“原位”合成铜叠氮化物的爆速测试

李 兵，曾庆轩，李明愉，吴兴宇



“原位”合成铜叠氮化物的爆速测试

李 兵，曾庆轩，李明愉，吴兴宇

（北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京，100081）

为了测试铜叠氮化物的爆速，采用多层叠片装药方式制成长药柱，将镀在约束壳体表面的细金属线用作特殊的探针，测试了两种装药直径(0.8mm、1.0mm)下的爆速。测试结果表明：采用该特殊探针测试铜叠氮化物装药爆速的结果一致性好；当装药厚度达到0.9mm时，铜叠氮化物已经达到稳定爆轰状态；装药直径为1.0mm时的平均爆轰速度为5 317 m·s-1，大于装药直径为0.8mm时的平均爆轰速度5 229 m·s-1。

铜叠氮化物；爆速；探针法；多层叠片装药

铜叠氮化物由于具有极高的摩擦与撞击感度，其应用受到了极大的限制[1]，其爆轰性能也未得到系统的研究。然而，细颗粒的铜能够与气体叠氮酸在干燥的条件下直接原位反应生成铜的叠氮化物[2]，这样避免了铜叠氮化物在装药与压药过程中可能产生的危险，使得铜叠氮化物有了应用的可能。2008年，Gerald Laib[3]通过“原位”反应的方式合成了线性尺寸小于1 mm的铜叠氮化物装药，进而起爆下一级装药。2009年，Daniel Jean[4]提出可将多孔铜与气体叠氮酸“原位”合成铜叠氮化物装药，用于子母弹和40mm手榴弹等常规性弹药中。随着铜叠氮化物的应用被重视，其爆炸性能（如爆速、爆压等）需要更深入的了解，而目前很少见到报道。

爆速是表征炸药的一个重要参数，无论在实践上或是理论上爆速的测定都具有重要意义。爆速的测试方法可分为两大类[5]：一类是利用各种类型的测试仪器或装置测定爆轰波从一点传播到另一点所经历的时间间隔，然后去除两点间的距离，这样就可得到爆轰波在两点间的传播平均速度，如探针法。第二类为高速摄影方法，即利用高速摄影机，借助于爆轰波面的发光现象将爆轰波沿装药传播过程的轨迹连续地拍照下来，因此这种方法可以测得爆轰波通过任一点的瞬时速度。

无论采取何种测试方法，都必须将炸药制成一定长度的药柱，而由于铜叠氮化物的敏感性，制备一定长度的单一药柱会存在很大风险，所以本文采用多层叠片装药方式制成一定长度的药柱，以降低爆速测试的危险性。

1 实验部分

1.1 测试样品的制备

实验中，将块状多孔铜压入聚碳酸酯约束壳体中，通过“原位”反应的方式合成了铜叠氮化物单片装药，具体见参考文献[6]，然后将多片装药叠起制成一个长药柱。一般探针法测量炸药的爆速是将探针插入所测试炸药的内部，但是由于铜叠氮化物的高度敏感性，将探针插入铜叠氮化物的内部是不切实际的。图1为测试样品的实物图。在约束壳体表面镀上一层金属薄膜，中间断开的细金属线作为探针用于测量铜叠氮化物的爆速，其厚度约为20μm，其间距即为装药直径的长度。实验中，制备了两种装药直径（0.8 mm、1.0 mm）的铜叠氮化物，用于测量不同装药直径下铜叠氮化物的爆速。

图1 测试样品的实物图

此外，装药密度是一个影响炸药爆速的重要因素，一般来说，爆速随着装药密度的增加而增加。装药密度的计算见式（1）~（2）：

式（1）~（2）中：为装药密度；2为带有聚碳酸酯约束壳体的装药质量；1为聚碳酸酯壳体的质量；为装药体积；为装药直径；为装药厚度。计算本实验中所使用的铜叠氮化物的装药密度为2.29 g·cm-3。

1.2 铜叠氮化物的爆速测量

本实验采用探针法测量爆速，测试原理见图2。

图2 爆速测量的原理简图

2 实验结果与分析

不同装药直径的铜叠氮化物装药在不同阶段的平均爆轰速度如表1~2所示。

表1 0.8mm装药直径下不同阶段的平均爆轰速度

每一种炸药在达到稳定爆轰之前都有一个爆轰成长过程，即爆速随着药柱的长度增加而增加，最后达到一个稳定值。因此，本实验中改变起爆端至第1对探针之间的药柱长度AB（0.3mm，0.6mm，0.9mm以及1.2mm），以使爆速的测试达到一个稳定值，而这一个稳定值即为铜叠氮化物装药的爆轰速度。从表1~2可以看出，随着AB的增加，铜叠氮化物装药的爆速不断增加，然而，当AB从0.9 mm增加至1.2 mm时，铜叠氮化物装药的爆速基本不变。这表明，在AB为0.9 mm时，铜叠氮化物装药的爆轰已经达到一个稳定状态，再增加AB的长度，铜叠氮化物装药的爆速基本不再增加。因此，可以得到0.8 mm和1.0 mm装药直径的铜叠氮化物爆速分别为5 229m·s-1和5 317 m·s-1。图3显示了两个快速上升的电压信号。这表明，探针具有很好的灵敏度，这也说明该探针法测试铜叠氮化物爆速是合理的。图4为0.8 mm和1.0 mm装药直径铜叠氮化物的爆轰成长曲线。

图3 示波器记录的电信号

图4 不同装药直径铜叠氮化物的爆轰成长曲线

从图4中可以看出，1.0 mm装药直径的铜叠氮化物爆速要大于0.8 mm装药直径的铜叠氮化物爆速。这是因为，爆轰波传播与化学反应的能量释放速度与侧向膨胀引起的能量耗散速度之比有关，而由侧向膨胀引起的能量损失又随装药直径的减小而增大。即直径越小，能量损失越大，因此1.0 mm装药直径的铜叠氮化物爆速要大于0.8 mm的爆速，但增加值并不大，这说明0.8mm装药直径大于该铜叠氮化物的临界直径。

3 结论

通过“原位”合成的方法制备铜叠氮化物可大大提高铜叠氮化物的使用安全性。采用探针法测试得到了铜叠氮化物的爆速，铜叠氮化物的爆速随着直径的增大而增大。因此可以通过增加铜叠氮化物直径的方式提高铜叠氮化物的爆速。1.0mm装药直径下的爆速达到5 317m·s-1，远大于相同密度下叠氮化铅的爆速，也说明铜叠氮化物的爆轰性能要优于叠氮化铅。此外，该装药的临界直径小于0.8mm，说明该方法合成的铜叠氮化物可作为小尺寸装药。因此，通过“原位”合成方法制备的铜叠氮化物极有可能成为一种主流的微装药应用于MEMS系统中。

[1] Matyáš, R. and P. Jiří.. Primary Explosives[M]. Berlin: Verlag, 2013.

[2] Fair, H. D. and R.F.Walker. Energetic materials, physics and chemistry of inorganic azides[M]. New York: Plenum,1977.

[3] Laib Gerald. Integrated thin film explosive macro-detonator: US, 7739953[P]. 2010-06-22.

[4] Jean Daniel. MEMS micro-detonator based fuzing [C]//The 53rd Annual Fuze Conference.Coronado Springs Resort, 2009.

[5] 张宝坪,张庆明,黄风雷.爆轰物理学[M].北京:兵器工业出版社,2001．

[6] Bing Li, Mingyu Li, Qingxuan Zeng, et al. In-situ fabrication of monolithic copper azide[J]. Journal of Energetic Materials，2016(34):123-128.

Measurement of Detonation Velocity of Copper Azides Prepared by ‘In Situ’ Method

LI Bing，ZENG Qing-xuan，LI Ming-yu，WU Xing-yu

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology，Beijing，100081 )

Aimed at measuring the detonation velocity of copper azides, the long grain was fabricated by piling up multi-charges, the thin metal wire deposited in confinement surface was used for a special probe, and the detonation velocity of charges with two diameter was tested. The results indicate that the measurement results are of good consistency through using this special probe, and copper azides have reached the stable detonation state when the charge length is 0.9 mm. The average detonation velocity of 1.0 mm charge diameter is larger than that of 0.8mm charge diameter, which are 5 317 m·s-1and 5 229m·s-1respectively.

Copper azides；Detonation velocity；Probe method；Piling up multi-charges

1003-1480（2016）02-0037-03

TQ560.72

A

2016-03-01

李兵（1987 -），男，在读博士研究生，主要从事微装药研究。

总装预研基金项目（批准号：9140A05070111BQ0107）