陳 皓，徐洪濤，鄒洪輝，胡宏偉

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.岳陽(yáng)地區(qū)軍事代表室，湖南 岳陽(yáng) 414001)

引 言

炸藥在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中，不可避免地要遇到機(jī)械撞擊等作用，撞擊感度作為表征炸藥安全的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)于炸藥安全性研究具有非常重要的意義[1-3]。目前的撞擊感度測(cè)試(低速撞擊條件下)大都是測(cè)定毫克量級(jí)的粉狀炸藥的感度，然而除了制造和成型過(guò)程以外，使用中的炸藥大部分為成型藥柱，由于鈍感炸藥的惰性包覆膜在成型過(guò)程中可能被破壞以及成型炸藥結(jié)構(gòu)、尺寸對(duì)撞擊能量傳遞的影響等原因，成型藥柱的性質(zhì)與粉狀炸藥存在較大差異，粉狀炸藥的撞擊感度測(cè)試結(jié)果并不能完全反映成型藥柱遭受機(jī)械撞擊的安全性。

由于成型藥柱與實(shí)際應(yīng)用條件更為接近，為此科研人員采用炸藥藥片或小型藥柱開(kāi)展了成型藥柱的撞擊感度試驗(yàn)研究。代曉淦等[4]設(shè)計(jì)建立了一種炸藥大藥片撞擊感度試驗(yàn)方法，可進(jìn)行尺寸規(guī)格為Φ20mm×5mm的大藥片撞擊感度測(cè)試，對(duì)Tetryl炸藥和JO-9003炸藥進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。孫業(yè)斌[5]研究了兩端無(wú)約束條件下1.5mm厚藥片的撞擊感度，結(jié)果表明，在相同溫度和相同裝藥密度條件下，無(wú)約束裝藥受到相同能量的撞擊時(shí)，其爆炸概率比有約束裝藥增大。但由于炸藥藥片尺寸較小，不能完全反應(yīng)炸藥尺寸等參數(shù)對(duì)成型裝藥撞擊感度的影響，因此，研究人員開(kāi)發(fā)了較大尺寸的藥柱感度試驗(yàn)裝置進(jìn)行撞擊感度試驗(yàn)及響應(yīng)規(guī)律研究。徐洪濤等[6]建立了一套新的炸藥藥柱撞擊感度測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)成型炸藥藥柱和不同尺寸的推進(jìn)劑進(jìn)行了撞擊試驗(yàn)，結(jié)果表明，此測(cè)試系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠可靠測(cè)定炸藥藥柱的撞擊感度；藥粉與藥柱由于結(jié)構(gòu)的不同，試驗(yàn)結(jié)果也不完全一致；J. M. Brosse等[7]使用直徑10mm的藥柱放在鋼軸承座的兩個(gè)擊柱之間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)落高和能量的關(guān)系曲線與大型蘇珊試驗(yàn)類(lèi)似；王淑萍等[8]利用大型撞擊加載裝置對(duì)不同直徑的炸藥裝藥進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，分析了藥柱直徑對(duì)其敏感性的影響，為炸藥裝藥發(fā)射安全性研究提供了合適的模擬藥柱尺寸；高立龍等[9]利用400kg落錘加載裝置研究了裝藥成分與工藝對(duì)藥柱撞擊感度的影響，結(jié)果表明組成相近的配方，藥柱撞擊感度與抗壓強(qiáng)度、成型工藝相關(guān)；組成相近的HMX基澆注、壓裝炸藥配方中，藥粒撞擊感度和藥柱撞擊感度都比RDX基炸藥低；澆注類(lèi)炸藥中加入AP時(shí)，藥粒和藥柱撞擊感度會(huì)提高，對(duì)安全不利，壓裝類(lèi)炸藥則影響不明顯。

炸藥藥柱的撞擊感度還與藥柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(壓縮緩沖)、熱導(dǎo)率(熱傳導(dǎo)散熱)、環(huán)境溫度等有關(guān)，但相關(guān)研究很少。本研究利用文獻(xiàn)[6]研制的炸藥藥柱撞擊感度試驗(yàn)裝置，對(duì)5～10g量級(jí)成型炸藥的撞擊感度特性進(jìn)行了試驗(yàn)，以期為炸藥藥柱的安全性能評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置[6]由落錘裝置、撞擊裝置、地下防爆小室、氣敏檢測(cè)裝置、測(cè)速系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。落錘裝置如圖1(a)所示，落錘質(zhì)量可在10～35kg之間調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)步長(zhǎng)為5kg，可以自動(dòng)接錘，防止對(duì)試樣產(chǎn)生二次打擊，落錘的高度定位精度1mm，同一高度10次落下末速度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于1%。撞擊裝置由擊砧、上下?lián)糁?、塑料套管、砂紙和擊桿5部分組成，如圖1(b)所示。防爆小室為地下鋼襯混凝土非密封結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)970mm、寬940mm、高680mm，用厚20mm的鋼板焊接成外襯，能承受10g高能炸藥的爆炸而不破壞。測(cè)速系統(tǒng)為兩個(gè)紅外探頭，通過(guò)測(cè)量上擊柱上方9mm距離的自由落體時(shí)間，來(lái)計(jì)算落錘的平均速度。氣敏檢測(cè)裝置為高靈敏度的CO2、CO、和NO氣體傳感器，通過(guò)對(duì)爆炸釋放氣體的濃度變化在線檢測(cè)，判別炸藥被激發(fā)后是否發(fā)生反應(yīng)。

1.2 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)樣品全部為壓裝炸藥，Tetryl尺寸為Φ20mm×10mm和Φ20mm×20mm兩種，其他試驗(yàn)樣品尺寸全部為Φ20mm×10mm，炸藥組成和密度見(jiàn)表1。試驗(yàn)前樣品需進(jìn)行干燥處理，在50～60℃環(huán)境中烘干2h，試樣烘干后放入干燥器內(nèi)，常溫(20℃)下冷卻1～2h后方可使用。

表1 炸藥的組成和密度Table 1 Formulation and density of explosives

炸藥藥柱通過(guò)塑料套管安裝在上下?lián)糁g，藥柱和下?lián)糁g墊有一孔徑100μm的砂紙，塑料套管內(nèi)徑20mm，用于保證上下?lián)糁?、砂紙和試樣同軸。試驗(yàn)時(shí)，將一定質(zhì)量的落錘上升到預(yù)定高度，然后釋放落錘，錘體下落撞擊擊桿，炸藥藥柱受到撞擊擠壓可能發(fā)生爆炸反應(yīng)，通過(guò)氣敏檢測(cè)傳感器系統(tǒng)檢測(cè)爆炸氣體中CO2、CO和NO氣體，由氣體的濃度變化判斷試驗(yàn)樣品是否發(fā)生了反應(yīng)，以撞擊感度下限(H0)表述炸藥藥柱的撞擊感度結(jié)果，具體方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

1.3 撞擊感度測(cè)試

落錘質(zhì)量為30kg的條件下，5種炸藥藥柱的撞擊感度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 5種炸藥藥柱的撞擊感度測(cè)試結(jié)果Table 2 Testing results of the impact sensitivity of five kinds of explosive grains

注：d為藥柱直徑；h為藥柱高度；t為試驗(yàn)時(shí)炸藥藥柱的溫度，除了JO-8外，其他炸藥試驗(yàn)時(shí)的溫度均為常溫(20℃)。

2 結(jié)果與討論

2.1 炸藥種類(lèi)對(duì)藥柱撞擊感度的影響

4種炸藥藥柱的撞擊感度和粉狀炸藥撞擊感度的對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 4種炸藥藥柱和藥粉的撞擊感度Table 3 Impact sensitivity for four kinds of grains and powder of explosive

注：H50為藥粉的臨界撞擊落高。

由表3可知，4種炸藥藥柱的撞擊感度由高到低依次為：Tetryl、鈍化RDX、TNT和PBX-9502。成型藥柱和粉狀炸藥的撞擊感度趨勢(shì)基本一致。

但藥柱和藥粉撞擊感度試驗(yàn)中所用試驗(yàn)樣品的物理狀態(tài)、力學(xué)和熱力學(xué)等性能顯著不同。如炸藥藥柱力學(xué)性能會(huì)影響機(jī)械撞擊能傳遞，熱力學(xué)性能會(huì)影響炸藥內(nèi)部熱點(diǎn)能量積聚。目前研究表明[11-12]，炸藥非沖擊點(diǎn)火的原因主要為藥柱破碎產(chǎn)生剪切帶上塑性流動(dòng)導(dǎo)致的局部摩擦，影響點(diǎn)火的主要因素為炸藥的塑性、沖擊壓力、剪切速率、剪切帶溫度積累等，而藥柱抗壓強(qiáng)度(σd)和熱導(dǎo)率(λ)對(duì)炸藥的塑性和剪切帶溫度積累具有重要的影響，因此，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析了藥柱抗壓強(qiáng)度和熱導(dǎo)率對(duì)藥柱撞擊感度的影響。

4種炸藥藥柱的撞擊能、抗壓強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和粉狀炸藥的臨界撞擊能見(jiàn)表4。

由表4可知，藥柱的撞擊感度與粉狀炸藥的不同在于其與實(shí)際應(yīng)用條件更為接近，不僅能夠表征炸藥材料自身的安全性能，還能表現(xiàn)藥柱結(jié)構(gòu)性能對(duì)撞擊感度的影響，如藥柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(緩沖作用)、熱導(dǎo)率(熱傳導(dǎo)作用)等。落錘在撞擊藥柱的過(guò)程中，其抗壓強(qiáng)度高，藥柱在受到壓縮作用時(shí)保持結(jié)構(gòu)完整性的能力越強(qiáng)，力作用在藥柱上的時(shí)間長(zhǎng)，其能量傳遞和分散的區(qū)域廣，能量不易集中在局部區(qū)域形成熱點(diǎn)；藥柱抗壓強(qiáng)度低，藥柱受到撞擊后容易破裂向周?chē)a(chǎn)生高速流動(dòng)，藥柱內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋和高速摩擦、炸藥與約束殼體的摩擦，都增加了產(chǎn)生熱點(diǎn)形成爆炸的可能性。

表4 藥柱的撞擊能、抗壓強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和粉狀炸藥的臨界撞擊能Table 4 Impact energy，compressive strength，thermal conductivity of explosive grain and critical impact energy of powder for explosives

注：E0為藥柱感度下限的撞擊能；E50為粉狀炸藥的臨界撞擊能;σd為藥柱的抗壓強(qiáng)度；λ為藥柱的熱導(dǎo)率。

Tetryl炸藥抗壓強(qiáng)度較高、撞擊能較低，這是因?yàn)闊狳c(diǎn)的形成使炸藥具備了在機(jī)械作用下發(fā)生爆炸的基本條件，但是所形成的熱點(diǎn)要有效地引發(fā)材料激烈的化學(xué)反應(yīng)，需要熱點(diǎn)達(dá)到炸藥材料發(fā)生爆炸的臨界溫度，在低速撞擊條件下，藥柱受到的撞擊作用過(guò)程較長(zhǎng)，熱導(dǎo)率會(huì)影響炸藥內(nèi)部的熱積累，粉狀炸藥由于試驗(yàn)藥量很少，可以忽略熱導(dǎo)率的影響，但藥柱體積較大時(shí)，結(jié)構(gòu)的緩沖作用導(dǎo)致撞擊作用過(guò)程較長(zhǎng)，熱導(dǎo)率大的炸藥，熱點(diǎn)形成過(guò)程中向周?chē)纳崴俣瓤欤灰仔纬删植繜狳c(diǎn)，達(dá)到爆發(fā)點(diǎn)，熱導(dǎo)率小的炸藥熱量向周?chē)臄U(kuò)散速度慢，容易在炸藥中產(chǎn)生熱積累形成熱點(diǎn)，從而引起爆炸。PBX-9502藥柱的撞擊感度與粉狀炸藥的撞擊能相差很小，是由于PBX-9502炸藥的主成分TATB非常鈍感，這種低速撞擊刺激沒(méi)有達(dá)到其臨界起爆閾值的原因，對(duì)于這類(lèi)特別鈍感的炸藥，應(yīng)采用蘇珊試驗(yàn)[1-2]等具有更大刺激能的試驗(yàn)裝置。

因此，對(duì)于不同的炸藥，由于狀態(tài)和物理性質(zhì)不同，形成熱點(diǎn)引發(fā)激烈化學(xué)分解反應(yīng)的刺激能量也不同。所以，藥柱的機(jī)械感度應(yīng)該由原材料性質(zhì)和藥柱的物理性質(zhì)兩個(gè)方面來(lái)決定。

2.2 試樣高度對(duì)藥柱撞擊感度的影響

直徑為20mm時(shí)，兩種不同高度Tetryl藥柱的撞擊感度和撞擊能見(jiàn)表5。

表5 兩種不同高度Tetryl藥柱的撞擊感度和撞擊能Table 5 Impact sensitivity and impact energy for two kinds of Tetryl explosive grains with different heights

由表5可知，隨著藥柱高度的增加，炸藥的感度下限增加，這是因?yàn)樗幹娱L(zhǎng)后受到的緩沖增強(qiáng)的原因。藥柱的撞擊感度表征的是其在特定結(jié)構(gòu)狀態(tài)的感度，如不同高度的藥柱其撞擊能的閾值是不同的，有時(shí)會(huì)表現(xiàn)出與藥粉不一致的試驗(yàn)結(jié)果[9]。因此，裝藥尺寸或結(jié)構(gòu)對(duì)其撞擊感度具有顯著的影響，只有在相同試驗(yàn)條件和樣品狀態(tài)下進(jìn)行藥柱的撞擊感度試驗(yàn)，才能得到可供比較的試驗(yàn)結(jié)果。

2.3 試樣溫度對(duì)藥柱撞擊感度的影響

JO-8炸藥藥柱在-40℃和70℃兩種溫度下的撞擊感度和撞擊能見(jiàn)表6。

表6 兩種溫度條件下JO-8藥柱的撞擊感度和撞擊能Table 6 Impact sensitivity and impact energy of JO-8 grain under high and low temperature conditions

由表6可知，高溫(70℃)時(shí)JO-8藥柱的撞擊感度要小于低溫(-45℃)時(shí)的撞擊感度，與炸藥溫度高更容易達(dá)到熱點(diǎn)產(chǎn)生爆炸的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)相反，這是由于JO-8炸藥中含有68號(hào)石蠟，石蠟在高溫時(shí)發(fā)生熔化，增強(qiáng)了炸藥的塑性，使炸藥顆粒表面有良好的包覆和潤(rùn)滑作用，有效地降低了炸藥晶體間的摩擦，減少了提供給熱點(diǎn)點(diǎn)火的能量，導(dǎo)致其藥柱撞擊感度降低。

3 結(jié) 論

(1)成型藥柱和粉狀炸藥的機(jī)械撞擊感度的趨勢(shì)基本一致，但成型藥柱的撞擊能要明顯大于粉狀炸藥，藥柱的機(jī)械感度由原材料性質(zhì)和藥柱的物理性質(zhì)兩個(gè)方面來(lái)決定。

(2)隨著炸藥藥柱高度的增加，炸藥的感度下限增加，不同大小和結(jié)構(gòu)的藥柱其撞擊能的閾值不同。

(3)JO-8炸藥藥柱在高溫(70℃)條件下的撞擊感度要低于低溫(-45℃)條件下，表明溫度對(duì)炸藥藥柱的撞擊感度有顯著影響。

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