孔隙度對PBX炸藥沖擊起爆影響的實驗研究*

劉海慶，段卓平，白志玲，溫麗晶,2，歐卓成，黃風雷

（1. 北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室，北京 100081；2. 環境保護部核與輻射安全中心，北京 100082）

PBX炸藥(polymer bonded explosives)是由主體炸藥(如RDX、HMX、PETN和TATB等)或其混合物與聚合物黏結劑混合制成的非均質固體炸藥，由于其配方的靈活性、成型工藝的便捷性、成型后力學性能的優異性，以及能量和感度的可協調性，該炸藥得到了廣泛關注[1-3]。非均質固體炸藥的沖擊起爆過程明顯不同于均質炸藥的，歸因于其細觀非均質性[4-5]，而目前對炸藥在細觀尺度的沖擊響應認識還不足，探索炸藥細觀結構特征對其沖擊起爆性能的影響規律、發展細觀反應速率模型是當前爆轟領域的重要研究方向。

前人開展的炸藥沖擊起爆試驗研究，主要通過隔板試驗和楔形試驗獲得臨界起爆條件或到爆轟距離等宏觀數據[6-7]，而通過一維拉格朗日量計測試技術研究主要關注的是炸藥本身爆轟成長特性和溫度對炸藥起爆過程的影響[8-9]。近年來大家關注炸藥細觀結構對沖擊起爆影響的試驗研究，如炸藥組分[10-12]、顆粒度[13]對沖擊起爆的影響，但是孔隙度(密度)對炸藥沖擊起爆爆轟成長過程影響的拉格朗日實驗數據未見報道。平面加載下一維拉格朗日量計測試技術，如嵌入式電磁粒子速度計測速技術[6,14]和錳銅壓阻傳感器測壓技術[8-9]，是目前記錄炸藥沖擊起爆過程流場信息最直觀有效的手段。目前由于反應速率模型大都是壓力的函數，因此采用流場壓力數據來確定反應速率模型更直觀合理。

本文中，采用炸藥沖擊起爆錳銅壓阻一維拉格朗日實驗系統[11-12]，測量不同孔隙度(裝藥密度)的PBXC03炸藥沖擊起爆過程中不同拉格朗日位置的壓力變化歷史，獲得孔隙度對PBX炸藥沖擊起爆過程的影響，以期為炸藥檢驗反應速率模型的合理性、確定反應速率模型參數提供實驗數據。

1 實驗設計

溫麗晶等[11-13]采用炸藥沖擊起爆錳銅壓阻一維拉格朗日實驗測試系統(如圖1所示)研究了加載壓力和細觀結構如顆粒度變化對PBXC03炸藥沖擊起爆過程的影響。為了補充測量炸藥裝藥密度(孔隙度)對其沖擊起爆過程的影響，并盡量減小其他因素帶來的誤差，本文中采用相同的實驗測試系統和相同尺寸的加載裝置，其中測試原理及加載裝置尺寸細節見文獻[11-13] 。

圖2 PBXC03炸藥樣品Fig. 2 PBXC03 samples

PBXC03炸藥中HMX的質量分數為87%，體積分數為85.58%；TATB的質量分數為7%，體積分數為6.76%；黏結劑的質量分數為6%，體積分數為7.66%；HMX平均顆粒尺寸為20～30 μm(細顆粒)，TATB 平均顆粒尺寸為 15 μm。PBXC03炸藥低裝藥密度為1.836 g/cm3，中等裝藥密度為1.849 g/cm3，高裝藥密度為1.855 g/cm3。每發實驗均在炸藥0 mm位置處(與鋁隔板接觸的炸藥表面)放置一個錳銅壓阻傳感器，為了便于對比壓力成長變化，每發實驗中錳銅傳感器放置位置相同(0、3、6、9 mm)。此外，為維持爆轟壓力測量時間，錳銅壓阻傳感器用聚四氟乙烯薄膜包覆，0 mm位置傳感器使用的薄膜厚度為0.2 mm，其余3個位置傳感器使用的薄膜厚度均為0.1 mm，并使用真空硅脂封裝，裝配細節如圖3所示。

圖3 封裝的錳銅壓阻傳感器Fig. 3 Packaged manganin piezoresistive pressure gauges

實驗用H型錳銅壓阻傳感器，傳感器電阻R0=0.1～0.2 Ω，壓阻關系[15]為：

實驗現場示波器記錄的典型實驗信號，如圖4所示，每條曲線代表一個拉格朗日位置處流場壓力變化歷程，由式(1)即可將圖中電壓信號轉化為壓力-時間曲線。

圖4 示波器記錄的典型實驗信號Fig. 4 Typical voltage signals recorded by an oscilloscope

2 實驗結果和分析

圖5為3種孔隙度(裝藥密度)的PBXC03炸藥在同一加載壓力(p0=5.9 GPa)下沖擊起爆過程不同拉格朗日位置的壓力-時間歷史的實驗測試結果。對比不同實驗中0 mm位置的壓力-時間歷史，如圖6所示，作為輸入條件，3條曲線在平臺值階段幾乎重疊(后期壓力成長不同是因為不同的孔隙度引起炸藥反應速率不同)，表明本文實驗加載條件一致。

圖5 不同孔隙度的PBXC03炸藥沖擊起爆過程的實驗測試結果Fig. 5 Experimental pressure-time curves of the shock initiation processes of the PBXC03 with different porosities.

沖擊起爆前期，PBXC03炸藥前導沖擊波陣面壓力增長不明顯，因為在較低的起爆壓力下，炸藥壓縮度小，波陣面附近熱點數量少，釋能緩慢，熱點點火反應在波陣面附近貢獻不大，但波后壓力成長較快，壓力高峰不斷追趕前導沖擊波，最終轉為爆轟。

不同孔隙度的PBXC03炸藥前導沖擊波陣面壓力成長歷史和前導沖擊波跡線，如圖7所示，中等密度炸藥前導沖擊波陣面壓力成長最快，波后壓力成長也最快，到爆轟時間最早，低密度炸藥的次之，高密度炸藥的最低?？梢?，在本文裝藥范圍和加載條件下，裝藥密度對炸藥沖擊起爆爆轟性能的影響不單調。

圖6 同一加載壓力下不同實驗中PBXC03炸藥0 mm位置的壓力-時間曲線對比Fig. 6 Pressure-time curves at 0 mm of the PBXC03 with different porosities in different experiments under the same loading pressure

圖7 不同孔隙度的PBXC03炸藥前導沖擊波陣面壓力成長歷史和前導沖擊波跡線。Fig. 7 Pressure growth histories on the shock wave front and precursory shock wave trajectories in the PBXC03 with different porosities

在沖擊載荷作用下，炸藥臨界點火溫度Tcr、反應熱點的臨界直徑dcr與前導沖擊波陣面壓力pf滿足關系式[4]：

式中：T0為炸藥初始溫度，K；T1、γ、θ為常數系數。可見，在相同外載條件下，反應熱點的臨界直徑dcr越小，臨界點火溫度Tcr越高。

目前普遍認為，非均質固體炸藥的沖擊起爆由熱點點火過程和后續燃燒反應過程共同作用控制。裝藥密度低時，孔隙度大，潛在熱點數量多或尺寸大，在相同外載條件下，形成的反應熱點溫度較低，熱點反應區內激發的化學反應速率慢；而裝藥密度大時，孔隙度小，潛在熱點數量少或尺寸小，臨界點火溫度較高，但能夠發生點火反應的熱點數量少，也將導致反應速率下降；實驗測得中等密度炸藥反應速率最快的現象也可理解，因為中等密度的炸藥潛在熱點數量和尺寸均適中，燃燒拓撲結構可達到最優，熱點點火和后續燃燒速率可達到最快。

上述實驗結果僅適用于本文裝藥密度范圍和加載壓力范圍。裝藥密度范圍不同，炸藥沖擊起爆過程隨孔隙度變化可能單調。載荷范圍不同，炸藥沖擊起爆隨孔隙度變化規律也可能不同。比如，在高壓載荷作用下，炸藥沖擊起爆主要受燃燒反應控制，沖擊起爆過程隨著裝藥密度增大而單調變慢。在后續工作中將建立合理的細觀反應速率模型進行數值模擬進一步證實。

3 結 論

采用炸藥沖擊起爆錳銅壓阻一維拉格朗日實驗分析測試系統，獲得了PBXC03炸藥孔隙度(裝藥密度)變化對其沖擊起爆過程的影響：在本文裝藥和加載條件下，孔隙度對PBXC03炸藥沖擊起爆爆轟成長過程的影響不單調，這是熱點點火過程與燃燒反應過程共同作用的結果。本文實驗數據可為后續建立宏細觀反應流模型提供實驗依據。