一种HMX基PBX炸药在热与落锤撞击复合作用下的响应特性

申春迎, 黄 谦, 刘世俊

(中国工程物理研究院化工材料研究所, 四川 绵阳 621999)

1 引 言

撞击安全性和热安全性是评价炸药安全性的两个重要指标。撞击安全性可用落锤撞击感度试验、苏珊试验、滑道试验、冲塞试验、枪击试验、Steven试验[1]等表征,热安全性可用火烧试验、慢烤试验、一维热爆炸试验(ODTX试验)[2]、多尺度热爆炸试验(STEX试验)[3]等评价。这两类试验都无法预估炸药在撞击与火灾综合作用下是否会发生燃烧、爆炸等反应。近年来,国内外相继开展了高温下炸药高速撞击安全性的研究。Kevin S. Vandersall 等[4]研究了PBX-9501在150 ℃时的冲击安全性和点火增长模型。代晓淦等[5-7]研究了高温下HMX基PBX-2炸药柱在260～320 m·s-1的小弹丸撞击剪切摩擦作用下的响应特性。研究结果表明,温度对其撞击响应影响明显,PBX-2炸药在75 ℃和105 ℃时的撞击剪切安全性比常温下好,但在160 ℃和195 ℃时会明显变差。Sandusky等人[8]研究发现,在直径19 mm的钢球撞击挤压作用下,PBX-9502炸药在240 ℃时发生爆轰反应的临界撞击速度较常温有所降低。在实际运输和使用过程中,武器弹药经常面临低速撞击和/或火灾事故的威胁。其战斗部中的炸药一旦发生反应后果严重,因此研究炸药在热与低速撞击复合作用下的安全性对于预估武器在火灾、低速撞击下的响应是非常必要的,但目前这方面的研究还很少。

为了获得HMX基PBX炸药在热与低速撞击复合作用下的响应特性,设计了一种炸药片热与落锤撞击复合试验装置(国家发明专利号: ZL 201310236392.7)。利用该试验装置对PBX炸药进行了温度为20～170 ℃、落锤质量为50 kg、撞击速度0～14 m·s-1的热与落锤撞击复合试验。利用薄膜式压力传感器测试炸药在撞击过程中的压力变化历程,用高速摄影系统拍摄了炸药撞击点火过程,并利用电子万能材料试验机对PBX炸药在不同温度下的压缩强度进行了测试,从力学性能变化、晶体相变、热膨胀和热分解产生的损伤等方面分析了温度对落锤撞击安全性的影响。

2 试验

2.1 样品

PBX炸药组成为: HMX(质量分数大于85%)、少量TATB、粘结剂、钝感剂。采用水悬浮法制备成PBX造型粉,再用热压法压制成密度为1.844～1.845 g·cm-3、尺寸为Φ20 mm×8 mm和Φ20 mm×20 mm的小药柱,分别用于热与落锤撞击复合试验和压缩强度试验。热失重测试样品为颗粒状的PBX造型粉。试验中所用的炸药样品均由中国工程物理研究院化工材料研究所提供。

2.2 炸药热与落锤撞击复合试验装置和试验方法

自行设计的炸药热与落锤撞击复合试验装置示意图如图1所示。其中,落锤质量为50 kg,落高在12 m以内可调,试验温度在室温～300 ℃范围内可调。试验时,利用控温系统和均热块以5 ℃·min-1的升温速率将炸药片加热到预定温度并恒温20 min后,将落锤提升到预定高度,释放落锤撞击炸药。被加热的炸药在落锤的撞击作用下可能发生反应。根据试验结果调节落锤落高。

图1 炸药热与落锤撞击复合试验示意图

1—跌落支架, 2—提升装置, 3—释放装置, 4—落锤, 5—样品装置, 6—钢靶

Fig.1 Schematic diagram of the thermal-impact coupling test device

1—drop tower, 2—lift device, 3—releasing device, 4—drop hammer, 5—sample holder, 6—steel base

试验中,采用MEMRECAM GX-1高速摄影机观察炸药点火情况,在距撞击点1 m处布置超压测试系统(由CA-YD-202自由场压力传感器、YE6600电荷放大器、泰克示波器组成)测量炸药反应超压,采用50 Ω螺旋型薄膜式锰铜压力计测量炸药底部的受力过程。

根据高速摄影图像、冲击波超压、试验残骸来综合判断炸药是否发生反应。以炸药发生反应时落锤的最低落高来表征该温度下炸药的落锤撞击感度。

样品装置示意图见图2。样品装置由击杆、聚四氟乙烯环、导向套、击砧、底座、均热块、加热带组成。其中PBX炸药样品的尺寸为Φ20 mm×8 mm; 聚四氟乙烯环厚8 mm; 击砧、击杆、底座和均热块材料为钢,导向套材料为铝。

2.3 热与落锤撞击复合试验温度选择

为确定热与落锤撞击复合试验的温度范围,选择适宜的试验温度点,对PBX炸药进行了热失重测试分析。其在升温速率为5 ℃·min-1时的热失重曲线(TG曲线)见图3。从图中看出,PBX在136～150 ℃开始出现热失重,在263.7 ℃热失重达到4%,根据炸药的配方组成和组分的热性能特点可知此时主要为粘结剂和钝感剂的热分解; 随后热失重加剧,在285 ℃时,热失重达到92%,此为HMX、粘结剂和钝感剂受热发生分解造成的。故PBX炸药热与撞击复合试验的试验温度选择了常温、钝感剂熔化、粘结剂软化、炸药发生轻微分解、HMX发生晶型转变的几个特征温度,即20,82,125,155,170 ℃。

图2 样品装置示意图

1—击杆, 2—炸药片, 3—聚四氟乙烯环, 4—导向套, 5—击砧, 6—底座, 7—均热块, 8—加热带

Fig.2 Schematic diagram of the sample holder

1—striker, 2—explosive tablet, 3—PTFE ring, 4—guide tube, 5—anvil, 6—steel base, 7—heating block, 8—ring heater

图3 PBX炸药的TG曲线(5 ℃·min-1)

Fig.3 TG curve of PBX at a heating rate of 5 ℃·min-1

2.4 炸药压缩强度试验

参照GJB772A-1997方法416.1(抗压强度 压缩法),采用带有温度控制箱的INSTRON 8862电子万能材料试验机,对Φ20 mm×20 mm的小药柱进行炸药压缩强度性能测试。试验速度: 10 mm·min-1。测试温度为20～150 ℃内几个不同温度点,每个温度点五发试样为一组。

3 结果与讨论

3.1 热与落锤撞击复合试验的撞击过程

在热与落锤撞击复合试验中,PBX炸药发生反应后回收的击砧照片见图4。从图4可看出,当炸药发生反应时,击砧表面有炸药烧蚀发黑的痕迹,残余炸药表面有燃烧的痕迹,铝质导向套破裂。

高速摄影图像可用来观察判断炸药在落锤撞击压缩下是否发生点火以及点火熄灭或成长,获得点火延滞时间等。图5是典型的PBX炸药撞击点火高速摄影图像。由图5a可见,在20 ℃、落高5 m的落锤撞击作用下,部分炸药发生点火、燃烧,大部分炸药被撞碎后飞散出去,点火延滞时间约1.1667 ms。由图5b可见,温度为170 ℃的炸药被跌落高度为1.5 m的50 kg落锤撞击后随即发生点火,点火延滞时间约200 μs,有明显的燃烧发光现象,而且燃烧迅速。这说明炸药在高温环境下受到撞击时很容易发生反应,而且反应会迅速延续下去。

图4 热-撞击复合试验后的击砧照片

Fig.4 Photograph of the anvil after thermal-impact coupling test

a. 20 ℃,5 m

b. 170 ℃, 1.5 m

图5 PBX炸药撞击点火高速摄影图像

Fig.5 High speed recording pictures of ignited PBX during the impact process

图6为不同温度下PBX炸药的落高与点火延滞时间关系图。从图6中可看出,在相同温度下,落高越高,点火延滞时间越短。同时,温度升高,点火延滞时间缩短。

3.2 撞击过程中炸药片的受力分析

图7是20 ℃、落锤落高分别为2.5,4,6 m时撞击过程中炸药底部的压力-时间历程曲线。从图7可以看出,落锤落高为2.5 m和4 m时炸药的压力曲线相似,最大压力峰值在2 GPa左右,脉宽1 ms左右,随后压力逐渐降低,表明炸药未发生反应。分析认为,在受到落锤撞击时,炸药底部压力立即上升,随着炸药进一步受到压缩挤压,炸药底部受到的压力随之增长,在聚四氟乙烯环和导向套被破坏后,出现泄压,压力很快降低。在落高6 m时,压力峰值在1.5 GPa时发生跳变,表明炸药发生了反应。

图6 落高与点火延滞时间的关系

Fig.6 Relationship of the drop height and delay time of ignition

图7 热-撞击复合试验中PBX炸药的底部压力-时间曲线

Fig.7 The base pressure-time history of PBX in thermal-impact coupling test

3.3 温度对炸药撞击响应的影响

不同温度下PBX炸药的反应落高阈值结果见图8。从图8可看出,温度对PBX炸药的撞击安全性影响明显。在170 ℃以下,随着温度升高,PBX炸药的反应落高阈值先升高,而后逐渐降低。反应落高阈值越高则撞击感度越低。不同温度时PBX的撞击感度从低到高的排列顺序依次为82,125,20,155,170 ℃,其中20 ℃与155 ℃时的阈值相近。当温度在170 ℃时,反应落高阈值显著降低,在0.5～1 m左右,撞击感度显著提高。

药片状的(药量50 mg)纯HMX炸药在室温～150 ℃范围内,反应落高阈值随着温度升高略有降低,但变化不明显[9],因此,成型HMX基PBX炸药在20～150 ℃范围内的撞击感度变化与HMX含量关系不大,而可能与PBX在高温下的力学性能变化及由于热膨胀、热分解等产生的热损伤有关。

从图8可看出,82 ℃时PBX的反应落高阈值高于其它温度。这与该温度下PBX的力学性能有关。在20～80 ℃范围内,随温度升高,PBX炸药的压缩强度显著降低(见图9),从44.85 MPa降低到4.24 MPa。PBX炸药被加热到82 ℃时,由于里面的粘结剂软化、低熔点钝感剂熔化, PBX炸药发生软化、延展性增加,压缩强度降低,在撞击力的作用下易发生流动,不容易产生应力集中,减少了热点的形成, 因此82 ℃时PBX的撞击感度低于其他温度。

图8 PBX炸药片温度-反应落高阈值关系

Fig.8 The reaction drop height threshold changing with temperatures of PBX

图9 PBX炸药压缩强度-温度关系

Fig.9 Compressive strength vs. temperature for PBX

在82～155 ℃,随着温度升高,PBX的反应落高阈值降低。从图9可看出,PBX的压缩强度在该温度段没有明显变化,稳定在3.4 MPa左右。在撞击作用下,PBX的流动性不会增加。由于PBX在受热膨胀时会产生一些孔洞、间隙等,同时在136 ℃以上还会有部分炸药发生轻微的热分解也会形成一些孔洞间隙等损伤,在撞击压缩作用下这些损伤缺陷部位易产生热点,而且炸药的活化能随着温度升高会略有降低,因此,在这个温度范围内PBX炸药受到撞击时更容易反应,撞击感度会随着温度升高而提高。

从图8还可以看出,在170 ℃时,PBX炸药的撞击感度显著提高。这可能与PBX中HMX由稳定的β晶型转化为不稳定的δ晶形有关。HMX 在155～174 ℃范围内会发生β→δ相变,体积发生热膨胀,晶体膨胀6.7%,导致晶格破坏,同时产生大量孔洞、裂纹等损伤,从而形成大量的热点和剪切带,大幅提高了HMX的起爆感度,撞感与起爆药相当[10-13]。故PBX炸药在170 ℃高温、落锤撞击下由于HMX晶形发生转变、PBX炸药内部由于热膨胀和热分解产生的损伤、缺陷以及高温下炸药活化能降低等原因致使PBX炸药更容易发生反应,反应落高阈值显著降低,撞击感度明显提高。

4 结 论

(1)采用自行设计的炸药片热与落锤撞击复合试验装置,对成型HMX基PBX炸药进行了不同温度下的热与落锤撞击试验,结果表明,设计的试验装置能有效用于成型炸药的热与撞击复合作用下的安全性研究。

(2)在20～170 ℃范围内,成型PBX炸药的撞击感度与温度密切相关。随温度升高,PBX的撞击感度先降低后提高。其中,82 ℃时的撞击感度最低,这与该温度下PBX炸药的力学性能显著降低不易形成热点有关; 在82～155 ℃,PBX撞击感度随温度升高而提高,与炸药内部由于热膨胀和热分解产生的损伤缺陷易形成热点有关; 170 ℃时的撞击感度显著提高,这与炸药中的HMX晶体发生相变、炸药内部由于热分解和热膨胀产生的缺陷密切相关。

(3)高温环境下,炸药的点火延滞时间缩短。同一温度下,随着落锤高度增加,点火延滞时间变短。

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