机械约束下炸药反应演化特征研究

机械约束下炸药反应演化特征研究

孙志强，刘洁，常娟，孙志华

山西江阳化工有限公司  山西  太原市  030041

摘要：炸药作为武器装备的重要能源之一，在安全生产、运输等活动中有着重大潜在危险，对其安全性能检测是武器系统非常关心的问题，同时，也是含能材料领域中重点关注研究的课题。炸药在受到非冲击点火后，很有可能发生燃烧、爆燃、爆炸甚至爆轰反应，在此反应演化过程中，包含着结构响应、断裂，伴随着炸药化学反应耦合的多物理、多阶段程序变化，究其原因是受多方因素影响，如炸药化学物理性质、惯性及机械约束等，为此本文对机械约束下的炸药反应演化行为进行探究。

关键词：机械约束；压装炸药；反应演化

引言

在机械约束下装药的反应烈度相较于未约束条件装药高，低烈度反应的生成主要由燃烧产物气体，并以此作为驱动炸药自身形成动态破裂所致，大质量分数炸药参与燃烧反应之前，裂纹的扩展速度足够快，以使得压力释放和反应熄灭在与压力增长和释放竞争关系中处于被动，后者占据主导作用。为此，为了能够更加深入认识装药反应演化过程的影响因素及其制约机制，本文采用机械约束装药点火实验进行探究，在炸药柱底端，机械约束较强的位置进行点火，以此就PBX炸药装置的演化行为特征分析，并探讨不同因素对装药反应强度的影响，并未筛选炸药配方提供理论数据支撑。

一、实验检测方法

实验检测方式采取无预留空腔状态下的点火黑火药方式，模拟装药非冲击点火，使得在炸药紧邻位置处，能够生成数兆帕的压力高温气体条件。为了排除点火过程中高压力对炸药造成的损伤，在进行实验检测时控制点火腔体积与黑火药量。实验开始前准备阶段，采用与炸药尺寸一致的有机玻璃进行点火试验，并通过压力传感器监测，点火后高温产物气体最高压力约为5MPa，数值远远小于炸药抗压强度，因此，证明实验点火条件不会对炸药造成损伤。之后，进行实验装置组装，主要由腔体、可调节约束器、点火器及圆柱形炸药组成，腔体内安装炸药样品，两者壁面之间留有0.1mm的间隙，用于模拟装药结构的装配间隙，同时，腔体上方安装约束器，当燃烧反应形成高压冲破约束片时，在轴线方向仍起到约束炸药样品的作用，以模拟炸药基体约束对反应演化行为的影响。腔体底部预留中心孔，孔中填充约0.6g黑火药，采用点火器点燃黑火药，黑火药产生的高温燃烧产物点燃炸药样品，样品在炸药基体约束及装置机械约束下进行反应演化。

二、实验检测

实验样品为HMX基高聚物粘结炸药 PBX-1 和 PBX-2，环境温度下PBX-1和PBX-2炸药实测抗压强度分别为 40.55 MPa 和 48.74 MPa。

实验中，采用约束片动作触发探针，探针导通信号触发同步机，同步机同时触发PDV、冲击波超压及压力测试系统。采用激光干涉仪和测速探头，对约束器底部壳体的运动轨迹进行测量，采用冲击波超压测试系统，对炸药反应产生的空气冲击波超压进行测量，采用高量程压力传感器，固定在腔体底端，对腔体内炸药反应压力进行测量。

三、实验测试分析

（1）炸药力学性能对反应演化特征影响

实验点火产生的气体不会引起炸药基体断裂，炸药被点燃后基体开始以热传导燃烧模式进行层流消耗，同时也作为约束边界引起装药反应压力升高，这就使得炸药基体受到高压压缩，当压力达到一定临界值后，从而引发炸药断裂，炸药反应机制发生转变，燃烧表面积增大，增压速率剧增，压力曲线出现拐弯现象。

2 MPa 机械约束下 PBX-1 和 PBX-2 装药内部压力曲线随时间变化基本呈线性关系，峰值压力分别为91.4 MPa 和 108.9 MPa，此时约束片未膨胀变形，表明炸药基体约束作用造成压力持续升高，装药反应增压率基本保持恒定，表明炸药燃烧表面积变化不大，炸药以热传导燃烧模式在炸药外表面燃烧。当机械约束增加至50MPa，装药增压速率剧增，说明炸药燃耗率剧增，炸药燃烧表面积增大，炸药出现断裂，燃烧阵面进入这些裂缝中，炸药反应机制发生转变，形成拆解燃烧。50MPa机械约束下PBX-1和PBX-2装药反应转变的临界压力大约分别为112.7MPa和189MPa，PBX-1和PBX-2炸药化学组成基本一致，相对于抗压强度提升约20%，反应转变的临界压力提升了大约67.7%。因此，炸药力学性能在装药反应烈度演化进程中扮演重要角色，其决定了炸药断裂条件，为装药反应烈度增长提供有利途径。

（2）机械约束对反应演化特征的影响

2MPa机械约束下，产生破片速度在几十米量级，装药反应烈度为爆燃。从不同碎化程度炸药残骸，表明炸药基体在反应演化过程中形成了网状裂纹，同时，大部分残药表面有褐色痕迹，说明高压燃烧产物进入了裂纹，引发炸药新表面的反应的对流燃烧机制，促进机械约束薄弱位置压力升高而发生结构解体泄压，导致炸药反应熄灭，装药烈度表现水平不高。

在50MPa机械约束下，PBX-1和PBX-2装药在百微秒甚至几十微秒压力增长至吉帕量级，破片最高速度达到500m/s，装药发生爆炸反应，并且机械约束失效后，装药反应压力增长超过50%，造成反应演化后期烈度的增长，说明机械约束条件对装药反应烈度影响显著。

四、结语

综上所述，机械约束是影响装药反应烈度非常重要的因素。在约束作用下，反应压力驱动炸药断裂、燃烧比表面积增加，燃烧后的产物进入裂纹形成对流燃烧，引发反应压力急剧升高，反作用使炸药断裂、分叉及破碎，形成表面积巨大的裂纹网络，又为对流燃烧提供更多的通道和表面积，这种正反馈机制是引发高密度压装炸药发生高烈度反应的直接原因，也需要装药约束强度为其创造条件。

参考文献

[1]杨昆,吴艳青,金朋刚,黄风雷.典型压装与浇注PBX炸药缝隙挤压损伤-点火响应[J].含能材料.2020(10)

[2]陈鹏,屈可朋,李亮亮,肖玮,陈荣,畅博,袁宝慧.PBX炸药剪切流动点火性能的实验研究[J].火炸药学报.2020(01)