含AP炸藥裝藥在剪切加載下的動態(tài)響應(yīng)特性

田 軒，徐洪濤，馮 博，趙 娟，封雪松，馮曉軍，王曉峰，南 海

（西安近代化學(xué)研究所，陜西西安710065）

引 言

火炸藥裝藥在低速加載作用下的動態(tài)響應(yīng)及損傷問題是含能材料應(yīng)用領(lǐng)域的研究重點［1］。為研究炸藥在低速加載下的動態(tài)響應(yīng)，國外先后發(fā)展了多種加載系統(tǒng)［2］，如落錘試驗、Steven 試驗等。其中，由美國LLNL 和LANL 試驗室開展的Steven試驗常用于獲取炸藥裝藥的反應(yīng)流動模型參數(shù)，并通過嵌入式壓力計、外部應(yīng)變計、彈道擺等新技術(shù)獲取裝藥的反應(yīng)程度。

高氯酸銨（AP）因具有良好的綜合性能而廣泛用于各類混合炸藥中。國內(nèi)外針對AP的沖擊響應(yīng)特性開展了大量基礎(chǔ)研究。Walley［3－4］研究了含AP炸藥的缺陷對點火的影響，發(fā)現(xiàn)溫度對推進(jìn)劑的點火行為影響很大；Oyumi［5］使用鋼管作為約束材料研究了含AP炸藥配方的剪切感度，分析了各種無機組分對炸藥配方感度的影響規(guī)律；Siviour等［6］研究了在高應(yīng)變率加載下澆注炸藥的力學(xué)性能，認(rèn)為材料的機械性能、內(nèi)部損傷與材料的響應(yīng)之間有密切的聯(lián)系。國內(nèi)相關(guān)研究對象多為粉狀試樣，關(guān)于AP在低速剪切下的響應(yīng)等安全問題研究較少，且大多采用工程方法，缺少針對點火問題的科學(xué)研究和深入探討，限制了對復(fù)合炸藥安全性的認(rèn)識和設(shè)計。

本研究采用落錘加載裝置對含AP及不含AP的兩種炸藥裝藥進(jìn)行沖擊剪切加載實驗，通過高速攝影記錄兩種炸藥裝藥的加載過程，通過掃描電鏡獲取了兩種裝藥的微觀損傷特征，為復(fù)合型炸藥在低速剪切過程中的點火機理研究和新型復(fù)合炸藥的安全性設(shè)計提供基礎(chǔ)實驗依據(jù)，對評估戰(zhàn)斗部中炸藥部件在剪切刺激下的安全性具有重要意義。

1 實 驗

1．1 材料及儀器

RDX，GJB296A－95，粒度為100～154μm，甘肅銀光化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司；AP，GJB617A－2003，大連國際工貿(mào)；惰性黏結(jié)劑，西安近代化學(xué)研究所。

Photron公司數(shù)字化高速攝影相機，攝像機距樣品3m，拍攝速度為12500fps，曝光速度為2μs；FEI QUANTA600型環(huán)境掃描電鏡（ESEM），美國FEI公司，采用低真空模式，環(huán)掃電壓為20kV，樣品室壓力為2 600Pa。

1．2 試驗方法

小落錘剪切加載試驗裝置見圖1。用控制程序?qū)⒙溴N升至預(yù)定高度，然后釋放落錘，錘體下落后剪切擊桿，炸藥藥柱在加載作用下整體開始向下運動，但預(yù)置的剪切模將阻止中心炸藥向下移動，而四周藥柱則繼續(xù)運動，藥柱產(chǎn)生相對位移并形成高速剪切，具有不同力學(xué)性能的藥柱將呈現(xiàn)不同的響應(yīng)狀態(tài)。通過高速錄像和氣體檢測裝置來判斷炸藥是否發(fā)生點火反應(yīng)、反應(yīng)物質(zhì)及反應(yīng)類型，得到炸藥在該刺激下的響應(yīng)情況。

采用30kg小落錘試驗，試驗方法采用下限值法。試驗時，試樣發(fā)生反應(yīng)就降低落錘的高度，反之則提高落錘的下落高度，直至某一高度試驗3次下落均不發(fā)生反應(yīng)、而提高一個間隔的高度則發(fā)生反應(yīng)時為止，從而獲得炸藥的臨界點火閾值。結(jié)合第一步試驗得到的反應(yīng)下限落高為加載條件，對整個加載過程采用高速攝影記錄，并回收加載后的樣品，利用掃描電鏡觀察樣品的微觀結(jié)構(gòu)變化。

1．3 樣品制備

兩種含AP炸藥配方見表1。采用真空澆注工藝制備炸藥裝藥，藥柱尺寸為Φ20mm×20mm。樣品1和2的裝藥密度分別為1．65g／cm3和1．72g／cm3。

圖1 小落錘加載系統(tǒng)及剪切裝置Fig．1 Loading system and shear device of the small hammer

表1 兩種炸藥配方Table 1 Formulations of the two explosives

2 結(jié)果與討論

2．1 小落錘剪切加載試驗結(jié)果

樣品的小落錘剪切加載試驗結(jié)果見表2。由表2可知，當(dāng)落錘加載高度為1．2m時，樣品1和2均發(fā)生點火反應(yīng)；當(dāng)落錘加載高度為1．0m時，僅樣品2發(fā)生明顯的點火反應(yīng)。因此，在沖擊剪切加載作用下，樣品1具有更高的臨界點火閾值，AP的加入提高了裝藥對剪切刺激的響應(yīng)敏感性。

表2 兩種炸藥裝藥的小落錘剪切試驗結(jié)果Table 1 Shear experiment results of the two explasive charges by the small hammer

2．2 加載過程的點火機理分析

2．2．1 動態(tài)加載過程

通過高速攝影相機記錄兩種裝藥的落錘加載過程。圖2為含AP炸藥裝藥的動態(tài)響應(yīng)過程。

圖2 落高120cm時含AP炸藥裝藥的動態(tài)響應(yīng)過程Fig．2 Dynamic responses course of the explosive charge containing AP at a drop height of 120cm

由圖2可知，當(dāng)落錘撞擊擊桿后，擊桿開始向下運動，炸藥裝藥在擊桿的下落運動中受力變形，見圖2（c）；中心部分形成塑性流動，受剪切模影響，整個裝藥立即發(fā)生劈裂，見圖2（d）；由于塑料殼體為弱約束，碎裂的炸藥塊和約束一起快速向四周飛散，見圖2（e），最后殘余炸藥發(fā)生反應(yīng)，見圖2（f）。因此，在加載作用下，炸藥裝藥主要經(jīng)歷沖擊、塑性流動、剪切、飛散、反應(yīng)等階段，與炸藥的沖擊點火機制不同，落錘加載下炸藥裝藥的反應(yīng)時間明顯滯后。不含AP的炸藥裝藥的動態(tài)響應(yīng)過程與含AP炸藥裝藥的相似。

2．2．2 加載后炸藥晶體的微觀損傷

小落錘撞擊試驗中，落錘高度小于炸藥的臨界點火閾值時不會發(fā)生反應(yīng)。圖3 是落錘高度為100cm 條件下兩種裝藥加載試驗后未反應(yīng)的炸藥的微觀形貌圖。

圖3 落錘高度100cm時兩種炸藥裝藥加載后的掃描電鏡圖Fig．3 SEM images of two kinds of charges after impacting at a drop height of 100cm

由圖3可知，不含AP的炸藥裝藥在微觀結(jié)構(gòu)上斷口比較平整，顆粒整體拔出的現(xiàn)象較少，加載后的顆粒出現(xiàn)明顯的破碎，而且穿晶斷裂明顯增多，RDX 顆粒仍包裹在黏結(jié)劑基體中（標(biāo)記A），加載RDX 顆粒的晶體變得更加平整（標(biāo)記B），這表明RDX 顆粒在剪切加載過程中形成了明顯的塑性變形和晶體破碎；含AP炸藥裝藥加載實驗后，炸藥晶體有明顯的斷裂和剪切帶，這表明在剪切加載作用下，RDX 顆粒以晶體的塑性變形和破碎為主要損傷模式，而AP顆粒在剪切加載下以晶體的剪切變形和穿晶斷裂為主。

2．2．3 點火機理分析

通過自主設(shè)計的剪切加載裝置研究了兩種炸藥裝藥的動態(tài)響應(yīng)特性，發(fā)現(xiàn)具有不同組成和力學(xué)性能的炸藥裝藥在加載過程中都產(chǎn)生晶體斷裂、滑移、穿晶等形式的微觀損傷。本研究認(rèn)為不同炸藥裝藥的沖擊損傷模式與材料和工藝特性有關(guān)。

（1）炸藥制備工藝決定裝藥的微觀結(jié)構(gòu)。由于試驗所用樣品均采用捏合－真空澆注工藝制備，在該工藝過程中炸藥晶體顆粒的破碎情況較少，而且炸藥晶體大量均勻分散在黏結(jié)劑基體中，具有黏彈性特征的黏結(jié)劑可實現(xiàn)與炸藥顆粒的緊密接觸，這種微觀結(jié)構(gòu)改善了傳統(tǒng)炸藥的脆性等本質(zhì)缺陷，與利用炸藥作為載體的熔鑄炸藥相比，這類炸藥通常具有較高的整體力學(xué)強度。

（2）炸藥裝藥在低速加載下的宏觀與微觀響應(yīng)。當(dāng)炸藥裝藥表面受到低速撞擊時，首先在接觸面上形成壓力為幾千巴的壓縮波，該壓縮波由以聲速傳播的彈性波和以較低塑性聲速傳播的塑性波組成，而這類炸藥的抗劈裂強度僅幾十兆帕，因此炸藥裝藥內(nèi)部質(zhì)點在剪切加載下通常呈流動狀態(tài)，參見圖2（c）和（d）。據(jù)文獻(xiàn)［7］報道，RDX 晶體顆粒的屈服強度為18．4GPa，AP 晶體為17GPa。由于初始應(yīng)力波的峰值壓力強度低于炸藥晶體的力學(xué)強度，導(dǎo)致無法直接壓垮炸藥單晶顆粒形成點火。

（3）單晶顆粒的局部熱點形成機制。盡管應(yīng)力波不是導(dǎo)致試樣點火的直接原因，但含能晶體顆粒質(zhì)點在初始應(yīng)力波作用下產(chǎn)生運動，能量不斷轉(zhuǎn)化為裝藥的體積形變功，炸藥裝藥最終通過徑向斷裂破壞釋放能量。加載過程中單晶顆粒因位錯效應(yīng)形成剪切滑移，顆粒間因相對位移形成摩擦，這可能導(dǎo)致局部熱點的形成。研究［8］表明，含能材料的硬度、屈服強度與局部熱點強度有關(guān)，并認(rèn)為炸藥晶體顆粒邊緣處絕熱剪切帶的出現(xiàn)是局部熱點形成的標(biāo)志。

（4）含能材料的熱性能決定材料的反應(yīng)模式。局部熱點形成后，炸藥晶體的熱性能直接影響其反應(yīng)模式，局部熱點可能導(dǎo)致炸藥晶體出現(xiàn)破碎、熔化、汽化、分解等轉(zhuǎn)變。與無明確熔點特性的AP晶體相比，RDX 顆粒在205℃的吸熱熔化作用是剪切加載下RDX 晶體出現(xiàn)塑性變形而AP 晶體卻發(fā)生剪切破碎的根本原因。

另外，含AP炸藥裝藥在剪切加載下出現(xiàn)延遲點火現(xiàn)象的原因可能是應(yīng)力波在裝藥與下?lián)糁佑|面形成反射，對損傷顆粒造成了二次加載，這種力－熱耦合機制非常復(fù)雜，需設(shè)計更精巧的試驗進(jìn)行驗證。

3 結(jié) 論

（1）不含AP炸藥裝藥的臨界點火閾值為1．2m，加入AP后臨界點火閾值為1．0m，這表明加入AP后炸藥裝藥變得敏感；炸藥裝藥在加載作用下主要經(jīng)歷沖擊、塑性流動、剪切、飛散、反應(yīng)等過程。

（2）剪切加載后的AP 晶體損傷以剪切變形和穿晶斷裂為主，而RDX 晶體以塑性變形和破碎為主，分析認(rèn)為上述差異主要與AP 晶體顆粒較低的力學(xué)強度和沒有明確的熔點性能有關(guān)。

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