含AP炸药装药在剪切加载下的动态响应特性

田 轩，徐洪涛，冯 博，赵 娟，封雪松，冯晓军，王晓峰，南 海

（西安近代化学研究所，陕西西安710065）

引 言

火炸药装药在低速加载作用下的动态响应及损伤问题是含能材料应用领域的研究重点［1］。为研究炸药在低速加载下的动态响应，国外先后发展了多种加载系统［2］，如落锤试验、Steven 试验等。其中，由美国LLNL 和LANL 试验室开展的Steven试验常用于获取炸药装药的反应流动模型参数，并通过嵌入式压力计、外部应变计、弹道摆等新技术获取装药的反应程度。

高氯酸铵（AP）因具有良好的综合性能而广泛用于各类混合炸药中。国内外针对AP的冲击响应特性开展了大量基础研究。Walley［3－4］研究了含AP炸药的缺陷对点火的影响，发现温度对推进剂的点火行为影响很大；Oyumi［5］使用钢管作为约束材料研究了含AP炸药配方的剪切感度，分析了各种无机组分对炸药配方感度的影响规律；Siviour等［6］研究了在高应变率加载下浇注炸药的力学性能，认为材料的机械性能、内部损伤与材料的响应之间有密切的联系。国内相关研究对象多为粉状试样，关于AP在低速剪切下的响应等安全问题研究较少，且大多采用工程方法，缺少针对点火问题的科学研究和深入探讨，限制了对复合炸药安全性的认识和设计。

本研究采用落锤加载装置对含AP及不含AP的两种炸药装药进行冲击剪切加载实验，通过高速摄影记录两种炸药装药的加载过程，通过扫描电镜获取了两种装药的微观损伤特征，为复合型炸药在低速剪切过程中的点火机理研究和新型复合炸药的安全性设计提供基础实验依据，对评估战斗部中炸药部件在剪切刺激下的安全性具有重要意义。

1 实 验

1．1 材料及仪器

RDX，GJB296A－95，粒度为100～154μm，甘肃银光化学工业集团有限公司；AP，GJB617A－2003，大连国际工贸；惰性黏结剂，西安近代化学研究所。

Photron公司数字化高速摄影相机，摄像机距样品3m，拍摄速度为12500fps，曝光速度为2μs；FEI QUANTA600型环境扫描电镜（ESEM），美国FEI公司，采用低真空模式，环扫电压为20kV，样品室压力为2 600Pa。

1．2 试验方法

小落锤剪切加载试验装置见图1。用控制程序将落锤升至预定高度，然后释放落锤，锤体下落后剪切击杆，炸药药柱在加载作用下整体开始向下运动，但预置的剪切模将阻止中心炸药向下移动，而四周药柱则继续运动，药柱产生相对位移并形成高速剪切，具有不同力学性能的药柱将呈现不同的响应状态。通过高速录像和气体检测装置来判断炸药是否发生点火反应、反应物质及反应类型，得到炸药在该刺激下的响应情况。

采用30kg小落锤试验，试验方法采用下限值法。试验时，试样发生反应就降低落锤的高度，反之则提高落锤的下落高度，直至某一高度试验3次下落均不发生反应、而提高一个间隔的高度则发生反应时为止，从而获得炸药的临界点火阈值。结合第一步试验得到的反应下限落高为加载条件，对整个加载过程采用高速摄影记录，并回收加载后的样品，利用扫描电镜观察样品的微观结构变化。

1．3 样品制备

两种含AP炸药配方见表1。采用真空浇注工艺制备炸药装药，药柱尺寸为Φ20mm×20mm。样品1和2的装药密度分别为1．65g／cm3和1．72g／cm3。

图1 小落锤加载系统及剪切装置Fig．1 Loading system and shear device of the small hammer

表1 两种炸药配方Table 1 Formulations of the two explosives

2 结果与讨论

2．1 小落锤剪切加载试验结果

样品的小落锤剪切加载试验结果见表2。由表2可知，当落锤加载高度为1．2m时，样品1和2均发生点火反应；当落锤加载高度为1．0m时，仅样品2发生明显的点火反应。因此，在冲击剪切加载作用下，样品1具有更高的临界点火阈值，AP的加入提高了装药对剪切刺激的响应敏感性。

表2 两种炸药装药的小落锤剪切试验结果Table 1 Shear experiment results of the two explasive charges by the small hammer

2．2 加载过程的点火机理分析

2．2．1 动态加载过程

通过高速摄影相机记录两种装药的落锤加载过程。图2为含AP炸药装药的动态响应过程。

图2 落高120cm时含AP炸药装药的动态响应过程Fig．2 Dynamic responses course of the explosive charge containing AP at a drop height of 120cm

由图2可知，当落锤撞击击杆后，击杆开始向下运动，炸药装药在击杆的下落运动中受力变形，见图2（c）；中心部分形成塑性流动，受剪切模影响，整个装药立即发生劈裂，见图2（d）；由于塑料壳体为弱约束，碎裂的炸药块和约束一起快速向四周飞散，见图2（e），最后残余炸药发生反应，见图2（f）。因此，在加载作用下，炸药装药主要经历冲击、塑性流动、剪切、飞散、反应等阶段，与炸药的冲击点火机制不同，落锤加载下炸药装药的反应时间明显滞后。不含AP的炸药装药的动态响应过程与含AP炸药装药的相似。

2．2．2 加载后炸药晶体的微观损伤

小落锤撞击试验中，落锤高度小于炸药的临界点火阈值时不会发生反应。图3 是落锤高度为100cm 条件下两种装药加载试验后未反应的炸药的微观形貌图。

图3 落锤高度100cm时两种炸药装药加载后的扫描电镜图Fig．3 SEM images of two kinds of charges after impacting at a drop height of 100cm

由图3可知，不含AP的炸药装药在微观结构上断口比较平整，颗粒整体拔出的现象较少，加载后的颗粒出现明显的破碎，而且穿晶断裂明显增多，RDX 颗粒仍包裹在黏结剂基体中（标记A），加载RDX 颗粒的晶体变得更加平整（标记B），这表明RDX 颗粒在剪切加载过程中形成了明显的塑性变形和晶体破碎；含AP炸药装药加载实验后，炸药晶体有明显的断裂和剪切带，这表明在剪切加载作用下，RDX 颗粒以晶体的塑性变形和破碎为主要损伤模式，而AP颗粒在剪切加载下以晶体的剪切变形和穿晶断裂为主。

2．2．3 点火机理分析

通过自主设计的剪切加载装置研究了两种炸药装药的动态响应特性，发现具有不同组成和力学性能的炸药装药在加载过程中都产生晶体断裂、滑移、穿晶等形式的微观损伤。本研究认为不同炸药装药的冲击损伤模式与材料和工艺特性有关。

（1）炸药制备工艺决定装药的微观结构。由于试验所用样品均采用捏合－真空浇注工艺制备，在该工艺过程中炸药晶体颗粒的破碎情况较少，而且炸药晶体大量均匀分散在黏结剂基体中，具有黏弹性特征的黏结剂可实现与炸药颗粒的紧密接触，这种微观结构改善了传统炸药的脆性等本质缺陷，与利用炸药作为载体的熔铸炸药相比，这类炸药通常具有较高的整体力学强度。

（2）炸药装药在低速加载下的宏观与微观响应。当炸药装药表面受到低速撞击时，首先在接触面上形成压力为几千巴的压缩波，该压缩波由以声速传播的弹性波和以较低塑性声速传播的塑性波组成，而这类炸药的抗劈裂强度仅几十兆帕，因此炸药装药内部质点在剪切加载下通常呈流动状态，参见图2（c）和（d）。据文献［7］报道，RDX 晶体颗粒的屈服强度为18．4GPa，AP 晶体为17GPa。由于初始应力波的峰值压力强度低于炸药晶体的力学强度，导致无法直接压垮炸药单晶颗粒形成点火。

（3）单晶颗粒的局部热点形成机制。尽管应力波不是导致试样点火的直接原因，但含能晶体颗粒质点在初始应力波作用下产生运动，能量不断转化为装药的体积形变功，炸药装药最终通过径向断裂破坏释放能量。加载过程中单晶颗粒因位错效应形成剪切滑移，颗粒间因相对位移形成摩擦，这可能导致局部热点的形成。研究［8］表明，含能材料的硬度、屈服强度与局部热点强度有关，并认为炸药晶体颗粒边缘处绝热剪切带的出现是局部热点形成的标志。

（4）含能材料的热性能决定材料的反应模式。局部热点形成后，炸药晶体的热性能直接影响其反应模式，局部热点可能导致炸药晶体出现破碎、熔化、汽化、分解等转变。与无明确熔点特性的AP晶体相比，RDX 颗粒在205℃的吸热熔化作用是剪切加载下RDX 晶体出现塑性变形而AP 晶体却发生剪切破碎的根本原因。

另外，含AP炸药装药在剪切加载下出现延迟点火现象的原因可能是应力波在装药与下击柱接触面形成反射，对损伤颗粒造成了二次加载，这种力－热耦合机制非常复杂，需设计更精巧的试验进行验证。

3 结 论

（1）不含AP炸药装药的临界点火阈值为1．2m，加入AP后临界点火阈值为1．0m，这表明加入AP后炸药装药变得敏感；炸药装药在加载作用下主要经历冲击、塑性流动、剪切、飞散、反应等过程。

（2）剪切加载后的AP 晶体损伤以剪切变形和穿晶断裂为主，而RDX 晶体以塑性变形和破碎为主，分析认为上述差异主要与AP 晶体颗粒较低的力学强度和没有明确的熔点性能有关。

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