RDX 單晶炸藥的沖擊-斜波加載實(shí)驗(yàn)研究

種 濤，莫建軍，蔡進(jìn)濤，王桂吉

（中國工程物理研究院流體物理研究所，四川 綿陽 621999）

炸藥晶體的動(dòng)力學(xué)特性與其反應(yīng)機(jī)理、化爆安全性問題緊密相關(guān)，是炸藥制備、加工、運(yùn)輸和存儲(chǔ)的基礎(chǔ)和依據(jù)[1-4]。由于炸藥具有高感度，因此很難獲得較高沖擊壓力下炸藥單晶的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果。近年來發(fā)展的斜波壓縮加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)[5]可以在獲得樣品材料高壓狀態(tài)的同時(shí)，保持樣品中較低的溫升，使炸藥不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。目前，人們已通過該技術(shù)獲得了很多有價(jià)值的研究成果[6-9]，為獲得高能炸藥的高壓物性和細(xì)觀尺度模擬計(jì)算提供了重要的高壓物性參數(shù)[10]。RDX 作為重要的高能炸藥，其高壓物性一直備受關(guān)注。分子動(dòng)力學(xué)模擬和靜高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果[11]表明，RDX 存在 α 、 β 、 γ、δ和 ? 5 種相，其中 α相 在常溫常壓下穩(wěn)定存在，在4 GPa 附近出現(xiàn) α- γ相變，并伴隨1.6%的體積減小。利用光譜探測技術(shù)，研究人員在靜高壓實(shí)驗(yàn)和沖擊加載實(shí)驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)了RDX 的明顯相變跡象[12-13]，然而在沖擊加載實(shí)驗(yàn)中卻未發(fā)現(xiàn)相變波形[14-17]。種濤等[18]、Cai 等[19]開展了斜波加載下RDX 單晶在15 GPa以內(nèi)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)研究，觀測到了RDX 單晶的彈-黏塑性轉(zhuǎn)變和4 GPa 附近的相變，完成了實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)值模擬，并給出了物理模型及其參數(shù)。

用于材料動(dòng)力學(xué)特性研究的實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要有靜高壓、沖擊和斜波加載，根據(jù)加載特征可知，這3 種實(shí)驗(yàn)技術(shù)得到的數(shù)據(jù)依次對應(yīng)熱力學(xué)平面中的等溫線、沖擊Hugoniot 線和（準(zhǔn)）等熵線。實(shí)際的碰撞、爆炸等動(dòng)力學(xué)過程一般不是單一的靜高壓、沖擊或斜波壓縮過程，而是包含兩種或多種加載及卸載過程。將沖擊加載和斜波壓縮加載相結(jié)合，建立可控?zé)崃W(xué)路徑的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，將為探索偏離沖擊絕熱線、等熵線、等溫線3 條主參考線的更寬廣熱力學(xué)空間的材料力學(xué)性能提供技術(shù)途徑，也為認(rèn)識(shí)炸藥化爆機(jī)理對熱力學(xué)路徑的依賴性提供實(shí)驗(yàn)手段。

為了獲取偏離沖擊絕熱線、等熵線主參考線熱力學(xué)路徑的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為物理模型校驗(yàn)提供數(shù)據(jù)支撐，本研究擬開展沖擊-斜波復(fù)雜加載實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，對兩種晶向的RDX 單晶進(jìn)行不同加載壓力下的沖擊-斜波壓縮加載實(shí)驗(yàn)，以獲得RDX 單晶樣品與LiF 窗口界面的速度歷史曲線。

1 沖擊-斜波加載實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)工作在中國工程物理研究院流體物理研究所自行研制的脈沖功率裝置CQ-4[20]上開展。CQ-4裝置是一種基于低電感電容器儲(chǔ)能的平板傳輸線的小型裝置，放電上升沿為400～600 ns，峰值電流可達(dá)4 MA。負(fù)載區(qū)域安裝條形對稱電極，保證單發(fā)實(shí)驗(yàn)中上、下樣品加載壓力的一致性。裝置放電時(shí)，電流流經(jīng)負(fù)載區(qū)條形對稱電極，產(chǎn)生洛倫茲排斥力，從而對不同厚度樣品產(chǎn)生一致的加載壓力。

本研究設(shè)計(jì)的沖擊-斜波加載實(shí)驗(yàn)負(fù)載區(qū)見圖1（a）。樣品平行地放置在距離極板H0處，使極板有一定的飛行距離。飛行距離H0的設(shè)計(jì)方法（圖1（b））：確定實(shí)驗(yàn)加載壓力峰值和撞擊速度u0后，首先做一發(fā)預(yù)實(shí)驗(yàn)（與真實(shí)實(shí)驗(yàn)中使用的極板和加載條件完全相同，只是無樣品和窗口），獲取極板自由面速度剖面ut-t（紅線），將ut對時(shí)間t積分，獲取自由面飛行距離-時(shí)間（H-t）曲線（黑線）；在ut-t曲線上找到u0對應(yīng)的點(diǎn)A1，然后找到同一時(shí)刻H-t曲線上點(diǎn)的A2，對應(yīng)的飛行距離H0即為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)值。沖擊-斜波實(shí)驗(yàn)中，在與樣品對應(yīng)的位置處放置窗口材料，窗口與極板的距離也是H0，在樣品和窗口的中心位置放置測速探頭。需要指出：樣品后表面為自由面或樣品/窗口界面，若加窗口，則樣品與窗口接觸的一面鍍反射膜，另一面鍍增透膜；窗口兩面均鍍增透膜，極板內(nèi)、外兩面精加工，使其都達(dá)到鏡面；測速探頭測得的速度波剖面依次記錄極板自由面速度、撞擊速度、撞擊后極板/窗口界面速度。

圖1 沖擊-斜波加載實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖Fig. 1 Schematic of shock-ramp wave loading experiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于設(shè)計(jì)的沖擊-斜波加載實(shí)驗(yàn)技術(shù)，對（100）和（210）兩個(gè)晶向的RDX 單晶開展了約7 GPa 和4 GPa 的沖擊-斜波壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得了RDX/窗口界面速度曲線。加載電極材料選擇鋁，電極厚度為2 mm，寬度為12 mm。窗口材料為LiF 單晶。實(shí)驗(yàn)樣品為大塊單晶RDX，由中北大學(xué)研制，采用水冷式線切割技術(shù)沿不同晶向進(jìn)行切割，經(jīng)研磨后進(jìn)行X 射線衍射（XRD）分析，確定切片的晶向，并保證樣品的加載面與晶向的偏差小于0.5°。共進(jìn)行4 發(fā)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表1，其中ds為RDX 樣品厚度，U0為充電電壓。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，其中：黑色曲線為鋁極板撞擊LiF 窗口前的自由面速度波剖面，藍(lán)色曲線為鋁極板撞擊LiF 窗口后極板/窗口界面速度。撞擊過程瞬間完成，速度出現(xiàn)間斷，鋁極板自由面速度峰值為實(shí)驗(yàn)撞擊速度（u0）。考慮到鋁和LiF 材料的聲阻抗近似相等，極板/窗口界面速度起始值近似為極板自由面速度峰值的1/2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)估值一致。

總體上看，4 發(fā)實(shí)驗(yàn)的RDX/LiF 界面速度分為3 個(gè)階段：開始的跳躍式增長（沖擊壓縮過程）、之后的平滑上升（斜波壓縮過程）、最后的卸載過程。在加載壓力較高的實(shí)驗(yàn)Shot 1 和Shot 2 中，界面速度曲線中未觀測到RDX 樣品的彈塑性轉(zhuǎn)變和4 GPa 附近相變對應(yīng)的特征波形。這是由于沖擊波到達(dá)樣品/窗口界面前，塑性沖擊波已追趕上彈性沖擊波和相變波，兩個(gè)真實(shí)的物理過程被掩蓋。降低充電電壓、減小鋁極板飛行距離，開展沖擊壓力較低的實(shí)驗(yàn)Shot 3 和Shot 4。結(jié)果顯示，實(shí)測界面速度剖面包含了不同晶向RDX 晶體的彈塑性轉(zhuǎn)變信息，但仍未能獲得RDX 晶體在4 GPa 左右的 α-γ 相變波形。

表1 實(shí)驗(yàn)條件Table 1 Experimental conditions

圖2 不同晶向RDX 單晶的沖擊-斜波加載實(shí)驗(yàn)速度曲線Fig. 2 Experimental data of shock-ramp wave loading on RDX single crystals with different orientations

鋁極板與RDX 單晶樣品、LiF 窗口接觸后進(jìn)入加載階段，數(shù)據(jù)分析時(shí)假設(shè)鋁極板和LiF 窗口的界面速度（圖2 中藍(lán)色曲線）是“零厚度樣品”后界面速度，起始時(shí)刻t0為沖擊波進(jìn)入RDX 單晶樣品時(shí)刻，分別提取RDX 單晶樣品彈性波和塑性波到達(dá)后界面的時(shí)刻t1和t2（見圖2（d）），彈性波和塑性波從RDX 樣品前加載面?zhèn)鞑サ胶蟊砻娴臅r(shí)間分別為Δt1（Δt1=t1-t0）和Δt2（Δt2=t2-t0），將樣品厚度（ds）除以沖擊波傳播時(shí)間，就可以獲得RDX 單晶的縱波聲速。

4 發(fā)實(shí)驗(yàn)獲得的縱波波速與已發(fā)表文獻(xiàn)結(jié)果的對比如圖3 所示。整體上看，本實(shí)驗(yàn)獲得的RDX單晶的縱波聲速與相關(guān)文獻(xiàn)[17,21]結(jié)果基本吻合，并且其彈性部分比Hooks 等[17]的沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果稍高，塑性部分與Olinger 等[21]利用金剛石對頂砧（DAC）得到的準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖3 RDX 單晶的縱波聲速與文獻(xiàn)結(jié)果的比較Fig. 3 Comparison of the longitudinal sound speed of RDX single crystal with the results of literatures

3 總 結(jié)

完成了沖擊-斜波復(fù)雜加載實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，開展了（210）、（100）兩個(gè)晶向的RDX 單晶在不同加載壓力下的沖擊-斜波壓縮加載實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：加載段的速度剖面分為沖擊壓縮和斜波壓縮兩部分；當(dāng)加載壓力較高時(shí)，沖擊壓縮段中不再出現(xiàn)彈塑性轉(zhuǎn)變和4 GPa 附近相變對應(yīng)的速度特征波形；當(dāng)加載壓力較低時(shí)，在沖擊壓縮段觀測到了彈-黏塑性波形。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，獲取了RDX 單晶的縱波聲速，其彈性部分相對沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果稍高，塑性部分與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

感謝中國工程物理研究院流體物理研究所的吳剛、鄧順益、稅榮杰等在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行和測試方面給予的幫助！