低冲击作用下JO9159炸药的反应阈值*

李金河，文尚刚，谭多望，李 涛

（中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理国防科技重点实验室，四川 绵阳 621900）

低冲击作用下JO9159炸药的反应阈值*

李金河，文尚刚，谭多望，李 涛

（中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理国防科技重点实验室，四川 绵阳 621900）

设计了改进的隔板实验装置，采用PVDF压力计测量受试炸药的入射压力，利用高速分幅相机得到炸药自由表面发展变化过程。通过分析计算得到入射压力与自由表面粒子速度之间的关系，并与未反应炸药计算的自由面粒子速度进行了比较，得到JO-9159炸药在低冲击作用下的化学反应阈值和点火阈值分别为1.13和1.98GPa。

爆炸力学；反应阈值；隔板实验；JO-9159炸药；低冲击；PVDF压力计；高速分幅相机

炸药的安全性和使用性能是含能材料最重要的2个研究方面。早期的爆轰基础研究主要集中在较高压力作用下炸药的冲击起爆机制和炸药的爆轰性能。如今，炸药在贮存、使用过程中的安全性也越来越受到重视，成为爆轰基础研究中的一个重点。炸药在贮存和使用过程中可能的危险源大致分为3类：机械撞击、热刺激和冲击波作用［1］。由于强度和作用时间的不同，炸药在3种危险源的作用下可能会产生不同的反应情况，如化学反应、点火、燃烧、爆燃、爆轰以及爆燃转爆轰（deflagration-to-detonation transition，DDT）和延迟爆轰（delayed detonation，XDT）等现象。DDT和XDT现象是炸药或武器系统贮存、使用过程中必须避免的，往往会导致灾难性的事故。许多研究者采用多种实验方法对XDT和DDT现象进行了研究［2－5］，虽然得到了一些普遍的认识，但由于其产生机理复杂、发生概率低、重复性差，直接研究进展不大。因此，人们退而研究更加基础性的阶段——热和撞击加载下含能材料的损伤与点火反应，并在方法论上趋同于若干公认的、可比较的基准实验及数值模拟［6］，如烤燃实验、Steven实验等［7－10］。而隔板实验则是研究冲击波作用下炸药反应机理的重要方法。P.J.Baker［11］认为研究在低刺激作用下炸药的反应很有意义，指出在低于一定压力情况下炸药不会发生反应（即存在反应阈值），但压力在反应阈值和爆轰阈值之间可能出现DDT、燃烧和爆炸等现象。S.K.Chidester等［12－13］用Steven实验方法对PBX-9501等炸药进行了研究，说明在低压下存在燃烧性质的反应，炸药发生反应的阈值速度与其厚度无关。T.P.Liddiard等［14－15］通过改进的隔板实验方法说明炸药的反应阈值与炸药厚度无关，入射压力在化学反应阈值与点火阈值之间时，炸药的反应烈度很低。对于某些以HMX为主要成分的炸药，在接近点火阈值时，大尺寸装药有可能发生灾害性的反应。M.Kroh等［16］也采用改进的隔板实验方法得到了低于炸药爆轰阈值压力的反应阈值压力。可见，炸药在低冲击作用下存在反应阈值，反应阈值与炸药的安全性密切相关，研究炸药在低冲击作用下的反应阈值对炸药的安全性有重要意义。

本文中改进传统的隔板实验装置，采用PVDF压力计和S150型等待式高速分幅相机联合测试方法研究JO-9159炸药在低冲击作用下的反应阈值，以期为炸药的安全性评估提供参考。

1 实验装置

实验装置由传统隔板实验装置改进而来，去掉了见证板，消除见证板产生的反射冲击波对炸药反应的影响，以研究在冲击波单独作用下炸药的反应情况。实验装置示意图如图1所示，主要由雷管、平面波透镜、有机玻璃隔板、受试炸药、聚酯膜、PVDF压力计、防护板、标尺等组成。平面波透镜的直径为100mm，产生的平面冲击波作为装置的初始压力。有机玻璃隔板的总厚度可以通过改变隔板数量进行调节，以调整输入到炸药中的冲击波强度。单块有机玻璃板的尺寸为Ø100mm×10mm。受试炸药JO-9159的尺寸为Ø40mm×25mm，为便于照相，安装完成后将其柱面涂为黑色；聚酯膜厚度为0.04mm，贴在整个炸药的自由面上，以减少炸药样品表面喷射物的影响，利于分辨炸药自由面。PVDF压力计用于测量经有机玻璃衰减后的输出压力及受试炸药的入射压力；防护板厚度为30mm，用于阻止透镜起爆后产生的反应产物过早进入高速分幅相机视场，影响测试效果；标尺可以作为计算自由面粒子运动时的参考，便于对实验结果进行准确判读。高速分幅相机采用氙灯面光源进行照明。共进行了5发实验，隔板厚度d分别为50、70、80、90、100mm。

图1 改进的隔板实验装置示意图Fig.1Configuration of the modified gap test setup

2 实验结果

2.1 等待式分幅相机记录结果

等待式分幅相机记录的典型炸药自由面运动图像见图2。图中的各幅图像是经过选取而来的，并不是原始连续拍摄结果，相机记录幅频为（2～3）×105s－1。

图2 不同隔板厚度情况下炸药自由面运动图像Fig.2 Motion images of the free surface of the explosive in the cases of different gaps

由实验拍摄所得自由面运动图像可知，随着隔板厚度增加，隔板输出压力减小，炸药表面入射压力降低，自由面速度减小，炸药反应的剧烈程度也逐渐减弱，发生最强烈反应的位置逐渐后移，相应地发生最强烈反应的时间也有一定延迟。隔板厚度为50mm时，炸药在底部发生了可能是爆炸性质的剧烈反应，反应产物迅速向轴向和径向扩散。隔板厚度为70mm时，炸药发生了强烈的反应，最先发生反应的位置在底部，但是反应最强烈的位置位于炸药的中下部。隔板厚度为80和90mm时，炸药自由面的运动过程较相似，发生了明显的反应，但是反应最强烈的位置进一步后移，位于炸药的中上部。隔板厚度为100mm时，反应产物在接近顶部位置出现了“牛角”状突起，说明炸药在顶部附近发生了较微弱的反应，产物在向外扩散的时候形成了突起。压力降低后，炸药反应最强烈的位置后移以及时间的延迟可能与炸药低压下发生XDT或DDT现象存在一定的关系。

2.2 PVDF压力计测试结果

PVDF压力计不仅可以测量受试炸药的入射压力，还能区别受试炸药是否发生了强烈反应（爆炸）。图3给出了实验中PVDF压力计的典型实验波形，可以看出，隔板厚度为50和100mm时，入射压力波形有较大的区别。隔板厚度为50mm时，PVDF压力计的测量结果比隔板厚度为100mm时多了一段压力突跃过程，持续时间为约1μs。这主要是由于隔板厚度为50mm时炸药在底部附近发生了比较强烈的反应导致压力迅速上升。而隔板厚度为100mm时，炸药没有发生强烈反应，在PVDF压力计的测量结果上没有出现压力突跃现象。5发实验的PVDF压力计测试波形表明，隔板厚度为50和70mm时，炸药发生了强烈的反应；而隔板厚度为80、90和100mm时，炸药反应程度较弱。

图3 PVDF压力计测得的典型实验波形Fig.3 Typical experimental waves captured by PVDF pressure gauges

3 分析与讨论

根据等待式分幅相机的记录结果，由相邻图像之间标尺与炸药自由面位置变化关系以及实验时相机采用的幅频，可以计算自由面粒子速度up，计算结果见表1。PVDF压力计的实验波形可以根据PVDF压力计的标定方程转换为压力波形，并由此得到受试炸药的入射压力pi，见表1。由此可得入射压力和自由表面粒子速度之间的关系，见图4。

表1 受试炸药入射压力和自由面粒子速度Table 1 Input pressures and free-surface particle velocities of test explosive

由图4可知，在隔板厚度为80～100mm之间时，受试炸药的入射压力较低，实验测得的自由表面粒子速度与未反应炸药自由表面粒子速度之间具有较小的速度差；并且速度与压力呈线性关系。由该线性关系拟合出的直线与未反应炸药自由面粒子速度曲线相交，交点即为受试炸药的化学反应阈值点，相应的受试炸药的化学反应阈值压力约1.13GPa。在隔板厚度小于80mm时，受试炸药自由面粒子速度急剧增加，说明炸药发生反应的性质已经有了明显改变，80mm隔板厚度附近是由化学反应向点火反应发生的转折点，该点即为点火阈值点，相应的点火阈值压力为约1.98GPa。

炸药的点火阈值压力比爆轰阈值压力小，但他们之间存在一定的关系。在低于爆轰阈值压力冲击下，炸药发生点火后，在适当的约束或2次冲击波的作用下，有可能进一步成长为爆炸或爆轰，产生所谓的延迟爆轰现象。由此可以说明点火阈值对炸药的安全性有重要影响，是表征炸药在低压冲击作用下感度的重要指标。当炸药的入射压力在化学反应阈值与点火阈值之间时，炸药发生反应的速度较慢，反应的剧烈程度较低，在较弱的约束条件或无外加能量下，反应不能自持而熄灭，但在一定约束或其他条件下有进一步发展成为点火的可能。当炸药的入射压力在低于其化学反应阈值时，炸药不会发生反应，也不会发展为点火反应或爆轰反应。在正常贮存、运输等过程中，为保证安全，应尽量将炸药受到外界刺激产生的入射压力控制在化学反应阈值以下。

图4 自由面粒子速度与入射压力之间的关系Fig.4 Relation between free surface particle velocity and input pressure

4 结 论

改进了传统隔板实验装置，发展了采用PVDF压力计和等待式分幅相机研究炸药反应阈值的联合测试方法。实验表明，低压冲击下，JO-9159炸药存在反应阈值，实验得到的化学反应阈值压力为约1.13GPa，点火阈值压力为约1.98GPa。点火阈值是表征炸药在低压冲击作用下感度的重要指标，与炸药发生延迟爆轰可能有一定关系，化学反应阈值是充分保证炸药贮存、运输安全的重要参考依据。

［1］Tarver C M，Chidester S K.On the violence of high explosive reactions［J］.Journal of Pressure Vessel Technology，2005，127（1）：39-48.

［2］Salvetat B，Guery F.Visualization and modeling of delayed detonation in the card gap test［C］∥Proceedings of the 10th International Detonation Symposium.Boston，MA：Office of Naval Research，1993：709-715.

［3］陈朗，柯家山，方青，等.低冲击下固体炸药延迟起爆（XDT）现象［J］.爆炸与冲击，2003，23（3）：214-218.

CHEN Lang，KE Jia-shan，FANG Qing，et al.Delayed detonation of solid explosives under low amplitude shock wave loading［J］.Explosion and Shock Waves，2003，23（3）：214-218.

［4］Hare D E，Forbes J W，Garcia F，et al.A report on the deflagration-to-detonation transition（DDT）in the high explosive LX-04［R］.UCRL-TR-205024，2004.

［5］孙锦山.含能材料的燃烧转爆轰研究［J］.含能材料，1994，2（3）：1-12.

SUN Jin-shan.Studies of deflagration-to-detonation transition in energetic materials［J］.Energetic Materials，1994，2（3）：1-12.

［6］孙承纬.爆轰学科研究发展的动向［J］.爆轰波与冲击波，2003（2）：47-53.

［7］Chidester S K，Tarver C M，Green L G，et al.On the violence of thermal explosion in solid explosives［J］.Combustion and Flame，1997，110（1／2）：264-280.

［8］Baer M R，Hobbs M L，Gross R J，et al.Cookoff of energetic materials［C］∥Proceedings of the 11th International Detonation Symposium.Snowmass，CO：Office of Naval Research，1998：852-861.

［9］Chidester S K，Tarver C M，Garza R，et al.Low amplitude impact testing and analysis of pristine and aged solid high explosives［C］∥Proceedings of the 11th International Detonation Symposium.Snowmass，CO：Office of Naval Research，1998：93-100.

［10］Vandersall K S，Chidester S K，Forbes J W，et al.Experimental and modeling studies of crush，puncture，and perforation scenarios in the Steven impact test［C］∥Proceedings of the 12th International Detonation Symposium.San Diego，CA：Office of Naval Research，2002：68-76.

［11］Baker P J.Impact-initiated detonative and nondetonative reactions in confined tritonal，composition H-6，and PBXN-109［C］∥Proceedings of the 11th International Detonation Symposium.Snowmass，CO：Office of Naval Research，1998：254-265.

［12］Chidester S K，Green L G，Lee C G.A frictional work predictive method for the Initiation of solid high explosives from low pressure impacts［C］∥Proceedings of the 10th International Detonation Symposium.Boston，MA：Office of Naval Research，1993：785-792.

［13］Chidester S K，Gaiza R，Tarver C M.Low amplitude impact testing and analysis of pristine and aged solid high explosives［C］∥Proceedings of the 11th International Detonation Symposium.Snowmass，CO：Office of Naval Research，1998：93-100.

［14］Liddiard T P，Forbes J W.Physical evidence of different chemical reactions in explosives as a function of stress［C］∥Proceedings of the 9th International Detonation Symposium.Portland，OR：Office of Naval Research，1989：1235-1242.

［15］Lemar E R，Liddiard T P，Forbes J W.The analysis of modified gap test data for several insensitive explosives［C］∥Proceedings of the 10th International Detonation Symposium.Boston，MA：Office of Naval Research，1993：731-737.

［16］Kroh M，Thoma K，Arnold W，et al.Shock sensitivity and performance of several high explosives［C］∥Proceedings of the 8th International Detonation Symposium.White Oak，MD：Naval Surface Weapons Center，1985：1131-1138.

Reaction threshold of explosive JO-9159under low-amplitude shock＊

LI Jin-he，WEN Shang－gang，TAN Duo-wang，LI Tao
（National Key Laboratory of Shock Wave and Detonation Physics，Institute of Fluid Physics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，Sichuan，China）

The modified gap test setup was designed.The input pressure of acceptor explosive was measured by applying a PVDF gauge，and the motion images of the free surface were recorded by using a high-speed frame camera.The relation between the free-surface particle velocity and input pressure of explosive were obtained and compared with the calculated free-surface particle velocity of unreacted explosive.Comparison shows that the chemical reaction threshold and ignition threshold of explosive JO-9159are 1.33and 1.98GPa，respectively.

mechanics of explosion；reaction threshold；gap test；explosive JO-9159；low-amplitude shock；PVDF gauge；high-speed frame camera

8September 2009；Revised 12October 2010

LI Jin-he，103lijinhe＠live.cn

（责任编辑 张凌云）

O389 国标学科代码：130·35

A

1001-1455（2011）02-0148-05＊

2009-09-08；

2010-10-12

李金河（1979— ），男，学士，助理研究员。