物性对含能材料撞击起爆感度的影响

李　健，沈　伟，崔　博，于复磊

(1.海军航空工程学院，山东 烟台　264001； 2. 91883部队，山西 长治　046001)



物性对含能材料撞击起爆感度的影响

李健1，沈伟1，崔博1，于复磊2

(1.海军航空工程学院，山东 烟台264001； 2. 91883部队，山西 长治046001)

摘要：为了研究物性对含能材料撞击起爆感度的影响，利用WL-1型落锤仪对含能材料AP 、HMX、RDX进行撞击感度测试，采用扫描电镜(SEM)对落锤撞击前后的样品细观形貌进行观测。结果表明：AP塑性强，HMX、RDX脆性强，同等条件下，AP比HMX、RDX容易爆发；AP的撞击感度随着粒度的增大而减小，HMX、RDX的撞击感度随着粒度的增大而增大。可见，选取大粒度AP，小粒度HMX、RDX可有效降低撞击感度。

关键词：含能材料；撞击起爆感度；扫描电镜

本文引用格式： 李健，沈伟，崔博，等.物性对含能材料撞击起爆感度的影响[J].兵器装备工程学报，2016(7):149-152.

Citation format:LI Jian, SHEN Wei, CUI Bo, et al.Research of Physical Properties on Effects of Energetic Materials Impact Sensitivity[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):149-152.

各种形式的含能材料是推进剂、炸药的主要能量源，其安全性直接影响推进剂、炸药的安全性，撞击、冲击波、摩擦、热、电、光等外界能量均可能引燃含能颗粒，产生自持的化学反应，形成火炸药的燃烧或爆炸[1]。颗粒的尺寸等物性都是影响其安全性的关键因素，因此含能材料安全特性是国内外安全性研究的一个重要内容。

当前，国内外学者对于推进剂撞击起爆的研究主要集中在宏观力学试验测试和数值模拟研究。由于一系列战场事故的发生，人们加深了对高能推进剂、炸药冲击起爆机理的研究[2]。含能材料机械撞击感度起爆机理的研究经历了上百年的历史，由“爆炸概率”、“特性落高”到“爆炸的临界压力，炸药层的临界厚度”共经过了3个阶段[3]。文献[4]进行了落锤冲击试验，对冲击前后颗粒进行了扫描电镜观测，分析了各类型颗粒受冲击载荷后细观层次上的响应。文献[5]运用GJB77A—97标准中的601.1及602.1试验方法研究了粒度对AP撞击感度的影响，发现小粒度AP撞击感度高于大粒度AP撞击感度。文献[6]中采用B3LYP/6-31G方法对HMX、RDX、CL-20等硝铵类含能化合物进行了计算和分析，发现硝铵类含能化合物的撞击感度随化合物颗粒粒度的增大而增大。

本文以推进剂、炸药常用的AP、HMX、RDX颗粒为研究对象，运用落锤仪对以上研究对象进行撞击感度测试，对撞击前后的样品进行SEM观测，分析不同颗粒在冲击载荷作用下的细观形貌变化、粒度和塑性对颗粒撞击感度的影响，为以这些含能颗粒为主要成分的火炸药安全性分析奠定基础。

1落锤撞击试验

1.1试验对象

试验以球磨颗粒AP、HMX、RDX为研究对象，对其进行落锤撞击试验，获得50%爆发特性高度。试验所用颗粒于2015年11月份出厂，试验前经过1周恒温恒湿保存。试验选择6种粒度不同的AP，6种粒度不同的HMX，5种粒度不同的RDX。每一种颗粒从中择优选择两种粒度进行SEM观测，其中选择AP(III)和AP(IV)，尺寸为151μm和7μm；HMX(200目)和HMX(40目)，尺寸为75μm和280μm；RDX(5)和RDX(7)，尺寸为20 μm和60 μm进行电镜观测。其粒度如表1所示。

表1　颗粒试验样品粒度

1.2试验设备及试验方法

撞击载荷的施加在1.8 m落锤仪上进行，落锤仪用标准炸药标定合格，锤重1 000±10 g，击柱、击套、底座等其他仪器设备按照《QJ1271—87-复合固体推进剂冲击感度测定方法》要求准备。图1为WL-1型落锤仪及模拟示意图。

颗粒撞击试验条件：室温(20±2)℃，空气湿度(60±5)%，样品重(50±1)mg。

图1　WL-1型落锤仪及模拟示意图

制作好的样品缓慢植入撞击装置中，托住下边击柱，轻轻转动撞击装置，使样品平铺在下边击柱的工作面上，同时轻轻放入上击柱，使上击柱凭自重轻轻下滑至样品表面，装好的撞击装置如图2所示。

图2　已装好药品的撞击装置图和模拟示意图

每份样品制作25发撞击试样，按经验逐步升高撞击高度，使最高撞击高度涵盖样品爆发高度，每个撞击高度做3次冲击实验，至出现同一撞击高度中既有爆发试样又有未爆发试样，并认为此撞击高度可导致样品细观层次上的较大变化，根据需求选取撞击前颗粒样品、冲击后未爆发、爆发样品做电镜观测分析。

2试验结果与分析

2.1SEM图片与物性对颗粒撞击起爆影响分析

1) AP(III)和AP(IV)的SEM图片与分析

AP(III)和AP(IV)的SEM图片与分析如图3与图4所示。比较含能材料AP、HMX、RDX颗粒受临界落高撞击的前后细观形态可知，各种材料在受到机械撞击时表现出的临界力学行为差异较大，但爆发后的细观形貌存在一定的相似性。

图3　AP(III)粉体样品受撞击前后对比

图4　AP(IV)粉体样品撞击前后对比

颗粒因物性的不同在临界爆发点附近的力学行为也有较大的差异。如图4和图5所示，未爆发样品SEM图片表明即便承受较高速度的重锤撞击，颗粒之间也表现出因数目众多的颗粒发生很大的塑性变形而形成的团聚效应，颗粒破碎数目占比相对很少，受撞击力下产生“贯穿条形”裂纹。爆发样品SEM图片显示出颗粒受冲击、压缩、烧蚀以及颗粒间相互作用的结果，表面受烧蚀作用留下孔洞，受撞击力作用导致局部表面平整。图片显示爆发很不完全，有一些样品材料基本没有反应。

2) HMX(200目)和HMX(40目)的SEM图片与分析

HMX(200目)和HMX(40目)的SEM图片与分析如图5与图6所示。与AP颗粒对应的大变形塑性材料不同，大粒度HMX在受临界落高的重锤撞击过程中，由于材料脆性大，塑性变形能力小，颗粒表面出现大量的破碎现象，形成众多的表面裂纹，颗粒团聚不明显。对比图6和图7中未爆发样品SEM图片，试验结果表明：粗HMX受撞击后确实容易产生表面裂纹，细HMX聚团后产生的表面裂纹等缺陷也大大多于AP和RDX颗粒。爆发样品SEM图片显示HMX受烧蚀严重，由于脆性强，受力后颗粒破碎居多，更易形成热点导致爆发。从爆发后残留可以看出HMX的爆发也不完全，也是局部爆发，且HMX和AP爆发过程相似[7-8]。

图5　HMX(200目)粉体样品冲击前后对比

图6　HMX(40目)粉体样品撞击前后对比

3) RDX(5)和RDX(7)的SEM图片与分析

RDX(5)和RDX(7)的SEM图片与分析如图7与图8所示。RDX原样品受落高冲击后，未爆发样品SEM图片表面颗粒呈半压溃状态，即颗粒出现冲击面，且仍有颗粒形貌存在，撞击面周围出现裂纹，基本无大小颗粒形貌，断面出现分层现象，说明样品内里已被压实。随着击柱下压的同时，RDX样品逐渐被压实，呈薄片状，样品受较低落高冲击后，撞击表面上颗粒边缘轮廓明显，颗粒破碎现象明显，沿颗粒周缘会出现较大裂纹。爆发样品SEM图片可以看出较大些颗粒破碎，溢出，烧蚀的情形，表面留下被烧蚀后的凹坑，在较大颗粒留下的烧蚀凹坑处容易形成“贯穿裂纹”。

综上所述，AP、HMX、RDX颗粒在受到临界落高机械撞击时表现出的塑性、脆性力学性质差异较大，但爆发过程和残留样品细观形貌存在一定的相似性。颗粒经过临界落高撞击后体现出的塑性变形能力越强，表明吸收外来能量激励的性能越好，AP塑性变形能力明显高于HMX和RDX。HMX和RDX颗粒过脆，易于形成裂纹，就易于导致高速压缩和裂纹之间尖点的相互作用，这样由于摩擦作用形成“热点”，材料就越不安全[9]。

图7　RDX(5)粉体样品撞击前后对比

图8　RDX(7)粉体样品撞击前后对比

2.2粒度对颗粒撞击起爆影响分析

在考虑颗粒个性的同时还要考虑颗粒的集合性质。在颗粒种类确定后，颗粒的比表面积、形状和尺寸就显得尤为重要。粒度越小，比表面积越大，表面活性就越高，表面能就越大[10]。文献[10]描述了颗粒种类、粒度对于感度的影响。试验得到颗粒临界撞击感度结果如图9所示，其中横坐标表示d50，单位(μm)，纵坐标表示H50，单位(cm)。

图9　AP、HMX、RDX的撞击感度随粒度变化图

AP的50%爆发撞击感度随着AP的粒度的增大而减小，试验数据表明球形AP直径在20～40 μm时，撞击感度随着AP的粒度的增大而减小，且几乎成线性关系；在AP的粒度大于40 μm时，粉体AP对撞击显示非常钝感，爆发百分比很小。

图7和图9(a)表示粉体AP的颗粒尺寸影响还很明显，只是在短时间内受力撞击下由于熔点高、延伸率高，粉体AP颗粒尤其是大的AP颗粒，更容易发生塑性变形，而不是产生热点爆发，这也能解释AP颗粒尺寸越大，试验爆发百分数越低。

当HMX颗粒尺寸在0～50 μm时，HMX的撞击感度升高迅速；在50～75 μm时，撞击感度升高速度极快；在75～280μm范围内，撞击感度升高缓慢，近乎缓慢线性增长；粉体RDX颗粒尺寸在0～35 μm时，RDX的撞击感度升高趋势缓慢；在35～60 μm时，RDX的撞击感度升高趋势迅速，近乎线性增长。

图8、图9表示粒度相同的AP和HMX、RDX，HMX、RDX的特性落高明显低于AP特性落高，但是HMX、RDX的烧蚀程度明显大于AP，颗粒过脆，延伸率低，导致HMX、RDX颗粒破碎数目居多，颗粒表面产生众多浅表裂纹，颗粒更易破碎，产生热点爆发，而非塑性变形产生聚团。且颗粒越大，这种规律性越明显。

HMX和RDX的撞击感度几乎随着颗粒尺寸的增大而升高，而AP的撞击感度几乎随着颗粒尺寸的增大而减小，HMX、RDX颗粒的微型化，适当选用大粒度AP可以有效达到降低撞击感度的目的。

3结论

1) AP、HMX、RDX本身物性不同对颗粒撞击爆发有影响。AP塑性变形能力强，受撞击后更易塑性变形产生团聚，而非形成热点爆发。HMX、RDX规律则相反，颗粒脆性强，受撞击后颗粒大量破碎，易于形成热点爆发。

2) AP的撞击感度随着粒度的增大而降低，HMX、RDX的规律则相反。当AP粒度达到40 μm时，特性落高达到70 cm；HMX、RDX粒度分别达到280 μm、60 μm时，临界落高均为10 cm，且随着粒度的继续增大，临界落高基本不再变化。

3) AP、HMX、RDX颗粒受临界落高冲击后的爆发过程和残留样品细观形貌存在一定的相似性。AP、HMX、RDX反应不完全，呈现部分颗粒的局部爆发，而非全部颗粒的整体爆发。

参考文献：

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[9]松全才，杨崇惠，金韶华.炸药理论[M].北京：兵器工业出版社，1997.

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(责任编辑唐定国)

收稿日期：2016-02-14；修回日期：2016-03-05

作者简介：李健(1991—)，男，硕士研究生，主要从事火箭发动机使用工程研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.032

中图分类号：V435

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)07-0149-04

Research of Physical Properties on Effects of Energetic Materials Impact Sensitivity

LI Jian1, SHEN Wei1, CUI Bo1, YU Fu-lei2

(1.Naval Aeronautical and Astronautic University，Yantai 264001，China；2.The No. 91883rdTroop of PLA, Changzhi 046001, China)

Abstract:To research the physical properties on the effects of energetic particle impact sensitivity, the energetic material AP, HMX and RDX were tested by WL-1 drop weight apparatus, and impact before and after the drop hammer based on scanning electron microscope (SEM) samples of micro-structure were observed. The results show the strong plasticity of AP, and the strong brittleness of HMX and RDX. At the same condition, the AP broke out more easily than HMX and RDX, and the impact sensitivity of AP decreases with the increase of particle size, and the rule of HMX and RDX is the opposite. So the impact sensitivity can efficiently be reduced by selecting large-grained AP and smaller sizes of HMX and RDX.

Key words:energetic material; the impact sensitivity; scanning electron microscopy

【化学工程与材料科学】