含能材料“熱點”點火研究進展

白志鑫,蔣城露,劉福生,劉其軍

(1.西南交通大學 物理科學與技術學院,四川 成都 610031;2.四川農業大學 水利水電學院,四川 雅安 625014)

引 言

凝聚炸藥相比于氣體炸藥,具有密度大、爆速高、爆轟壓力大、能量密度高以及在形態上便于存儲、運輸、成型加工和使用等特點[1],因此,在軍事和民用上均得到了廣泛關注。根據凝聚炸藥的物理性質,可將炸藥分為均相凝聚炸藥和非均相凝聚炸藥。均相凝聚炸藥是指炸藥內部各處均勻且物理性質相同的炸藥,例如,硝基甲烷、硝化甘油液體、泰安單晶等[1]。關于均相凝聚炸藥的沖擊起爆,多數學者認為在沖擊波進入炸藥后,波陣面后面的炸藥首先受沖擊整體加熱,然后發生化學反應[2]。非均相凝聚炸藥是指炸藥內部產生了密度的不連續(如氣泡、孔洞、雜質、裂紋、間隙等),從而引起了炸藥物理結構的不均勻和物理性質的不一致。由于非均相凝聚炸藥的普遍性,人們對其起爆機理進行了大量而深入的研究。最早是由Berthelot[3]提出的“熱學說”,即機械能轉化為內能,使整個炸藥的溫度升高到爆發點,繼而發生爆炸。但是,Taylor和Weale[4-5]隨后發現,即使炸藥把機械能轉化的熱能全部吸收,炸藥所能達到的溫升也遠遠小于整個炸藥起爆的臨界溫度。后來有學者提出了“摩擦化學假說”[1],但這種假設理論的局限性太大,并不被人們所接受。到了20世紀50年代,Bowden等[6]在研究摩擦學的基礎上提出了目前較為公認的非均相凝聚炸藥起爆機理,即“熱點學說”。該學說能夠較好地解釋炸藥在機械能作用下發生爆炸的原因。隨后,Campbell等[7]通過沖擊加載含氣泡的含能材料,首次在實驗上證實了“熱點”的存在。熱點學說認為,在機械作用下產生的熱來不及均勻地分布在全部炸藥上,而是集中分布在炸藥的密度不連續點處,例如氣泡、孔洞、雜質、裂紋等。當這些點的溫度高于炸藥熱爆炸臨界溫度時,炸藥就會從這些“點”處開始爆炸,這些溫度很高的“點”被稱為熱點[8]。綜上所述,非均相凝聚炸藥的爆炸首先從熱點處開始,然后擴展到整個炸藥區域。

在實際應用中,大量的含能材料都存在熱點現象,如固體炸藥、液體炸藥、黏結劑炸藥、帶殼炸藥、固體推進劑、低熔點的熔鑄炸藥等。這些含能材料從開始制備到最后應用,在各個環節、任意時刻都有可能受到意外撞擊或者周圍環境變化等的影響而發生意外爆炸事故,因此對含能材料安全性的研究就顯得尤為重要。眾所周知,感度是衡量含能材料安全性的重要指標之一,且大量與感度相關的工作被報道。但是,僅僅關注含能材料的感度是遠遠不夠的,為了預防含能材料發生意外爆炸事故,就必須從其起爆的內在物理機制入手,來研究如下問題:(1)含能材料的起爆因素;(2)含能材料起爆的臨界條件;(3)起爆原因,即能否建立一個可靠的模型來詮釋含能材料的起爆過程。以上研究有利于為含能材料全壽命周期過程提供非常重要的指導,也有利于為含能材料的設計及性能評估提供可靠的支持。

研究含能材料起爆的因素、條件及原因,對熱點問題的研究就顯得尤其重要。目前,關于含能材料“熱點”的研究主要分為實驗研究、理論研究和數值模擬研究。由于含能材料的起爆過程是一個高速、高溫、高壓的過程,且其內產生的熱點尺寸通常在微米級別內,因此國內外關于“熱點”產生過程的實驗研究較少;再加上含能材料起爆實驗的高成本和危險性,國內外開展了大量有關含能材料 “熱點”的理論研究和數值模擬研究工作,如以離散元為代表的粒子類方法[9-13]、以有限元為代表的基于連續介質力學的傳統數值模擬[14-15]、以第一性原理為基礎的分子動力學模擬[16]和經典分子動力學模擬等[17]。

本文主要對含能材料的“熱點”點火研究進展進行了綜述,介紹了影響含能材料熱點點火的因素,關于熱點點火臨界條件的相關研究,關于含能材料熱點點火的微觀機制以及相關物理模型,并對含能材料的熱點研究進行了總結和展望,以期為含能材料的安全性研究提供參考。

1 影響含能材料熱點點火的因素

影響非均相含能材料熱點點火的因素是眾多且非常復雜的。多年來,關于影響熱點點火階段的因素被大量報道,主要分為內部影響因素和外部影響因素,即其不僅與材料本身的物理化學特性和缺陷類型有關,也與材料所處的裝藥條件以及添加劑有關,具體的影響因素如圖1所示。

1.1 內部影響因素

含能材料的溫度在機械作用下會逐漸升高,當溫度達到一定值時,含能材料顆粒會熔化發生熱力學一級相變,吸收熱量。因此,炸藥的熔點與其點火有很大的關系。張泰華等[18]基于動力有限元方法,探究了RDX和TNT炸藥的熱點形成機理,發現孔洞邊界熔化后會減緩炸藥表面升溫速率,即低熔點的炸藥會降低炸藥的點火。當炸藥中有微裂紋或者有類似裂紋的缺陷時,其在機械作用下,會發生裂紋失穩擴展現象。斷裂韌性用來表征材料阻止宏觀裂紋失穩擴展的能力,顯然,這一特性對炸藥的點火有很大的影響。成麗蓉等[19]發現炸藥自身的斷裂韌性越低,裂紋越容易擴展,裂紋面局部溫升越高,炸藥越容易點火。由于物體具有黏度這一物理特性,其在流體中運動時會受到阻力,進而造成機械損耗。呂春玲等[20]基于兩相黏彈點火模型[21]發現,固體炸藥的黏度越大,其內越不容易形成熱點。同時,固體黏度與其顆粒尺寸有很強的相關性,即顆粒尺寸越大,黏度越小[20]。因此,大尺寸顆粒的固體炸藥更容易發生點火。大量研究已經表明炸藥顆粒度(炸藥顆粒尺寸)對其熱點的形成有非常重要的影響。劉清等[22]基于HMX材料中外部聲子模式與分子內部振動模式能量交換的熱力學模型,探究得到同種炸藥,其顆粒度越細,點火敏感性越低,而轉爆轟能力可能越高。溫麗晶等[23]通過實驗研究得到,精細炸藥在沖擊作用下更為敏感。段卓平等[24]基于有限元方法,發現顆粒度越小,炸藥點火越難,但炸藥顆粒中爆轟波的傳播速度更快。同樣地,蔣城露等[25]基于三維離散元方法,探究了奧克托今顆粒在落錘作用下的點火燃燒,發現小尺寸炸藥顆粒對落錘的響應更快,但是大尺寸炸藥顆粒在落錘作用下的溫升更大,更容易點火。同時,炸藥顆粒的形狀也會對炸藥產生影響,研究表明,平頂炸藥顆粒和尖頂炸藥顆粒的點火機制有明顯差異,分別對應平頂顆粒剪切加熱機制和尖頂變形加熱點火機制[25]。吳艷青等[26-27]通過實驗研究發現,顆粒排列越松散的炸藥其塑性擴展時間越短,越容易形成多個熱點,多個顆粒的燃燒反應比單個顆粒的燃燒反應更劇烈。

熱點理論表明,在炸藥的密度不連續處會產生熱點。韓小平等[14]基于有限元方法探究了含孔洞炸藥的黏塑性動態響應過程,發現在孔洞附近區域有局部的高溫產生。在初始作用階段,孔洞周圍炸藥會產生較快的應變;隨后,應變硬化和應變率硬化發揮主導作用,抑制孔洞周圍應變速率的增加;但是隨著機械力的持續作用,孔洞周圍的平均變形仍在繼續增加,孔洞周圍炸藥逐漸熔化;孔洞周圍炸藥的熔化促進了該區域的進一步塑性流動,產生更高的局部溫度,進而產生熱點。因此,當材料的應變硬化足夠大時,熱軟化作用將難以平衡材料的應變阻力,會對炸藥中熱點的產生有抑制作用[14]。炸藥的孔隙度表征了炸藥中孔洞、微裂紋和微損傷的質量分數。因此,孔隙率對炸藥中熱點的形成有很重要的影響。覃錦程等[28]發現孔隙率越低,炸藥中缺陷越少,越難以在其內形成熱點,因而越難以點火。張泰華等[18]認為在孔洞半徑相同的情況下,孔隙率越大,胞元厚度越薄,在炸藥胞元內部積聚的能量就越多,溫升就越高,越容易形成熱點。成麗蓉等[19]發現鉆地戰斗部的初始孔隙率越大,侵徹過程中戰斗部裝藥越不安全。同理,孔洞的尺寸和形狀也是炸藥點火的重要影響因素。一般情況下,大顆粒炸藥的孔洞尺寸較大,小顆粒炸藥的孔洞尺寸較小[18]。初始孔洞尺寸將決定熱點尺寸,即大尺寸孔洞將產生大尺寸的熱點,這更有利于炸藥的點火[29]。尚海林等[30]基于三維離散元方法,發現由于大尺寸的孔洞在塌縮過程中形成的會聚流動相比小尺寸孔洞形成的會聚流動更劇烈,有更多的動能轉化為內能,因此,大尺寸孔洞塌縮后產生的熱點溫度更高。相比之下,小尺寸孔洞塌縮所需要的時間更短,溫度上升更快,在完全塌縮之前小尺寸孔洞周圍的平均溫度更高。然而,大尺寸孔洞在塌縮之后,周圍的平均溫度遠遠高于小尺寸孔洞塌縮后炸藥周圍的平均溫度。韓小平等[15]發現圓柱形孔洞周圍會在外力作用下產生更強烈的畸變,剪切應變高度集中,孔洞周圍溫升相比球形孔洞和橢球形孔洞周圍溫升更快。球形孔洞周圍的溫升主要集中在包覆孔洞的一個薄層內,離孔洞較遠處幾乎沒有溫升。橢球形孔洞周圍的溫升主要集中在橢球形孔洞長軸附近。張泰華等[18]也發現橢球形孔洞的長軸附近變形較大,溫升更明顯,且橢球形孔洞比球形孔洞更易閉合。尚海林等[30]發現,由于球形孔洞具有一定的聚心作用,其熱點溫度相比立方體孔洞更高。Hatano等[31]等發現熱點溫度隨孔洞縱向(沿沖擊波的傳播方向)尺寸的增大而增大,熱點溫度會在孔洞的縱向尺寸和橫向尺寸相同時達到最高。孔洞的空間分布也會對炸藥點火產生重要影響。周新利等[32]發現,由于膨化硝酸銨內部孔洞的分布是無序且雜亂無章的,其在外界刺激下熱點的形成也是隨機的。如果忽略熱點的產生過程,對于含有熱點的奧克托今顆粒三維離散元模型,分散的熱點分布將更有利于炸藥的起爆[33]。

1.2 外部影響因素

通常作用在炸藥上的外界刺激主要為力、熱、光和電等。這些外界刺激的強度、速度、持續時間等都會對炸藥的點火產生重要影響。不同的沖擊波強度作用在炸藥上會有不同的點火機制。張泰華等[18]發現當沖擊波強度較強時,材料的力學行為主要由材料的狀態方程描述,溫升主要由壓縮耗散功產生。反之,材料的力學行為主要由本構方程描述,溫升主要由黏塑性耗散功產生。覃錦程等[28]認為10GPa以上和10GPa以下沖擊波加載的炸藥起爆機制存在明顯差異,隨著沖擊波強度的增加,炸藥起爆機制逐漸由熱點“冷起爆”向沖擊波對炸藥整體加熱的“熱起爆”轉化。傅華等[34]基于離散元方法,探究了含孔洞的HMX在不同沖擊作用下的孔洞塌縮和熱點生成過程,發現在低沖擊作用下,孔洞周圍會發生較大的剪切變形,黏塑性作功形成熱點;而在高沖擊作用下,孔洞塌縮產生射流,匯聚流動,熱點的形成在炸藥的沖擊下游。呂春玲等[20]發現,沖擊波壓力越大,孔洞塌縮所形成的熱點溫度越高,越容易起爆。HMX炸藥顆粒在落錘作用下的研究也表明,在較高的落錘作用下,炸藥的塑性擴展時間越短,炸藥越容易發生點火而不易發生噴射現象;反之,易發生噴射現象而非點火[35-37]。王新征等[29]探究了鋁熱劑體系在不同沖擊速度下的點火情況,發現當沖擊速度較高時,孔洞會塌縮形成射流,產生溫度較高的熱點;當沖擊速度較低時,孔洞無法塌縮,形成的熱點溫度會遠遠低于孔洞塌縮后產生的熱點溫度。但是如果沖擊速度在可以使孔洞塌縮的范圍內,改變沖擊速度對熱點溫度的影響較小。韓小平等[14]發現在較高應變速率下,由于孔洞塌縮需要的時間較短,應變產生的內能只有少量可以傳遞到周圍,產生了較大的溫度梯度,熱點更容易形成。張泰華等[18]發現,孔洞塌縮過程中,其表面升溫速率很快,冷卻速率也很快,因此,如果沖擊波持續時間很短,孔洞表面溫度也會很快降下來,并不利于熱點的形成。丁洋等[38]基于有限元方法,探究激光輻照帶殼炸藥的點火過程,結果發現,炸藥熱響應和金屬-炸藥接觸熱阻對炸藥溫升影響較大,而對輻照板溫升幾乎沒有影響。成麗蓉等[19]開展了鉆地戰斗部侵徹單層和多層兩種典型靶板的動態響應過程,發現侵徹速度越高,溫升越快,戰斗部尾部裝藥也越容易產生熱點。并且發現靶材層數的不同會造成戰斗部裝藥點火機制的不同,單層靶主要是裂紋摩擦機制,而多層靶的主要機制是孔洞塌縮和裂紋摩擦兩種機制。

由于炸藥的基本組成中都還有氧化劑和還原劑,其在一定的外界刺激下就可以釋放大量能量并對工質作功。但是,為了滿足一些其他要求,例如使炸藥成型、有更好的力學性能、燃燒性能、安全性能等,實際中會加入一些添加劑,例如黏結劑、增塑劑、鈍感劑等,當炸藥本身為負氧平衡時,還會加入氧化劑[39]。顯然,這些添加劑對炸藥點火的影響至關重要。陳廣南等[39]基于動力有限元分析方法,發現氧化劑的顆粒越小,其單位質量的表面積越大,傳熱性能越好,受熱分解越快。黏合劑在炸藥中的作用是將炸藥中的各個組分粘結成具有一定物理、力學性能的便于裝藥的成型炸藥。傅華等[40]將有限元方法和離散元方法相結合,發現炸藥中產生的熱點主要集中在炸藥晶體變形較大的黏結劑部分,其溫升主要是由黏性摩擦和塑性剪切耗散引起的。并且發現塑性黏結劑的溫度高于炸藥晶體,炸藥晶體內部的溫度低于炸藥與黏結劑的邊界溫度。劉超等[41]基于三維離散元方法,發現由于黏結劑較軟,能夠起到一定的緩沖作用,在變形過程中可吸收能量有效降低炸藥顆粒邊界處的溫度和壓力。增塑劑的主要作用包括降低體系黏度、改善炸藥的加工流動性、降低玻璃化轉變溫度,改善火炸藥的力學性能,提高能量或改善氧平衡以及提高安全性[42]。陳廣南等[26]發現,增塑劑可以使固化反應的起始溫度升高,并且降低終止溫度。鈍感劑,顧名思義是對炸藥降感。沈瑞強等[43]探究了鈍感劑LLM-105對RDX基澆注炸藥熱安全的影響,發現在升溫加載下,LLM-105先于RDX吸收熱量,減緩了RDX的外界熱刺激,延后了形成熱源的時間,進而在整體上延滯炸藥點火。并且發現,如果將LLM-105的形狀細化成無棱角的小的顆粒形狀,會抑制熱點的形成,進而提高了該澆注炸藥的熱安全性。還發現LLM-105含量的增加會導致點火源數量的減少,且點火時間會延長。陳軍等[44]基于能量禁錮機制,認為添加劑石墨的形狀也會對炸藥的點火造成影響,研究發現層狀和鏈狀的石墨對PBX炸藥有降感作用。張朝陽等[45-46]發現石墨和石蠟等的添加可以降低HMX炸藥顆粒的感度,因為這些添加劑對炸藥的表面有潤滑作用。實際使用中會加入金屬粉末以提高炸藥的燃燒和爆轟性能。李軍等[47]研究了乳化炸藥間斷乳化時的點火行為,發現當乳化基質中混有氣泡或者硫粉和鋁粉時,其臨界點火溫度急劇下降,危險性會大大提高。

2 熱點點火的臨界條件

如上所述,含能材料熱點點火的影響因素是眾多且相互制約的,盡可能多地將這些影響因素考慮在內建立一個能夠較好地確定含能材料點火的點火判據是目前關于熱點理論的重要課題之一。炸藥在外界能量刺激下起爆過程的示意圖[48]如圖2所示。

圖2 炸藥在外界能量刺激下起爆過程的示意圖[48]Fig.2 Schematic diagram of initiation process under external energy stimulation for explosive [48]

首先,在外界能量刺激下,炸藥顆粒之間會產生摩擦、剪切、擠壓等相互作用,機械能轉化為內能,炸藥內部的內能分布會因為材料內部本身的不均勻性而局域化,從而產生“熱點”;然后,炸藥內部的溫升會加快炸藥的熱分解反應,當放熱速率大于散熱速率時,內能就會不斷積累,進而導致溫度不斷升高;最后,當炸藥表面局部溫度增加到臨界點火溫度時,發生爆炸[48]。因此,炸藥能否點火的關鍵是看炸藥發生化學反應放熱和熱傳導散熱哪個處于優勢地位[49],當炸藥發生化學反應的放熱速率大于熱傳導的散熱速率時,炸藥即可點火;反之,視為炸藥的點火無法實現。也就是說,炸藥的點火判據是對其開始發生自維持化學反應宏觀條件的量化[50]。

關于非均相凝聚炸藥點火的臨界條件,國內外學者付出了諸多心血。首先是Walker和Wasley提出了非常著名的起爆判據p2τ=C[51],該判據分別從宏觀角度(飛片輸入炸藥能量的角度)[51]和細觀角度(黏彈塑性熱點燃燒模型)[52]被證明。在該判據的進一步使用中,為了使其與實驗結果符合得更好,胡雙啟等[53]對熱點高壓區內的側向傳播面積進行了修正,Peter等[54]引入點火延遲時間對該判據進行了修正。Rideal等[55]得到了熱點增長過程中熱點最小半徑和熱點臨界溫度之間的關系。Boddington[56]給出了熱點升溫的解析式,并且求出了熱點溫度升高至“無窮大”所需的時間。Thomas[57]得到了熱點發生劇烈反應時的臨界溫度和與之對應的沖擊波輸入能量的解析關系。章冠人[58]通過熱起爆理論的熱點能量平衡方程式推導出了各種熱點臨界溫度的近似公式。趙省向等[59]基于熱爆炸理論計算了幾種熔鑄炸藥的臨界熱點參數——臨界尺寸和臨界溫度,并且就臨界熱點參數和撞擊感度之間的關系進行了討論。王鵬等[60]分別對橋絲式電火工品熱點火的升溫階段和爆炸階段建立了橋絲電熱升溫模型和絕對超臨界化學放熱模型,求解了恒定電流點火升溫時間、電容放電點火升溫時間以及爆炸時間,并定義了熱點火的溫度及其表達式。胡榮祖等[61]推導了估算含能材料熱點起爆臨界溫度的Brucman-Guillet表達式,提出了估算起爆臨界溫度的數值方法,并且編制了相應的計算程序。張奇等[62]通過理論分析、數值模擬和實驗研究,在直徑為1mm的孔隙附近施加溫度,探究了溫度載荷在孔隙周圍的傳遞過程和規律,并且給出了熱點起爆的臨界參數估算方法。覃錦程等[28]也探究了TATB和HMX炸藥在不同沖擊壓力下的起爆臨界閾值。

總之,炸藥點火的關鍵是熱點的尺寸、溫度以及持續時間。這些熱點的特征是相互制約的,熱點尺寸越小,其溫度反而越高。特別地,當熱點的尺寸相當大時,其溫度并不能維持劇烈的化學反應。大量研究已經表明,一般情況下,當熱點的尺寸在0.1～10μm范圍內,溫度高于700K,持續時間為10-5～10-3s時,才能引發炸藥的爆炸,否則熱點只能引發炸藥的熱分解,直到最后熱點消失,并不會引發炸藥爆炸[63]。但是,關于熱點的尺寸、溫度以及持續時間與很多因素有關,并且涉及到力學、熱學以及化學等多門學科的相關知識,想找到一個能夠準確描述炸藥點火的判據還需要進一步研究。

3 熱點形成的微觀機制

不同的炸藥在不同的裝藥條件下會有不同的點火燃燒特性,其主要原因在于不同的炸藥在不同的裝藥條件下引起的炸藥點火機理是不同的。因此,僅僅通過炸藥點火的一些表觀現象是無法全面了解炸藥的點火過程的,必須從熱點形成的微觀機制入手,搞清楚炸藥是怎樣起爆的,即炸藥的熱點是如何形成、長大及點火的,如何燃燒或爆炸的。而熱點是如何形成的這一問題是炸藥點火過程研究工作中的重中之重。國內外已經有大量文獻報道了關于炸藥熱點形成的微觀機制以及相關物理模型,目前公認的熱點形成微觀機制有:孔洞塌縮機制、剪切摩擦機制、氣泡絕熱壓縮機制、裂紋尖端加熱機制、以及晶體形變產生熱點機制等。

3.1 孔洞塌縮機制

基于孔洞塌縮的熱點形成特點為:沖擊波與微孔洞發生相互作用,微孔洞受壓塌縮,使得位于孔洞周圍的炸藥在孔洞中心產生會聚作用,產生的內能積聚在微孔洞中心,產生熱點[30]。Kornfeld等[64]首次發現孔隙的不對稱塌縮會使炸藥發生點火。Mader[65]研究了圓柱形和球形孔洞與沖擊波的相互作用,給出了熱點的形成特征。大量研究表明,孔洞的塌縮機制是熱點的主要產生機制。由于炸藥的“熱點”實驗研究具有很大的局限性,研究炸藥的起爆機理就需要建立相關的物理模型并借助計算機和數值方法來模擬炸藥的起爆過程。為了探究炸藥的起爆機理,研究者們建立了各種“熱點”的物理模型。這些物理模型主要分為兩大類:一類是不區分熱點產生機制的經驗模型;另一類是基于不同的熱點產生機制,建立的能夠反映沖擊波傳播過程中其與非均質炸藥相互作用的微觀力學模型。經驗模型[66-71]雖然能夠較好地反映炸藥在起爆過程中的大部分特征,但是沒有考慮熱點的產生機制,也不能解釋炸藥的細觀結構(例如炸藥的孔隙率、顆粒大小等)對炸藥起爆過程的影響。1972年,Carroll等[72]首次建立了延性材料的黏塑性空心球模型,將孔洞的塌縮過程分為3個階段,分別為初始的彈性階段、彈性到塑性的轉變階段以及塑性階段,并且研究發現前兩個階段的孔隙率幾乎無變化,因此只考慮了最后的塑性階段。但是,對于低沖擊條件下的孔洞塌縮,只考慮塑性階段的假設是無效的。1981年,Khasaivov等[21]首次將黏塑性孔洞塌縮模型應用到炸藥的沖擊起爆中。到目前為止,基于孔洞塌縮機制的熱點模型主要是Kim提出的彈黏塑性單球殼塌縮熱點反應模型(見圖3)[73]和段卓平提出的雙球殼模型(見圖4)[74]。

圖3 Kim的彈黏塑性單球殼塌縮熱點反應模型[73]Fig.3 Hot spot reaction model for collapse of elastic-visco-plastic single spherical shell proposed by Kim [73]

圖4 DZK模型[74]Fig.4 DZK model [74]

彈黏塑性單球殼塌縮熱點反應模型[73]是Kim在將彈性階段和彈性到塑性轉變階段也考慮在內的基礎上提出來的。炸藥受到沖擊壓縮時,在孔洞周圍會發生整體力學變形。但是,該模型并沒有考慮力學變形的具體形式(剪切帶、摩擦、射流沖擊等),認為所有熱點都是相似的,從而通過研究一個熱點來代表炸藥所有熱點的特征。

基于Kim的彈黏塑性單球殼塌縮熱點反應模型,大量的關于炸藥熱點點火的研究工作被報道。1994年,張振宇等[75]考慮了炸藥的熔化效應,建立了多孔炸藥黏塑性孔洞塌縮熱點模型,研究了多孔低熔點TNT炸藥的熱點生成過程。把整個物質分成各含一個孔隙的相同空心球胞元,然后根據胞元的行為來研究整個多孔炸藥的行為。該項研究工作忽略了密實材料本身受沖擊壓縮時造成的整體溫升,但是當加載壓力較大時,這部分溫升并不能忽略。2008年,Whitworth等[76]考慮了孔洞彈黏塑性作功產生的溫升,建立了彈黏塑性空心球孔洞塌縮模型。但是,該模型并沒有將熱傳導對溫升的影響考慮在內。2016年,成麗蓉等[77]考慮了孔洞在持續壓縮、拉伸以及壓縮交變兩種不同外力等復雜受力的運動模式下的熱點生成特點,建立了復雜受力環境下非均質炸藥孔洞塌縮熱點模型。前面提到的基于孔洞塌縮機制的模型都是基于固體基質不可壓縮假設的基礎上提出的,但是雨貢紐曲線表明,在高沖擊條件下,固體材料的密度變化會對炸藥溫升有很重要的影響。因此,2017年,Li等[78]在Kim模型的基礎上,基于廣義胡克定律描述材料的可壓縮性,求解了可壓縮偏微分方程以及初始條件和邊界條件的控制方程,提出了能夠模擬“熱點”形成的解析型可壓縮彈黏塑性孔洞塌縮模型。

以上提到的模型均忽略了黏結劑效應,不能描述黏結劑在熱點形成和點火階段的力學影響。但實際上黏結劑炸藥在實際中應用非常廣泛,其在熱點形成和熱點點火過程中的力學影響是不能忽略不計的。于是,段卓平等[74]提出了含有黏結劑的雙球殼塌縮熱點反應模型。

基于雙球殼塌縮熱點反應模型,該團隊做了大量的有關炸藥點火的研究工作。2011年,該團隊[79]假設黏結劑為剛塑性材料,炸藥為彈黏塑性材料,建立了剛塑性黏結劑的雙球殼塌縮熱點反應模型。該模型能夠解釋了黏結劑強度對沖擊起爆過程的影響,但是不能反映黏結劑含量的影響,也沒有體現在沖擊作用下炸藥顆粒之間的摩擦、剪切等其他機制引起的熱點點火。接著,他們假設黏結劑和炸藥均為彈黏塑性材料,建立了彈黏塑性雙球殼塌縮熱點反應模型(即DZK模型)[80]。該模型不僅能夠描述黏結劑強度對炸藥起爆過程的影響,也能描述黏結劑含量對沖擊起爆過程的影響。控制炸藥整個反應過程的反應速率模型由點火項、Kim的低壓慢反應項[81]和張振宇提出的高壓快反應項[82]構成。2012年,該團隊[23]采用原位錳壓阻式壓力測量技術進行了沖擊起爆實驗,研究了HMX顆粒尺寸對PBXC03炸藥(組分質量分數為:87% HMX、7% TATB以及6% 氟橡膠)沖擊起爆過程的影響。結果發現,由于精細的顆粒炸藥具有更大的比表面積,使得熱點成長更快,即精細顆粒炸藥具有更好的敏感性。筆者也基于DZK模型進行了數值模擬,精細顆粒炸藥的模擬結果能夠與實驗結果很好,但是中等顆粒和粗顆粒炸藥的模擬結果與實驗吻合地并不好,這可能是因為DZK模型只將一種點火機制考慮在內,使得模型太簡單以至于不能準確地描述較為復雜的情況。2013年,該團隊[83]建立了二元混合PBX炸藥孔隙塌縮熱點模型。該模型對每種組分建立了一個雙球殼胞元模型,忽略了兩種炸藥組分在塌縮過程中的相互作用,假設兩種炸藥組分各自做球對稱一維變形運動而互不影響。通過對兩種炸藥組分熱點反應速率按照體積配比進行加權就得到了整個二元混合PBX炸藥的熱點反應速率。2014年,他們從理論和實驗出發,驗證了DZK熱點反應速率模型能夠很好地描述初始溫度對炸藥沖擊起爆過程的影響[84]。2016年,該團隊利用加權平均的思想,建立了適用于多元混合PBX炸藥沖擊點火的熱點反應速率方程[85]。2019年,該團隊對DZK模型的反應速率方程進行了修正,使該模型能準確描述平均顆粒尺寸對炸藥沖擊起爆過程的影響[24]。

3.2 剪切摩擦機制

在沖擊作用下,含能材料的密度不連續處會迅速發生塑性變形。當沖擊波進入含微孔洞的炸藥時,在微孔洞正面的炸藥可能會產生剪切,當沖擊波沖入微孔洞后在其兩邊形成剪切帶[1],剪切帶內的摩擦生熱使得溫度升高,形成熱點。很多文獻已經報道了剪切摩擦是熱點形成的有效機制[86-88]。在低溫條件下,剪切摩擦被認為是復合推進劑熱點形成的重要機制[89]。Dienes等[90]通過量級分析發現,對于顆粒填充聚合物類型的含能材料,如復合推進劑等,裂紋摩擦是在其內部產生熱點的最可能機制。

大量的關于復合推進劑的點火機制被相繼報道。1998年,Dienes等[90]首先提出使用統計裂紋力學(SCRAM)方法,探究HMX炸藥的沖擊點火問題。此項工作的一個不足之處是只考慮了張開型裂紋擴展,但是裂紋摩擦作為熱點產生機制的前提條件是在裂紋閉合時裂紋之間產生滑移摩擦?；诖?2004年,陳廣南等[91]將滑移型和張開型兩種類型的裂紋擴展都考慮在內,建立了微觀熱點模型,分析了推進劑內部初始裂紋在機械沖擊載荷作用下的擴展以及與反應氣體產物的相互作用。通過數值計算模擬了不同壓應力和剪應力以及裂紋擴展速度對推進劑內部熱點形成的影響。結果表明,當作用在裂紋面上的壓力一定時,其局部的溫升隨裂紋面的滑移速度增加而增加。但是,如果繼續增加滑移速度,溫升將隨滑移速度增加的幅度變小。并且發現,裂紋間氣相產物的存在以及外界壓力對氣體做功都會對推進劑內部熱點的形成產生重要影響。2006年,陳廣南等[92]分兩階段建立了裂紋摩擦的熱點模型,對推進劑裂紋摩擦進行了分析探討。第一階段是無獨立氣層的開始階段,此階段的氣體產物不會對上下裂紋之間的摩擦產生影響;第二階段是有獨立氣層以后使得裂紋上下表面不再存在有效摩擦。但是,其計算結果表明,即使在第二階段不再存在有效摩擦,由于氣相與固相之間質量和能量的交換,裂紋面局部位置的溫度還會繼續上升,形成熱點,從而使得推進劑著火燃燒。同年,該團隊基于動力有限元方法,計算分析了機械撞擊下發動機殼體與裝藥結構變形、推進劑內部細觀裂紋滑移、擴展和熱點的形成過程[93]。結果發現,當撞擊速度增加到一定值時,推進劑初始裂紋將滑移和擴展,裂紋摩擦使表面溫度升高。當撞擊速度進一步增加,裂紋表面溫度在短時間內迅速上升,此時裝藥內部形成高溫熱點,從而導致發動機著火燃燒。2013年,成麗蓉等[94]基于Dienes理論,建立了耦合宏觀力學變形與微裂紋損傷演化的黏彈性炸藥本構關系以及裂紋摩擦生熱細觀模型。利用數值模擬,分析了戰斗部裝藥在不同侵徹條件下的損傷及熱點生成機理。2016年,張家希[95]基于有限元方法,探究了摩擦刺激對固體推進劑溫升的影響,發現由摩擦引起的溫升并不能使炸藥達到點火條件,化學反應放熱才是導致炸藥點火的主要熱源。并且從實際出發,探究了管形自由裝填炸藥3種可能的危險高溫熱點。

3.3 氣泡絕熱壓縮機制

一般情況下,材料在裝藥時會在其內部產生氣泡。由于氣泡的比熱比固體炸藥的低,在沖擊作用下,氣泡的溫度會更高,從而在材料內形成熱點。Bowden和Yoffe[6]也認為氣泡絕熱壓縮是影響液體炸藥感度的重要因素。Starkenberg[96]用活塞壓縮含有空氣隙的炸藥,實驗結果表明,空氣隙的溫度在絕熱壓縮時會上升,進而形成熱點。根據理想多方氣體絕熱壓縮后的溫度表達式[1],可得出氣隙內的初始壓力越大,絕熱壓縮后的溫度就越低。但是,該實驗觀察到的是炸藥的感度隨氣隙初始壓力的增加而增加。因此,Starkenberg認為不能僅用絕熱壓縮機制來解釋非均相凝聚炸藥的熱點點火過程。Chaudhri等[97]發現該熱點形成機制只適用于低沖擊壓縮速度且大氣泡尺寸的情況。

3.4 裂紋尖端加熱機制

在沖擊作用下,炸藥內部裂紋發生傳播,由于在裂紋尖端處有較強的應力場,使得炸藥材料發生塑性形變,從而形成熱點[98]。Field[89]探究了炸藥在沖擊作用下的點火機理,并且提出裂紋尖端加熱并不能使炸藥達到點火條件。Yu等[99]對復合材料在不對稱加載下的超音速剪切裂紋傳播過程進行了模擬,結果發現,如果給裂紋尖端足夠的能量,裂紋的傳播速度可以達到超音速,并且在裂紋尖端通過的區域形成一連串的熱點。該熱點產生機制并不能解釋單質晶體炸藥的點火,只適用于具有一定顆粒尺寸的含能材料或者增強型復合含能材料的點火過程[98,100]。

3.5 晶體形變產生熱點機制

晶體形變總是伴隨著位錯的增長。在平面滑移發展的同時,強剪切應變區域可能會出現具有相反帕格斯矢量的位錯對。當它們相互作用時,會產生完整的結構并放出位錯帶有的能量[1]。但是,只有當含能材料層面壓實,剪切應力值較高時,該熱點形成機制才起主導作用[89]。

綜上所述,可以發現,目前建立的有關“熱點”形成的物理模型與實驗還有一定差距,解決這一問題的根本是建立一個能夠準確描述含能材料點火過程的多尺度多場耦合的熱點反應速率模型。再者,目前有關含能材料“熱點”形成并存機制的相關理論研究較少,但是在實際的含能材料中,熱點的形成原因并不只是局限在一種形成機制中。例如,含有氣體微孔洞炸藥的熱點形成至少應該由孔洞塌縮和氣泡絕熱壓縮兩種機制共同主導,而且還應該考慮炸藥熱分解反應的氣體產物對熱點形成的影響。因此,建立一個多元的熱點形成微觀機制是未來的一個重要研究方向。

4 結論與展望

含能材料發生爆炸的因素、條件和原因一直是含能材料起爆機理的重要研究內容[101-102]。由于熱點的尺寸小,形成時間極短,且一般情況下含能材料都是光學不透明的,對于實驗而言,跟蹤和檢測熱點的形成、長大、點火和燃燒或爆炸過程是一項巨大的挑戰。盡管有關熱點的理論數值模擬工作已經取得很大進展,但是在完善熱點理論的過程中仍面臨許多重大挑戰,具體表現在以下幾個方面:

(1)目前的研究工作中大多都是基于一種熱點形成微觀機制建立的數值模型,這與實際中含能材料熱點的形成并不相符。因此,建立一個多元的熱點形成微觀機制是非常有必要的。

(2)含能材料中熱點的形成、長大、點火和燃燒或爆炸過程是一個多尺度變化、多場耦合的復雜過程,因此,建立一個關于含能材料多尺度多場耦合的本構方程也將是未來研究中的重要挑戰。

(3)從熱點形成的微觀機制出發建立一個可靠的數值模型是理論和計算領域對含能材料熱點研究的重要內容。從目前的研究成果來看,盡管已經取得很多研究進展,但是建立一個能夠準確描述含能材料點火的熱點反應速率模型還需要進一步深入研究。