李玉斌，李金山，向 永，徐瑞娟

（中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng)621900）

引 言

蘇珊試驗(yàn)是一種彈丸撞擊試驗(yàn)，用于評(píng)價(jià)裝在彈丸中的炸藥與靶面撞擊時(shí)的安全性，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用時(shí)著靶時(shí)刻引信仍處于保險(xiǎn)狀態(tài)的情況來(lái)說(shuō)，蘇珊感度是一個(gè)十分重要的使用安全性項(xiàng)目。因此研究PBX 炸藥在蘇珊撞擊中的響應(yīng)，對(duì)于全面評(píng)估炸藥部件的撞擊安全性、指導(dǎo)裝藥與彈體設(shè)計(jì)，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前，對(duì)炸藥粒度與撞擊感度的關(guān)系尚存在不同觀點(diǎn)。Albert Van Der Steen［1］采用蘇珊試驗(yàn)考察了單質(zhì)炸藥的粒度與PBX 感度的關(guān)系，指出采用細(xì)顆粒單質(zhì)炸藥會(huì)降低PBX 炸藥的感度，但未闡明其中的機(jī)制。國(guó)內(nèi)外研究表明［2-3］，炸藥的感度隨著其粒度的變化盡管存在一定的趨勢(shì)性，但并不完全遵循粒度減小、感度升高的規(guī)律。此外，炸藥粒度分布范圍以及分布峰形的差異也會(huì)直接影響炸藥的感度［4-6］。

為了進(jìn)一步從蘇珊撞擊感度角度認(rèn)清炸藥顆粒特性對(duì)撞擊感度的影響規(guī)律，本實(shí)驗(yàn)研究了3種HMX 基PBX 的蘇珊感度，比較了HMX 粒度級(jí)配對(duì)蘇珊撞擊感度的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

C-HMX，工業(yè)級(jí)，甘肅銀光化工公司，形狀不規(guī)則，粒度分布較寬，平均粒徑29μm；D-HMX，高品質(zhì)，由工業(yè)級(jí)HMX 經(jīng)重結(jié)晶而得，形狀規(guī)整，表面光滑，顆粒分布較窄，平均粒徑分別為20、105μm。HMX 的顆粒特性見(jiàn)圖1和表1。

圖1 C-HMX和細(xì)顆粒D-HMX折光光學(xué)顯微圖Fig.1 Optical microscopic images with matching refractive index of C-HMX and fine D-HMX

表1 不同HMX 的顆粒特性Table 1 Particle character of several different HMX

1.2 樣品的制備

將HMX、鈍感劑及黏結(jié)劑按一定的質(zhì)量比（94∶6）用溶液水懸浮法制成HMX 基PBX 造型粉（編號(hào)見(jiàn)表2）。將造型粉熱壓，制成相對(duì)密度為98.5%的藥柱。

表2 HMX 基PBX 中HMX 的顆粒狀態(tài)及力學(xué)性能Table 2 HMX particle character and mechanical property of several HMX-based PBX

1.3 感度測(cè)試

按照GJB772A-1997 方法610.1 進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，將炸藥裝入蘇珊試驗(yàn)彈中，用炮將彈丸水平發(fā)射出炮口，并在彈丸飛行的正前方3.7m 處垂直豎立一裝甲靶板。試驗(yàn)過(guò)程中可用空氣炮通過(guò)調(diào)節(jié)大小氣室及充氣壓力來(lái)調(diào)節(jié)彈丸的發(fā)射速度，可以實(shí)現(xiàn)從低速到高速的較大范圍的撞擊測(cè)試。

用高速攝影記錄彈丸著靶姿態(tài)以及撞靶后擠壓變形直至點(diǎn)火爆炸的過(guò)程；通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測(cè)量炸藥爆炸后形成的空氣沖擊波超壓，然后轉(zhuǎn)換成相對(duì)釋放能。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，對(duì)藥柱的撞擊感度進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。

圖2 HMX 晶體品質(zhì)及顆粒尺寸對(duì)PBX 蘇珊感度的影響Fig.2 Influence of crystal quality and particle size of HMX on the Susan sensitivities of HMX-based PBX

2 結(jié)果與討論

2.1 HMX 晶體品質(zhì)對(duì)PBX 蘇珊閾值速度的影響

圖2是不同品質(zhì)、不同顆粒度的HMX 基PBX的蘇珊感度曲線。

從圖2可以看出，由不同品質(zhì)HMX 晶體制成的PBX，在不同撞擊速度下的感度曲線有明顯差別。由于高品質(zhì)HMX 晶體內(nèi)部缺陷更少，低速撞擊時(shí)產(chǎn)生的熱點(diǎn)少，因而不易引起反應(yīng)，撞擊的閾值速度較含普通品質(zhì)HMX 的高。但當(dāng)撞擊速度增大到一定值后（如120m／s），含高品質(zhì)HMX 的PBX因顆粒不易破碎而產(chǎn)生大量摩擦生熱，其反應(yīng)程度大于含普通品質(zhì)HMX 的PBX。

在蘇珊試驗(yàn)中炸藥的起爆機(jī)理屬于熱點(diǎn)起爆機(jī)理，起爆過(guò)程可分為點(diǎn)火和爆轟成長(zhǎng)兩個(gè)階段。對(duì)撞擊閾值速度起決定性作用的是點(diǎn)火階段的影響因素［8］。炸藥受撞擊或摩擦?xí)r，并不是全部遭受機(jī)械作用的物質(zhì)平均受熱，而只是其中的個(gè)別部分，例如炸藥內(nèi)部的空穴、間隙等。外加的機(jī)械能集中在這些局部區(qū)域，形成熱點(diǎn)，進(jìn)而引起周?chē)ㄋ庮w粒表面燃燒而釋放能量，燃燒逐漸發(fā)展成為爆轟。顆粒間的摩擦、晶體的缺陷、炸藥塑性流變效應(yīng)［9-10］等均可能導(dǎo)致熱點(diǎn)的形成。由圖1可以發(fā)現(xiàn)，普通品質(zhì)HMX的晶體表面含有較多尖銳棱角，這些區(qū)域具有較高的表面能，性質(zhì)比較活潑，容易形成導(dǎo)致反應(yīng)發(fā)生的活性中心［11］，成為炸藥在撞擊作用下的熱點(diǎn)來(lái)源；另外，普通品質(zhì)HMX的晶體密度低于高品質(zhì)HMX，其顆粒內(nèi)部的缺陷明顯高于后者，這兩方面的因素結(jié)合起來(lái)，就使得含普通品質(zhì)HMX 的PBX 炸藥表現(xiàn)出更低的蘇珊撞擊反應(yīng)閾值。

另一方面，炸藥蘇珊撞擊感度也會(huì)受到爆轟成長(zhǎng)過(guò)程的因素影響而產(chǎn)生不同的反應(yīng)激烈程度。炸藥顆粒在沖擊波作用下發(fā)生塑性變形的難易對(duì)爆轟成長(zhǎng)有重要影響。在試驗(yàn)過(guò)程中，彈撞擊靶后，試樣在彈與靶板之間受到強(qiáng)烈的撞擊、摩擦以及粘滯流動(dòng)等作用，炸藥之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離大，在炸藥的邊緣部位往往會(huì)出現(xiàn)很大的剪切變形、剪應(yīng)力和粘塑性功的耗散，就可能引起剪切起爆，進(jìn)而成長(zhǎng)為爆轟。在較高彈速時(shí)，由于高品質(zhì)HMX顆粒晶體更為完整，藥柱的模量更大，顆粒間更易產(chǎn)生強(qiáng)摩擦和剪切作用，生熱量更大，相應(yīng)地就更易發(fā)生后續(xù)反應(yīng)而成長(zhǎng)為爆轟。

2.2 HMX 粒度與PBX 蘇珊撞擊響應(yīng)的關(guān)系

一般來(lái)說(shuō)，壓裝PBX 炸藥在其壓制成型過(guò)程可能會(huì)出現(xiàn)晶體顆粒的破碎，但從回收的晶體粒度分析結(jié)果看，含細(xì)顆粒的PB-D-J0中HMX 的粒徑分布基本上沒(méi)有發(fā)生變化，而含大顆粒的PB-D-J5回收的HMX 的粒度分布變化很小，因此，可認(rèn)為兩種PBX 中HMX 的顆粒度在成型后沒(méi)有變化。

從圖2可以看出，盡管PBX 的配方相同，但HMX 的狀態(tài)差異對(duì)蘇珊試驗(yàn)的結(jié)果有一定的影響，顆粒級(jí)配的裝藥比細(xì)顆粒裝藥的反應(yīng)程度略小一些，其反應(yīng)閾值速度（59m／s）也要高于后者（47m／s）。這些差異主要與彈丸中炸藥撞靶時(shí)的受力情況有關(guān)。撞擊作用會(huì)引起炸藥晶體破碎、擠壓，在晶體間形成相當(dāng)高的應(yīng)力，而這種應(yīng)力會(huì)在炸藥內(nèi)的缺陷處形成熱點(diǎn)，進(jìn)一步發(fā)展為劇烈反應(yīng)。在該過(guò)程中，形成高應(yīng)力的時(shí)間即應(yīng)力形成的延滯期起重要作用。炸藥的粒度不同，在受到摩擦和剪切作用時(shí)形成的內(nèi)應(yīng)力大小和持續(xù)時(shí)間也不同。細(xì)顆粒晶體因?yàn)椴灰灼扑?，高?yīng)力的持續(xù)作用較長(zhǎng)，摩擦形成的熱點(diǎn)一旦形成就易累積發(fā)展為劇烈反應(yīng)，如PB-D-J0；而粗顆粒的割線模量比細(xì)顆粒小約100MPa，因此粗顆粒晶體相對(duì)于細(xì)顆粒則更易破碎，這會(huì)消耗一部分撞擊能量，導(dǎo)致用于摩擦生熱的能量相應(yīng)就會(huì)小一些，如PBD-J5。

PBX 炸藥在撞靶過(guò)程中的響應(yīng)還受到藥柱內(nèi)部空穴大小的影響。藥柱中顆粒間的微小空穴也是形成熱點(diǎn)的主要原因。采用粗細(xì)顆粒級(jí)配，有利于進(jìn)一步減小顆粒間空穴的尺寸，使得潛在熱點(diǎn)的尺寸變小。由于熱點(diǎn)大小與爆炸的臨界溫度呈反比，熱點(diǎn)半徑越小，爆炸臨界溫度越高，因此粒度級(jí)配炸藥在蘇珊撞擊中的反應(yīng)閾值速度較全為細(xì)顆粒的炸藥更高些，反應(yīng)的程度也要略低一些。

2.3 撞靶速度與PBX 響應(yīng)程度的關(guān)系

由于蘇珊試驗(yàn)條件本身的限制，雖然高速攝影能記錄撞靶時(shí)刻的變形，但圖像比較模糊，且因反應(yīng)很快便會(huì)發(fā)出亮光與煙霧，因此現(xiàn)有的攝影技術(shù)手段幾乎無(wú)法分辨出煙霧包裹下的鋁殼及炸藥撞擊變形差異，因而主要依靠反應(yīng)超壓及殘留炸藥樣品來(lái)區(qū)別。從圖2及表3結(jié)果看出，在不同彈速下炸藥的反應(yīng)程度比較復(fù)雜。不同狀態(tài)的炸藥在彈速100m／s附近撞靶時(shí)的反應(yīng)程度比較接近，相對(duì)釋放能均在25%左右。

表3 3種PBX 炸藥的蘇珊試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of several PBX in Susan test

不同撞靶速度會(huì)產(chǎn)生不同程度的響應(yīng)，這與試驗(yàn)彈內(nèi)炸藥的受力狀態(tài)發(fā)生變化有關(guān)。當(dāng)試驗(yàn)彈撞靶時(shí)，其飛行的機(jī)械能幾乎全部轉(zhuǎn)化為內(nèi)能作用在炸藥上，引起炸藥變形、生熱以及后續(xù)反應(yīng)。撞靶速度越大，作用在炸藥上的能量也越高。

從試驗(yàn)結(jié)果看，可以認(rèn)為在蘇珊試驗(yàn)中存在一個(gè)撞靶的臨界速度（約100m／s），低于該速度，則撞擊時(shí)PBX 將會(huì)受到擠壓作用，內(nèi)部產(chǎn)生剪切變形，且擠壓作用的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，彈體的動(dòng)能一部分被PBX 吸收后使PBX 溫度升高、產(chǎn)生熱點(diǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)直至出現(xiàn)爆燃或爆轟；在達(dá)到該速度后的一段區(qū)間內(nèi)（100～150m／s），撞擊作用產(chǎn)生的高應(yīng)力使PBX 藥柱迅速破碎，撞擊能量被分散，作用時(shí)間很短，PBX 來(lái)不及發(fā)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，3 種炸藥所產(chǎn)生的超壓值基本在同一水平。而當(dāng)撞靶速度更高時(shí)（約150m／s），彈內(nèi)的PBX 藥柱會(huì)迅速被擠出并撞靶，炸藥顆粒間摩擦作用十分強(qiáng)烈，大部分發(fā)生分解反應(yīng)，產(chǎn)生較高的超壓值。當(dāng)撞擊速度增大到一定程度后（如120m／s），含高品質(zhì)HMX的PBX反應(yīng)程度大于含普通品質(zhì)HMX 的PBX，分析其原因可能是高品質(zhì)HMX 基PBX 模量大于普通品質(zhì)HMX 基PBX，在高速時(shí)產(chǎn)生的顆粒間摩擦作用更強(qiáng)，生熱更多，分解反應(yīng)更強(qiáng)所致，但因目前表征藥柱撞靶變形的手段不足，尚需進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

（1）壓裝PBX 炸藥的蘇珊撞擊感度與所用炸藥晶體顆粒的品質(zhì)及粒度有關(guān)。使用高品質(zhì)HMX，可以獲得撞擊閾值速度更高的壓裝HMX 基PBX；適宜的顆粒級(jí)配有利于提高PBX 的蘇珊撞擊起爆閾值，降低反應(yīng)的程度。

（2）蘇珊試驗(yàn)中存在一個(gè)撞靶臨界速度（約100m／s），低于該速度，含高品質(zhì)HMX 的PBX 反應(yīng)程度小于含普通品質(zhì)HMX 的PBX；高于該速度，含高品質(zhì)HMX 的PBX 反應(yīng)程度則大于含普通品質(zhì)HMX 的PBX。

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