緩慢熱作用下PBX-9炸藥的響應特性

姚奎光，鐘　敏，代曉淦，呂子劍

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽621900)

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緩慢熱作用下PBX-9炸藥的響應特性

姚奎光，鐘敏，代曉淦，呂子劍

(中國工程物理研究院化工材料研究所，四川綿陽621900)

摘要：為研究RDX基PBX-9炸藥的熱響應規律，分別采用1.5、3.0、4.5、8.0℃/min的升溫速率對PBX-9炸藥藥柱進行了烤燃試驗。用熱電偶測試了藥柱表面的溫度變化，通過測量沖擊波超壓和收集試驗彈殘骸，分析了藥柱的反應程度，獲得了不同升溫速率下的響應規律。結果表明，升溫速率為1.5~8.0℃/min時，對PBX-9炸藥的響應溫度沒有明顯的影響，試驗彈響應時藥柱溫度約為140~150℃，均為燃燒反應。烤燃過程中黏結劑的分解對PBX-9炸藥響應特性影響較大，使其反應程度一致。采用FLUENT軟件對該烤燃試驗過程進行了數值模擬，得到PBX-9炸藥反應的活化能和指前因子分別為184.2×103J/mol和7.24×1018s-1。

關鍵詞：爆炸力學；PBX-9炸藥；升溫速率；烤燃試驗；數值模擬；響應特性

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引言

烤燃是研究固體炸藥熱感度的一種方法，主要模擬炸藥在制造、運輸、貯存和使用過程中遇到火災而發生化學反應的程度，對炸藥安全性評估具有重要意義。目前，國內外開展了大量關于炸藥安全性的烤燃試驗以及數值模擬研究。Victor等[1]對烤燃試驗進行了數值模擬，認為含能材料熱分解和熱傳導符合Frank-Kamenetskii方程。McCelland M A等[2]對LX-10炸藥進行了烤燃試驗，并用一維ALE3D烤燃模型進行了數值模擬。Erdǒgan A等[3]對PBXN-10進行了烤燃試驗，用TGA測得該炸藥的活化能以及指前因子等參數。陳朗、馬欣等[4-5]對HMX和TATB基PBX炸藥進行了烤燃試驗和數值模擬，并獲得兩種PBX基炸藥的點火時間和溫度。向梅、代曉淦等[6-7]用烤燃試驗研究了不同升溫速率下HMX基PBX炸藥的響應規律，結果表明，升溫速率對炸藥的點火時間和溫度有較大影響。牛余雷等[8]研究了不同升溫速率下RDX基PBX炸藥的溫度變化情況，研究表明，隨著升溫速率的降低及點火時間的增加，炸藥點火位置由邊緣向中心靠近。

目前國內外研究者針對TATB和HMX基PBX炸藥，采用烤燃試驗并結合數值計算的方式，獲得了反應模型參數[3-6]。本研究對RDX基PBX-9炸藥進行了不同升溫速率下的烤燃試驗，研究了PBX-9炸藥在緩慢加熱作用下的響應規律，并通過數值計算對試驗結果進行驗證，獲得PBX-9炸藥反應模型參數，以期為評估分析RDX基熱固炸藥的熱安全性提供參考。

1實驗

1.1樣品及儀器

PBX-9炸藥主要由RDX、123樹脂和固化劑等組成[9]，藥柱尺寸為Φ50mm×100mm，密度約1.65g/cm3，質量約320g，由中國工程物理研究院化工材料研究所提供。

K型熱電偶，重慶川儀金屬功能材料分公司；LT-I8000-24溫度數據采集儀，中國工程物理研究院化工材料研究所；CY-YD-202型壓電式壓力傳感器、YE5852型電荷放大器、PIC4712多通道數據采集儀，江蘇聯能電子技術有限公司。

1.2試驗裝置

慢速烤燃試驗彈裝置如圖1所示[7]。試驗彈殼體材料為Q235鋼，厚度為4mm ,采用電加熱帶以一定的升溫速率對烤燃試驗彈進行加熱，熱量以熱傳導的方式通過試驗彈體對藥柱進行緩慢加熱。采用直徑約1.5mm熱電偶測試炸藥邊緣的溫度，得到藥柱表面與試驗彈內壁接觸處的溫度變化曲線。發生突變時的時間和溫度分別為試驗彈的響應時間和響應溫度。

在升溫速率分別為1.5、3.0、4.5和8.0℃/min條件下，通過測量溫度、超壓以及回收的殘骸綜合判斷PBX-9炸藥在熱作用下的反應程度。

2結果與討論

2.1升溫速率對響應時間和響應溫度的影響

不同升溫速率(β)下PBX-9炸藥的溫度變化曲線如圖2所示。響應時間(t)和響應溫度(T)見表1。

圖2　不同升溫速率下PBX-9炸藥藥柱表面的溫度變化曲線Fig.2　Surface temperature changing curves ofPBX-9 at different heating rates

β/(℃·min-1)t/sT/℃1.575571453.043111504.527431438.01853151

注：β為升溫速率；t為響應時間；T為響應溫度。

從圖2可知，升溫速率為1.5℃/min時，響應時間最長；升溫速率為8.0℃/min時，響應時間最短，這說明升溫速率對PBX-9炸藥的響應時間有顯著影響，隨著升溫速率的升高，響應時間逐漸縮短。從表1可知，升溫速率對PBX-9炸藥的響應溫度沒有明顯影響，在升溫速率為1.5、3.0、4.5和8.0℃/min的熱加載條件下，PBX-9炸藥響應溫度在140~150℃。其主要原因是PBX-9炸藥中黏結劑123樹脂在100℃以上穩定性較差，熱分解產生的氣體對RDX有加速分解作用[10]，造成PBX-9炸藥的響應溫度在一定溫度范圍內變化。

2.2升溫速率對反應程度的影響

4種升溫速率下PBX-9炸藥烤燃試驗殘余物照片見圖3。從圖3可以看出，在不同升溫速率下試驗彈端蓋略微變形，殼體被撕裂，均有未燃燒的PBX-9炸藥。升溫速率為4.5℃/min時，PBX-9炸藥藥柱完好，但在其他升溫速率下，PBX-9炸藥藥柱有明顯的燃燒產物，表明發生了燃燒，說明PBX-9炸藥對熱反應均較溫和。

圖3　4種升溫速率下PBX-9炸藥烤燃試驗殘余物照片Fig.3　Photographs of scrap in cook-off test of PBX-9at four heating rates

在4種升溫速率下，均未測到PBX-9炸藥的反應超壓。綜合圖3試驗結果，認為PBX-9炸藥在慢速烤燃試驗中的反應程度為燃燒，且1.5~8.0℃/min的升溫速率對PBX-9炸藥的反應程度沒有明顯的影響。

123樹脂和PBX-9炸藥的TG曲線如圖4所示。從圖4可以看出，123樹脂在100℃時就已明顯出現熱失重，100℃左右熱失重約為5%。而PBX-9炸藥在130~140℃開始出現熱失重，190℃左右熱失重約為6%，根據其組分含量以及圖4中的數據可知，在130℃時123樹脂發生分解，隨著溫度進一步升高，RDX也開始發生分解，在225℃左右時出現拐點，熱失重達到77%左右，說明在200~225℃主要是RDX發生分解。

圖4　123樹脂和PBX-9炸藥的TG曲線Fig.4　TG curves of 123 resin and PBX-9 explosive

可見，PBX-9炸藥慢烤試驗中，隨著時間的增加，藥柱溫度逐漸升高，當達到130℃時，PBX-9炸藥開始發生熱分解，此時主要是123樹脂發生熱分解，在烤燃試驗彈內逐漸形成高壓。隨著烤燃彈溫度的升高，200℃左右RDX也開始分解，烤燃試驗彈內壓力更高，最后達到殼體破壞強度，使得殼體破裂而導致壓力突然卸載，最終導致炸藥的反應不能持續，難以形成高級反應。

3數值計算

為研究PBX-9炸藥在不同升溫速率下的響應過程，根據烤燃試驗裝置，建立了炸藥烤燃二維數值計算模型，并確定了相關反應模型參數。模型中主要考慮炸藥和殼體，其中殼體外壁面為加熱邊界，并假定：殼體和炸藥各項同性；忽略氣體產物對傳熱的影響；在炸藥內部的熱傳遞只有導熱作用，且不考慮相變。根據假設，計算模型中藥柱的反應和熱傳導遵循Frank-Kamenetskii方程[11]

(1)

式中：ρ為物質密度，g/cm3；c為比熱，J/(kg·K)；T為溫度，K；t為時間，s；λ為導熱系數，W/(m·K)；S為化學反應放熱源項，可由Arrhenius方程表示

(2)

式中：Q為反應熱，kJ/kg；Z為指前因子，s-1；α為已反應炸藥質量分數；n為反應級數；E為活化能，J/mol；R為普朗克氣體常數，J/(mol·K)，取8.314。

采用流體力學FLUENT軟件對炸藥烤燃過程進行數值計算，炸藥自熱反應源項通過C語言編寫為子程序，并以自定義函數的形式加載到軟件中。采用升溫速率為8.0℃/min的試驗數據對計算參數進行了標定，獲得了PBX-9炸藥的活化能和指前因子等參數，其他參數如表2所示。

不同升溫速率下PBX-9炸藥烤燃溫度計算值(炸藥半徑處)與試驗值對比曲線如圖5所示。從圖5可以看出， PBX-9炸藥的響應時間和溫度的計算值與試驗值基本一致，炸藥半徑處的溫度變化過程與試驗結果基本相符。

表2　數值計算材料參數

圖5　不同升溫速率下烤燃模擬溫度計算值與試驗值對比Fig.5　Comparison of the calculated data and the experimentalones for cook-off simulation temperature at different heating rates

PBX-9炸藥響應時間和溫度試驗值與計算值的對比如表3所示。從表3可知，試驗結果和數值模擬計算獲得的響應時間基本相符，但在升溫速率4.5℃/min時誤差較大。從圖3(c)可見，在該升溫速率下藥柱未反應，123樹脂分解產生的氣體沖開試驗彈，從而導致響應時間誤差較大。然而，試驗和數值計算獲得的響應溫度卻隨著升溫速率的降低而增大，這主要是因為123樹脂分解的氣體對RDX有加速分解作用，造成試驗獲得的響應溫度在一定的范圍內變化，而且升溫速率越低，這種作用越明顯，但采用的數值計算方法沒有考慮到123樹脂分解氣體對RDX加速分解作用，導致試驗與計算所得響應溫度誤差增大。因此，在今后炸藥烤燃數值計算中，對于某些炸藥需要考慮黏結劑分解產物對炸藥熱響應特性的影響作用。

表3　PBX炸藥響應時間和溫度的試驗值與計算值對比

注：β為升溫速率；t為響應時間；T為響應溫度；ηt為響應時間的相對誤差；ηT為響應溫度的相對誤差。

4結論

(1)采用不同升溫速率對RDX基PBX-9炸藥進行了烤燃試驗及數值計算，結果表明，升溫速率為1.5~8.0℃/min時，PBX-9炸藥的響應溫度范圍為140~150℃，反應程度均為燃燒。

(2)在烤燃過程中，PBX-9炸藥中的123樹脂先發生分解，使不同升溫速率下PBX-9炸藥的響應溫度及反應程度一致。

(3)不同升溫速率下，PBX-9炸藥的響應時間和溫度數值計算結果與試驗結果基本吻合，獲得了PBX-9炸藥Arrhenius反應模型參數，為評估分析不同邊界條件下PBX-9炸藥的熱安全性提供了數據支撐。

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Response Characteristics of PBX-9 Explosive under Slow Thermal Stimulus

YAO Kui-guang，ZHONG Min，DAI Xiao-gan，Lü Zi-jian

(Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang Sichuan 621900, China)

Abstract:To study the thermal response rule of RDX-based polymer bonded explosive (PBX-9), the cook-off tests of PBX-9 explosive at heating rates of 1.5, 3.0, 4.5, 8.0℃/min were carried out. Temperature changing process of the surface of PBX-9 explosive was measured by thermocouples. The reaction degree of the sample was analyzed and the response rules of PBX-9 explosive at different heating rates were obtained by measuring the shock wave overpressure and the collected test projectile. The results show that the heating rate from 1.5℃/min to 8.0℃/min has no obvious effect on the response temperature of PBX-9 explosive, and the response temperature of grain of test bomb is about 140~150℃. The degree belongs to the combustion reaction. In the process of cook-off test, the decomposition of binder has great influence on the response behavior of PBX-9 explosive and the reaction degree is accordant. The numerical simulation of cook-off test was conducted using FLUENT software. The kinetic parameters such as activation energy and pre-exponential factor for the reaction of PBX-9 explosive obtained from the numerical simulation were 184.2×103J/mol and 7.24×1018s-1, respectively.

Keywords:explosion mechanics; PBX-9 explosive; heating rate; cook-off test; numerical simulation; response

通訊作者:代曉淦(1978-),男，博士研究生，副研究員，從事炸藥安全性研究。

作者簡介:姚奎光(1987-),男，碩士，研究實習員，從事炸藥安全性研究。

基金項目:國防基礎科研項目(CB1520132004)

收稿日期:2015-08-25；修回日期:2015-10-15

中圖分類號：TJ55; O389

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)06-0056-05

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.06.011