等离子体起爆条件对不敏感含能材料响应强度的影响

2020-07-02薛乐星封雪松冯晓军

火炸药学报 2020年3期

薛乐星，潘文，冯博，封雪松，赵娟，冯晓军

(西安近代化学研究所，陕西西安 710065)

引言

等离子体起爆技术是一种基于电爆炸等离子体对炸药脉冲作用的小药量炸药起爆技术，可以在克量级实现对炸药的起爆[1]。20世纪60年代起国内外获得了等离子体放电回路电感、电阻，金属丝材质、规格，充放电截止时间等参数对起爆结果的影响规律[2-4]，但是起爆能量较低，主要起爆太安等较为敏感的炸药。近年来，等离子体在火炸药领域的应用再次成为研究热点。通过采用重频脉冲等离子体可以降低点火延迟、点火阈值等[5]。水下等离子体起爆技术可用于油管解堵增采、页岩气/煤层气储层岩石致裂增效等[6]，获得了多种高能炸药的等离子体起爆、能量输出及冲击波效应参数[7]。

随着对炸药安全性能的提升，不敏感炸药成为研究重点，新型的不敏感含能材料也在不断研发。但是由于不敏感含能材料爆轰增长慢、临界直径大，导致在表征不敏感含能材料的爆轰性能时起爆困难及爆轰不完全。

为了提高等离子体对不敏感含能材料的起爆可靠性，并改善小药量下不敏感含能材料的起爆响应强度，本研究通过选择5种典型不敏感含能材料，获得等离子体起爆电压和等离子体与含能材料接触面积对不敏感含能材料爆轰响应强度的影响规律。

1 实验

1.1 实验样品

三氨基三硝基苯(TATB)，甘肃银光化工有限公司；2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)、1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)，N-脒基脲二硝酰胺盐(FOX-12)和1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐(HATO)，西安近代化学研究所。

1.2 实验装置

起爆实验装置示意图如图1所示。等离子体由脉冲功率源对金属丝放电产生。脉冲功率源电容6μF，起爆电压15～25kV可调。金属丝材质为Ni-Cr(质量比80∶20)合金，直径0.3mm。试样管材质为陶瓷管，外径14mm，内径10mm，长20mm。铝制见证板尺寸150mm150mm2mm。

图1 起爆实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of initiation experimental setup

1.3 实验方法

等离子体起爆条件包括起爆电压和等离子体与炸药的接触面积。起爆电压通过脉冲功率源直接调节，选择15、20和25kV。等离子体与炸药的接触面积通过改变金属丝形状调节，分为直线形(Z)和螺线形(W)两种形状，直线形金属丝与含能材料接触面积19mm2，螺线形金属丝与含能材料的接触面积为77mm2。所有实验样品如表1所示。

研究表明,见证板凹坑深度与爆压具有线性关系[8]，本实验基于该原理以见证板形变量作为不敏感含能材料在等离子体起爆下响应强度的判定依据。

表1 试验样品及条件

2 结果与讨论

2.1 等离子体起爆电压对响应强度的影响

TATB的等离子体起爆试验见证板照片及最大形变量(Δlmax)如图2所示。

图2 TATB在不同起爆电压下的见证板Fig.2 Witness plates of TATB at different initiation voltages

由图2可以发现，在等离子体起爆电压15kV时，见证板表面残留了大量TATB粉末，见证板没有发生形变。起爆电压20kV时见证板形变量较小，起爆电压25kV时，表面残留的少量粉末出现黑色烧蚀痕迹，见证板形变量明显增大，达到2.95mm。可见起爆电压15kV时TATB的响应强度较差，见证板不能发生形变，因此后续实验采用20kV和25kV的起爆电压。

4种不敏感含能材料在不同起爆电压下见证板照片及最大形变量如图3所示。

图3 不同起爆电压下不敏感含能材料的见证板Fig.3 Witness plates of insensitive explosives initiated at different initiation voltages

由图3可以发现，LLM-105在起爆电压20kV和25kV下见证板上残留了大量未反应的粉末，见证板最大形变量显著增加，由0增至6.46mm；起爆电压增大时FOX-7的未反应粉末减少，见证板最大形变量也明显增加，由4.55mm增至11.77mm；起爆电压20kV和25kV下HATO的见证板残留粉末及见证板最大形变量较为接近，分别为3.02mm和4.35mm；FOX-12的起爆响应不同，在起爆电压25kV下的见证板最大形变量(0.98mm)低于20kV(2.85mm)。

未反应含能材料的飞散表现为两种形式，当含能材料起爆响应较为剧烈时，试样管快速破碎，未反应粉末从四周飞散，起爆响应较弱时不能快速炸裂试样管，阻碍了含能材料从两侧飞散，此时未反应含能材料主要从试样管口飞散。随着起爆电压增大，LLM-105未反应粉末由两侧变为四周分散，见证板形变量增加，表明起爆响应强度也随之增加，同理表明FOX-7和HATO的响应强度随起爆电压增大而增强，而FOX-12则发生了减弱。根据见证板形变量数据与爆压线性相关的理论，TATB、FOX-7、LLM-105和HATO在25kV等离子体起爆下见证板形变量均高于20kV，表明通过提高等离子体起爆电压可以改善不敏感含能材料的起爆响应强度。

TATB、FOX-7和LLM-105的见证板中残留的粉末较多，但见证板的最大形变量仍然较大，表明这类含能材料在等离子体起爆时并不依赖其自身的爆轰增长来达到最终的稳定爆轰，而主要决定于与等离子体直接接触的那部分含能材料，强脉冲式的等离子体使得含能材料在小颗粒范围内快速成长到爆轰，而金属丝外围的含能材料难以接触到等离子体或者接收到的等离子体能量已经衰减，只能依靠自身在弱作用下的点火增长实现爆轰，导致未反应的含能材料飞散并残留在见证板表面。TATB、FOX-7和LLM-105在更高起爆电压下等离子体粒子可以对接触到的含能材料颗粒施加更强的刺激，起爆响应也更剧烈。HATO响应强度较为稳定，主要是因为其爆轰增长较快，在20kV和25kV起爆电压下可以维持相似的起爆响应强度，FOX-12的反常则可能是对等离子体起爆电压具有最优匹配性。

2.2 金属丝形状对起爆响应强度的影响

直线形等离子体起爆试验的见证板照片及最大形变量如图4所示。

由图4可以发现，采用直线形等离子体起爆时TATB和LLM-105未反应粉末主要分布在试验管口，见证板只零星分布少量凹痕，见证板形变量分别为0.74mm和2.06mm，对比相同起爆电压的螺线形金属丝起爆试验，见证板最大形变量明显减小；FOX-7和HATO残留的粉末分布在陶瓷壳四周，不同的是FOX-7见证板最大形变量(8.44mm)下降而HATO见证板最大形变量(4.88mm)略有增加；FOX-12在激发电压20kV的直线形等离子体作用下未能起爆，见证板没有发生形变。

螺线形金属丝与含能材料的接触面积是直线形金属丝的4倍，增大金属丝与含能材料的接触面积后可以显著提高等离子体与不敏感含能材料间的能量交互效率。TATB、LLM-105、FOX-12和FOX-7在直线形等离子体作用下见证板的形变量比同等条件下的螺线形金属丝等离子体均有较为明显的下降，表明起爆响应强度均降低。HATO见证板形变量略有增加，与螺线形金属丝试验结果相近，表明HATO在等离子体作用下的起爆与其余4种含能材料的机制不同，增大等离子体与HATO的接触面积并没有显著改变响应剧烈程度，表明HATO可能主要依靠自身的点火增长实现爆轰，只要高于其等离子体起爆阈值条件，响应强度就会较为稳定，这与不同起爆电压下的试验结果一致。

2.3 含能材料种类对起爆响应强度的影响

根据见证板最大形变量可以发现，分子类含能材料TATB、FOX-7和LLM-105具有相似的规律，等离子体起爆响应强度顺序为W/25kV> Z/25kV > W/20kV，离子类含能材料HATO起爆响应强度较为接近，而同为离子类含能材料的FOX-12则没有明显的规律。在见证板最大形变量的变化方面，通过增加等离子体激发电压或增大等离子体与含能材料接触面积，可以大幅提升TATB、FOX-7和LLM-105的等离子体起爆响应强度，HATO在不同试验条件下响应强度较为相近，FOX-12的响应强度不足。

等离子体起爆过程与含能材料的性质相关，5种不敏感含能材料的DSC分解温度、爆热及爆压数据如表2所示。

表2 5种不敏感含能材料的分解温度及爆轰性能数据

注：爆热和爆压均为EXPLO 5计算数据。

LLM-105的DSC分解温度显著高于FOX-12和HATO，但其爆轰响应强度明显比后者剧烈，说明起爆过程与分解温度没有直接关联，这与等离子体在推进剂中应用时可以显著降低点火阈值及反应活化能相符合[14-15]。FOX-12和TATB的爆热和爆压均较小，因此见证板形变量也较小。HATO比FOX-7的爆热和爆压高，而HATO对见证板的破坏明显弱于FOX-7，表明二者在等离子体起爆下的响应机理存在差别。等离子体的起爆机理与常规的热起爆、冲击起爆不同，等离子体起爆遵循表面化学作用机制，强电磁环境及带电粒子对不同种类不敏感含能材料的反应路径不同，离子类不敏感含能材料由于自身阴阳离子在电场及带电粒子作用下可能解离形成较为稳定的过渡态，虽然降低了反应的活化能，但是释放的能量却不足以维持后续反应所需的动力学条件，只能维持较弱的爆轰状态，等离子体属于脉冲激发源，持续时间为微秒量级，缺少连续激发能量，因此通过改变等离子体激发条件难以大幅提高离子类含能材料的响应强度。