爆炸冲击波在酚醛层压材料中衰减特性的实验研究

侯海周，彭金华，胡毅亭



爆炸冲击波在酚醛层压材料中衰减特性的实验研究

侯海周，彭金华，胡毅亭

（南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094）

为研究药柱爆炸冲击波在酚醛层压材料中的衰减特性，利用锰铜压阻传感器，测量了药柱爆轰输出冲击波经不同厚度酚醛层压材料隔板衰减后的冲击波压力，并计算得到冲击波波后质点参数。结果表明：药柱爆轰输出冲击波经酚醛层压材料隔板传播时，其峰值压力随隔板厚度增加呈指数型衰减，通过对实验数据的拟合，得到酚醛层压材料中的冲击波衰减规律。

爆炸力学；冲击波衰减；酚醛层压材料；锰铜压力计

酚醛层压材料是以酚醛树脂（PF）为粘合剂，以棉布填料为基材，经过加热加压层压处理后，固化成层压板、管材、棒料等制品，具有耐冲击、耐磨损、减振吸热、抗损伤等性能，且密度适中，越来越多地受到航空航天、包装运输、军事防护等各领域的重视。

爆炸冲击波在介质中传播时，由于受波后和边侧的稀疏作用，或者由于波阵面熵增、粘性阻尼损耗以及与应变率有关的本构关系等原因，会不断衰减，波速和波阵面压力逐渐下降，并最终衰减为应力波或甚至声波[1]。关于介质中爆炸冲击波的衰减规律，国内外学者做了大量的工作。蔡军锋等[2]运用实验的方法，研究了超高分子量聚乙烯纤维增强聚氨酯泡沫对爆炸冲击波的衰减性能。王永刚等[3]通过实验和数值模拟对泡沫铝中冲击波传播特性进行了研究，结果表明冲击波在泡沫铝中传播时显示出明显的衰减特性。姜夕博等[4]用锰铜压力计法测量了药柱冲击波在不同厚度有机玻璃隔板中的压力，并分析讨论了冲击波压力在隔板中的衰减特性。Miyake等[5-6]研究了冲击波在直径为50mm的有机玻璃隔板中的衰减特性。但对于冲击波压力在酚醛层压材料中传播的衰减规律目前尚未见到公开报道。冲击波感度是从事爆炸以及防护等工作的研究人员非常关心的问题，而冲击波压力是描述炸药近距离作用的主要参数之一，是冲击波研究的重要内容。在弹药典型的传播序列中，上下级火工品之间常采用不同厚度的密实介质作为隔板，以实现准确的传爆或隔爆效果，提高传爆序列的可靠性和安全性。在炸药、雷管的储存、生产中，安全防护距离的确定等，都离不开对爆炸冲击波压力的研究。

本文采用锰铜压阻传感器直接测量爆轰波作用下酚醛层压材料中传播的压力波形，并通过对所得数据（，）进行曲线拟合，来研究冲击波在厚度小于40mm的酚醛层压材料中的衰减规律。

1 实验

1.1 实验原理

锰铜压阻传感器是利用锰铜材料在动高压下的压阻效应，来测量冲击波的压力，其所使用的锰铜材料的电阻系数大，电阻随压力的增大而增大，电阻值的温度系数又很小，甚至在熔点温度附近，其阻值的温度系数几乎为零，因而可以认为在冲击波作用时锰铜材料的电阻率只受压力影响。

锰铜压阻传感器是一种有源压力探测器，和脉冲恒流源一起组成使用。在恒流源向传感器提供恒流的条件下，当传感器受到外界压力作用时，电阻变化和电阻上的电压变化存在如下关系：

式（1）中：△/0为传感器电阻变化率；△/0为电压变化率；为恒流源提供的恒定电流。

在实验时只需要用示波器精确测量传感器的电压变化△/0，就可以计算出冲击波压力峰值。该方法的使用需要预先标定锰铜传感器的压力与电压的关系曲线——△/0，本实验使用的锰铜压力传感器的标定公式为：

在实际测量过程中，锰铜传感器与恒流源连接，其标定公式为：

1.2 测试系统和装置

测试系统如图1所示，用雷管引爆钝化RDX药柱，探针被激发，并发出信号使脉冲恒流源给锰铜压阻传感器提供恒流，同时示波器开始采集数据。冲击波在酚醛层压材料隔板中传播，当冲击波传播至锰铜传感器处，传感器受压后电阻发生变化，在示波器中就表现为电压变化。波形存储器记录电压变化过程，并测取电压峰值max和基准电压0，则△/0=(max–0)/0，代入锰铜压阻传感器标定公式即可求得对应的爆炸冲击波压力峰值。测试装置中采用的恒流源最大电流9A；波形存储器为HP54615B，频响范围为500Hz，取样速率为1G/s；探针采用0.2mm漆包线制成。

图1 冲击波压力测试系统示意图

爆炸装置如图2所示，锰铜压阻传感器与酚醛层压材料隔板紧密贴合，以减少侧向稀疏波的影响，确保锰铜传感器的敏感中心与酚醛层压材料隔板的中心在同一轴线上；为减小爆炸冲击波反射对测试结果可能产生的影响，在锰铜传感器下面放置一块相同材质的酚醛层压材料垫板，厚度为50mm。起爆采用8#电雷管，主装药为钝化RDX药柱，Φ40×50mm，密度1.604g/cm3。实验所用试样由3723酚醛层压棒料经机械加工而成，加工时保持试样两个端面间良好的垂直度和平行度，隔板直径为40mm，厚度分别为0mm，1mm，3mm，5mm，7mm，10mm，15mm，20mm，25mm，30mm，35mm，40mm。

图2 爆炸装置示意图

为便于传感器的安装和导线的连接，锰铜压阻传感器选用H型结构，见图3。所选传感器的敏感部分面积为0.5mm×1mm，厚度为10μm，由绝缘膜封装。

图3 H型锰铜压阻传感器结构示意图

1.3 实验结果与讨论

由实验所得的典型波形见图4，由图4可见，采集基线在1处出现干扰信号，这是脉冲恒流源收到探针的触发信号后，开始工作时在锰铜压阻传感器上产生的干扰信号；示波器在2～3间采集的为锰铜传感器的初始电压，此电压与基线之间的电压差为0，在3～4间采集的是锰铜传感器受爆炸冲击波作用时的压力值，此电压与初始电压的差值为△，根据式（3），将实验测得的电压变化率换算成冲击波峰值压力。实验测量爆炸冲击波在不同厚度酚醛层压材料隔板的压力峰值见表1，冲击波压力数值均为2次有效测量的平均值。

图4 示波器采集到的典型波形

表1 实验测得的冲击波峰值压力

研究表明[7]，爆炸冲击波在密实介质中的传播行为呈指数衰减规律，衰减系数取决于介质的Hugoniot参数，与冲击强度无关。因此采用如下的指数函数衰减来进行拟合。

式（4）中：0为爆炸冲击波进入酚醛层压材料隔板时的初始压力，GPa；为冲击波进入酚醛层压材料隔板传播距离处的压力，GPa；为酚醛层压材料隔板中冲击波压力衰减系数。

为了便于实验数据（，）关系曲线拟合及拟合精度的提高，对式（4）取自然对数：

ln=ln0-（5）

得到一个直线关系式，待定参数为直线截距ln0和斜率-。根据表1数据得到（ln，）的散点图，拟合出ln——曲线，如图5所示。由图5可见，参量ln与呈直线关系。

图5 拟合的lnp和x关系曲线

拟合的直线方程为：

其线性相关系数为-0.994 64，具有很好的线性相关。这说明，爆炸冲击波压力在酚醛层压材料中的衰减规律符合理论模型。

把参数ln0=3.165，=0.045 84带入式（4）得：

2 冲击波波后质点参数的计算

通过测量爆炸冲击波波后质点的速度，研究固体介质中冲击波压力是最常用的方法。由于上文已经通过锰铜压阻传感器直接测量了冲击波压力，此处根据冲击波压力来计算冲击波波后质点的参数。

在凝聚介质中爆炸冲击波速度与其波后质点速度之间，在相当宽的速度范围（或压力范围1.7～200GPa）内存在着线性关系[8]，即在酚醛层压材料中冲击波速度与波后质点速度的关系式为：

式（8）中：为冲击波速度，km/s；c0和λ为常数，c0＝2.81km/s，λ＝1.45；u为波后质点速度，km/s。

冲击波质量、动量守恒的基本关系式如下[1]：

由实验已知道钝化RDX药柱在不同厚度酚醛层压材料隔板处的冲击波压力，根据式（8）、式（9）和式（11）可以计算得到冲击波波后质点的其他参数，计算结果见表2。

表2 冲击波波后质点参数

对冲击波速度、波后质点速度和密度数据也分别按照指数衰减模型：=0e-进行数据处理，结果分别是：冲击波速度的衰减模型为（0≤≤40mm），衰减系数0.012 03；波后质点速度的衰减模型为（0≤≤40mm），衰减系数为0.028 69；波后质点密度的衰减模型为（0≤≤40mm），衰减系数为0.007 01。比较冲击波压力、速度、波后质点速度和密度的衰减系数可知，冲击波压力的衰减系数最大，波后质点密度的衰减系数最小，表明随着冲击波在酚醛层压材料隔板中的传播距离的增加，冲击波压力衰减最快，而波后质点密度衰减最慢。

3 结论

（1） 钝化RDX药柱爆轰输出冲击波经酚醛层压材料隔板传播时，其峰值压力随隔板厚度增加呈指数型衰减，其衰减规律为=23.68e-0.045 84x，衰减系数为0.045 84。

（2）随着冲击波在酚醛层压材料隔板中的传播距离的增加，冲击波压力衰减最快，而波后质点密度衰减最慢。

[1] 李维新.一维不定常流与冲击波[M].北京:国防工业出版 社, 2003.

[2] 蔡军锋,易建政,续新宇,等.UHMWPE纤维增强聚氨酯泡沫对爆炸冲击波衰减性能的影响[J].高分子材料科学与工程,2009,25(4):119-122.

[3] 王永刚,胡时胜,王礼立.爆炸载荷下泡沫铝材料中冲击波衰减特性的实验和数值模拟研究[J].爆炸与冲击,2003,23(6): 516-522.

[4] 姜夕博,饶国宁,徐森,郭耸,王建灵,金朋刚,彭金华.冲击波在有机玻璃中衰减特性的数值模拟与实验研究[J].南京理工大学学报,2012,36(6):1 059-1 064.

[5] Miyake A, Mori S, Ogawa T, et al. Shock attenuation behavior in PMMA gap using direct pressure measurement [C]// Twenty-ninth International Pyrotechnics Seminar. Westminster, Colorado, USA,2002.

[6] Mori S, Miyake A. Takahara K, et al. Recalibration of shock attenuation in PMMA gap by direct pressure measurement [C]//4th International Symposium on Impact Engineering. Kumamoto, Japan,2001.

[7] 张春生.凝聚材料中矩形脉冲的衰减[J].爆轰波与冲击 波,1986(1):43-53.

[8] 张俊秀,刘光烈.爆炸及其应用技术[M].北京:兵器工业 出版社,1998.

Experimental Study of Shock Wave Attenuation Properties in Phenolic Cotton Fabric Material

HOU Hai-zhou, PENG Jin-hua, HU Yi-ting

(School of Chemical Engineering, NUST, Nanjing, 210094)

In order to study the characteristics of shock wave attenuation in phenolic cotton fabric material, the explosive detonation wave from charge was transmitted through phenolic cotton fabric material with different thickness, and the attenuated shock wave pressure was measured by manganin gauge, as well as the impact of particle parameters after wave was calculated. The results show that the shock wave is obviously attenuated in the transmission process of the phenolic cotton fabric material, and the attenuation law of shock wave is obtained by fitting the experimental data.

Explosion mechanics；Shock wave attenuation；Phenolic cotton fabric material；Manganin gauge

1003-1480（2016）02-0013-04

TJ450.1

A

2016-01-05

侯海周（1979 -），男，工程师，主要从事系统安全研究。