有可能發(fā)生災(zāi)害性的反應(yīng)。M.Kroh等［16］也采用改進(jìn)的隔板實(shí)驗(yàn)方法得到了低于炸藥爆轟閾值壓力的反應(yīng)閾值壓力?？梢?，炸藥在低沖擊作用下存在反應(yīng)閾值，反應(yīng)閾值與炸藥的安全性密切相關(guān)，研究炸藥在低沖擊作用下的反應(yīng)閾值對炸藥的安全性有重要意義。

本文中改進(jìn)傳統(tǒng)的隔板實(shí)驗(yàn)裝置，采用PVDF壓力計(jì)和S150型等待式高速分幅相機(jī)聯(lián)合測試方法研究JO-9159炸藥在低沖擊作用下的反應(yīng)閾值，以期為炸藥的安全性評估提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置由傳統(tǒng)隔板實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)而來，去掉了見證板，消除見證板產(chǎn)生的反射沖擊波對炸藥反應(yīng)的影響，以研究在沖擊波單獨(dú)作用下炸藥的反應(yīng)情況。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示，主要由雷管、平面波透鏡、有機(jī)玻璃隔板、受試炸藥、聚酯膜、PVDF壓力計(jì)、防護(hù)板、標(biāo)尺等組成。平面波透鏡的直徑為100mm，產(chǎn)生的平面沖擊波作為裝置的初始壓力。有機(jī)玻璃隔板的總厚度可以通過改變隔板數(shù)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以調(diào)整輸入到炸藥中的沖擊波強(qiáng)度。單塊有機(jī)玻璃板的尺寸為?100mm×10mm。受試炸藥JO-9159的尺寸為?40mm×25mm，為便于照相，安裝完成后將其柱面涂為黑色；聚酯膜厚度為0.04mm，貼在整個炸藥的自由面上，以減少炸藥樣品表面噴射物的影響，利于分辨炸藥自由面。PVDF壓力計(jì)用于測量經(jīng)有機(jī)玻璃衰減后的輸出壓力及受試炸藥的入射壓力；防護(hù)板厚度為30mm，用于阻止透鏡起爆后產(chǎn)生的反應(yīng)產(chǎn)物過早進(jìn)入高速分幅相機(jī)視場，影響測試效果；標(biāo)尺可以作為計(jì)算自由面粒子運(yùn)動時的參考，便于對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確判讀。高速分幅相機(jī)采用氙燈面光源進(jìn)行照明。共進(jìn)行了5發(fā)實(shí)驗(yàn)，隔板厚度d分別為50、70、80、90、100mm。

圖1 改進(jìn)的隔板實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1Configuration of the modified gap test setup

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 等待式分幅相機(jī)記錄結(jié)果

等待式分幅相機(jī)記錄的典型炸藥自由面運(yùn)動圖像見圖2。圖中的各幅圖像是經(jīng)過選取而來的，并不是原始連續(xù)拍攝結(jié)果，相機(jī)記錄幅頻為（2～3）×105s－1。

圖2 不同隔板厚度情況下炸藥自由面運(yùn)動圖像Fig.2 Motion images of the free surface of the explosive in the cases of different gaps

由實(shí)驗(yàn)拍攝所得自由面運(yùn)動圖像可知，隨著隔板厚度增加，隔板輸出壓力減小，炸藥表面入射壓力降低，自由面速度減小，炸藥反應(yīng)的劇烈程度也逐漸減弱，發(fā)生最強(qiáng)烈反應(yīng)的位置逐漸后移，相應(yīng)地發(fā)生最強(qiáng)烈反應(yīng)的時間也有一定延遲。隔板厚度為50mm時，炸藥在底部發(fā)生了可能是爆炸性質(zhì)的劇烈反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物迅速向軸向和徑向擴(kuò)散。隔板厚度為70mm時，炸藥發(fā)生了強(qiáng)烈的反應(yīng)，最先發(fā)生反應(yīng)的位置在底部，但是反應(yīng)最強(qiáng)烈的位置位于炸藥的中下部。隔板厚度為80和90mm時，炸藥自由面的運(yùn)動過程較相似，發(fā)生了明顯的反應(yīng)，但是反應(yīng)最強(qiáng)烈的位置進(jìn)一步后移，位于炸藥的中上部。隔板厚度為100mm時，反應(yīng)產(chǎn)物在接近頂部位置出現(xiàn)了“牛角”狀突起，說明炸藥在頂部附近發(fā)生了較微弱的反應(yīng)，產(chǎn)物在向外擴(kuò)散的時候形成了突起。壓力降低后，炸藥反應(yīng)最強(qiáng)烈的位置后移以及時間的延遲可能與炸藥低壓下發(fā)生XDT或DDT現(xiàn)象存在一定的關(guān)系。

2.2 PVDF壓力計(jì)測試結(jié)果

PVDF壓力計(jì)不僅可以測量受試炸藥的入射壓力，還能區(qū)別受試炸藥是否發(fā)生了強(qiáng)烈反應(yīng)（爆炸）。圖3給出了實(shí)驗(yàn)中PVDF壓力計(jì)的典型實(shí)驗(yàn)波形，可以看出，隔板厚度為50和100mm時，入射壓力波形有較大的區(qū)別。隔板厚度為50mm時，PVDF壓力計(jì)的測量結(jié)果比隔板厚度為100mm時多了一段壓力突躍過程，持續(xù)時間為約1μs。這主要是由于隔板厚度為50mm時炸藥在底部附近發(fā)生了比較強(qiáng)烈的反應(yīng)導(dǎo)致壓力迅速上升。而隔板厚度為100mm時，炸藥沒有發(fā)生強(qiáng)烈反應(yīng)，在PVDF壓力計(jì)的測量結(jié)果上沒有出現(xiàn)壓力突躍現(xiàn)象。5發(fā)實(shí)驗(yàn)的PVDF壓力計(jì)測試波形表明，隔板厚度為50和70mm時，炸藥發(fā)生了強(qiáng)烈的反應(yīng)；而隔板厚度為80、90和100mm時，炸藥反應(yīng)程度較弱。

圖3 PVDF壓力計(jì)測得的典型實(shí)驗(yàn)波形Fig.3 Typical experimental waves captured by PVDF pressure gauges

3 分析與討論

根據(jù)等待式分幅相機(jī)的記錄結(jié)果，由相鄰圖像之間標(biāo)尺與炸藥自由面位置變化關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)時相機(jī)采用的幅頻，可以計(jì)算自由面粒子速度up，計(jì)算結(jié)果見表1。PVDF壓力計(jì)的實(shí)驗(yàn)波形可以根據(jù)PVDF壓力計(jì)的標(biāo)定方程轉(zhuǎn)換為壓力波形，并由此得到受試炸藥的入射壓力pi，見表1。由此可得入射壓力和自由表面粒子速度之間的關(guān)系，見圖4。

表1 受試炸藥入射壓力和自由面粒子速度Table 1 Input pressures and free-surface particle velocities of test explosive

由圖4可知，在隔板厚度為80～100mm之間時，受試炸藥的入射壓力較低，實(shí)驗(yàn)測得的自由表面粒子速度與未反應(yīng)炸藥自由表面粒子速度之間具有較小的速度差；并且速度與壓力呈線性關(guān)系。由該線性關(guān)系擬合出的直線與未反應(yīng)炸藥自由面粒子速度曲線相交，交點(diǎn)即為受試炸藥的化學(xué)反應(yīng)閾值點(diǎn)，相應(yīng)的受試炸藥的化學(xué)反應(yīng)閾值壓力約1.13GPa。在隔板厚度小于80mm時，受試炸藥自由面粒子速度急劇增加，說明炸藥發(fā)生反應(yīng)的性質(zhì)已經(jīng)有了明顯改變，80mm隔板厚度附近是由化學(xué)反應(yīng)向點(diǎn)火反應(yīng)發(fā)生的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，該點(diǎn)即為點(diǎn)火閾值點(diǎn)，相應(yīng)的點(diǎn)火閾值壓力為約1.98GPa。

炸藥的點(diǎn)火閾值壓力比爆轟閾值壓力小，但他們之間存在一定的關(guān)系。在低于爆轟閾值壓力沖擊下，炸藥發(fā)生點(diǎn)火后，在適當(dāng)?shù)募s束或2次沖擊波的作用下，有可能進(jìn)一步成長為爆炸或爆轟，產(chǎn)生所謂的延遲爆轟現(xiàn)象。由此可以說明點(diǎn)火閾值對炸藥的安全性有重要影響，是表征炸藥在低壓沖擊作用下感度的重要指標(biāo)。當(dāng)炸藥的入射壓力在化學(xué)反應(yīng)閾值與點(diǎn)火閾值之間時，炸藥發(fā)生反應(yīng)的速度較慢，反應(yīng)的劇烈程度較低，在較弱的約束條件或無外加能量下，反應(yīng)不能自持而熄滅，但在一定約束或其他條件下有進(jìn)一步發(fā)展成為點(diǎn)火的可能。當(dāng)炸藥的入射壓力在低于其化學(xué)反應(yīng)閾值時，炸藥不會發(fā)生反應(yīng)，也不會發(fā)展為點(diǎn)火反應(yīng)或爆轟反應(yīng)。在正常貯存、運(yùn)輸?shù)冗^程中，為保證安全，應(yīng)盡量將炸藥受到外界刺激產(chǎn)生的入射壓力控制在化學(xué)反應(yīng)閾值以下。

圖4 自由面粒子速度與入射壓力之間的關(guān)系Fig.4 Relation between free surface particle velocity and input pressure

4 結(jié) 論

改進(jìn)了傳統(tǒng)隔板實(shí)驗(yàn)裝置，發(fā)展了采用PVDF壓力計(jì)和等待式分幅相機(jī)研究炸藥反應(yīng)閾值的聯(lián)合測試方法。實(shí)驗(yàn)表明，低壓沖擊下，JO-9159炸藥存在反應(yīng)閾值，實(shí)驗(yàn)得到的化學(xué)反應(yīng)閾值壓力為約1.13GPa，點(diǎn)火閾值壓力為約1.98GPa。點(diǎn)火閾值是表征炸藥在低壓沖擊作用下感度的重要指標(biāo)，與炸藥發(fā)生延遲爆轟可能有一定關(guān)系，化學(xué)反應(yīng)閾值是充分保證炸藥貯存、運(yùn)輸安全的重要參考依據(jù)。

［1］Tarver C M，Chidester S K.On the violence of high explosive reactions［J］.Journal of Pressure Vessel Technology，2005，127（1）：39-48.

［2］Salvetat B，Guery F.Visualization and modeling of delayed detonation in the card gap test［C］∥Proceedings of the 10th International Detonation Symposium.Boston，MA：Office of Naval Research，1993：709-715.

［3］陳朗，柯家山，方青，等.低沖擊下固體炸藥延遲起爆（XDT）現(xiàn)象［J］.爆炸與沖擊，2003，23（3）：214-218.

CHEN Lang，KE Jia-shan，F(xiàn)ANG Qing，et al.Delayed detonation of solid explosives under low amplitude shock wave loading［J］.Explosion and Shock Waves，2003，23（3）：214-218.

［4］Hare D E，F(xiàn)orbes J W，Garcia F，et al.A report on the deflagration-to-detonation transition（DDT）in the high explosive LX-04［R］.UCRL-TR-205024，2004.

［5］孫錦山.含能材料的燃燒轉(zhuǎn)爆轟研究［J］.含能材料，1994，2（3）：1-12.

SUN Jin-shan.Studies of deflagration-to-detonation transition in energetic materials［J］.Energetic Materials，1994，2（3）：1-12.

［6］孫承緯.爆轟學(xué)科研究發(fā)展的動向［J］.爆轟波與沖擊波，2003（2）：47-53.

［7］Chidester S K，Tarver C M，Green L G，et al.On the violence of thermal explosion in solid explosives［J］.Combustion and Flame，1997，110（1／2）：264-280.

［8］Baer M R，Hobbs M L，Gross R J，et al.Cookoff of energetic materials［C］∥Proceedings of the 11th International Detonation Symposium.Snowmass，CO：Office of Naval Research，1998：852-861.

［9］Chidester S K，Tarver C M，Garza R，et al.Low amplitude impact testing and analysis of pristine and aged solid high explosives［C］∥Proceedings of the 11th International Detonation Symposium.Snowmass，CO：Office of Naval Research，1998：93-100.

［10］Vandersall K S，Chidester S K，F(xiàn)orbes J W，et al.Experimental and modeling studies of crush，puncture，and perforation scenarios in the Steven impact test［C］∥Proceedings of the 12th International Detonation Symposium.San Diego，CA：Office of Naval Research，2002：68-76.

［11］Baker P J.Impact-initiated detonative and nondetonative reactions in confined tritonal，composition H-6，and PBXN-109［C］∥Proceedings of the 11th International Detonation Symposium.Snowmass，CO：Office of Naval Research，1998：254-265.

［12］Chidester S K，Green L G，Lee C G.A frictional work predictive method for the Initiation of solid high explosives from low pressure impacts［C］∥Proceedings of the 10th International Detonation Symposium.Boston，MA：Office of Naval Research，1993：785-792.

［13］Chidester S K，Gaiza R，Tarver C M.Low amplitude impact testing and analysis of pristine and aged solid high explosives［C］∥Proceedings of the 11th International Detonation Symposium.Snowmass，CO：Office of Naval Research，1998：93-100.

［14］Liddiard T P，F(xiàn)orbes J W.Physical evidence of different chemical reactions in explosives as a function of stress［C］∥Proceedings of the 9th International Detonation Symposium.Portland，OR：Office of Naval Research，1989：1235-1242.

［15］Lemar E R，Liddiard T P，F(xiàn)orbes J W.The analysis of modified gap test data for several insensitive explosives［C］∥Proceedings of the 10th International Detonation Symposium.Boston，MA：Office of Naval Research，1993：731-737.

［16］Kroh M，Thoma K，Arnold W，et al.Shock sensitivity and performance of several high explosives［C］∥Proceedings of the 8th International Detonation Symposium.White Oak，MD：Naval Surface Weapons Center，1985：1131-1138.

Reaction threshold of explosive JO-9159under low-amplitude shock＊

LI Jin-he，WEN Shang－gang，TAN Duo-wang，LI Tao
（National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics，Institute of Fluid Physics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，Sichuan，China）

The modified gap test setup was designed.The input pressure of acceptor explosive was measured by applying a PVDF gauge，and the motion images of the free surface were recorded by using a high-speed frame camera.The relation between the free-surface particle velocity and input pressure of explosive were obtained and compared with the calculated free-surface particle velocity of unreacted explosive.Comparison shows that the chemical reaction threshold and ignition threshold of explosive JO-9159are 1.33and 1.98GPa，respectively.

mechanics of explosion；reaction threshold；gap test；explosive JO-9159；low-amplitude shock；PVDF gauge；high-speed frame camera

8September 2009；Revised 12October 2010

LI Jin-he，103lijinhe＠live.cn

（責(zé)任編輯 張凌云）

O389 國標(biāo)學(xué)科代碼：130·35

A

1001-1455（2011）02-0148-05＊

2009-09-08；

2010-10-12

李金河（1979— ），男，學(xué)士，助理研究員。