约束PBX炸药中心点火反应烈度演化实验研究

王 硕，卢芳云，陈 荣

(国防科技大学 文理学院，湖南 长沙 410000)

引 言

含能材料作为战斗部装药的核心部件，在受到意外刺激时可能发生点火，炸药点火后传导燃烧，甚至可进一步发展为对流燃烧[1]。对流燃烧产生的局部高压足以驱动炸药中的裂纹高速扩展，进一步提高燃烧比表面积，驱使反应升级并向高烈度转化，甚至演化为爆轰。

对密实炸药点火后反应演化的研究仍主要依托于实验，现阶段针对对流燃烧的缝隙增压实验[2-8]关注于炸药预制间隙中反应产物的对流过程及表面燃烧行为。为了观测密实炸药内部点火后的燃烧反应演化，Dickson等[9]采用可视化的约束烤燃实验直接观察PBX9501在烤燃之后的反应传播过程。基于该约束烤燃实验改进的Cindy实验[1]则被用来研究约束PBX9501中心点火后的反应，该实验采用电热丝加热进行点火，通过高速摄像机直接观察点火后的燃烧反应过程。Holmes 等[10-11]则进一步采用激光点火研究了不同预应力条件下药柱中心点火后的反应演化，结果表明后续的反应响应受到加载预应力的影响，预应力对点火气体的密封限制作用是对流燃烧反应早期演化的主控因素之一。

在炸药事故反应中，炸药变形和断裂行为特性以及气态反应产物压力均显著依赖于周边结构的约束状态[12]。不同约束状态下的燃烧反应演化特征也不同[13-15]，现有的研究尚未精细地分析约束作用对反应烈度和演化过程的影响，因此本研究拟开展不同约束作用下的PBX炸药点火后反应演化实验研究，通过拍摄点火后反应演化图像并进行深入分析，获取约束条件对反应演化的影响规律，揭示其影响反应演化过程的作用机制，为进一步开展装药意外点火后的安全性研究提供技术支撑。

1 实 验

1.1 样 品

实验所用炸药样品为某HMX基PBX，由西安近代化学研究所提供，各组分的质量分数分别为：HMX 95%、黏结剂5%；其理论最大密度为1.887g/cm3，实测密度为1.760g/cm3；样品直径为(19.97±0.02)mm，高度为(2.03±0.02)mm，药片试样如图1所示。炸药片试样细观光学显微形貌及断面扫描电镜图如图2所示。

图1 HMX基PBX炸药片试样的宏观形貌Fig.1 Macro-morphology of HMX based PBX

图2 炸药片试样细观和微观形貌Fig.2 The micro and macro morphology of an PBX sample

由图1和图2可以看到粒径为毫米量级且形状各异的大颗粒，该大颗粒由许多细小的晶体小颗粒和较少的包覆黏结剂构成，大颗粒之间存在清晰的颗粒交界面。由于大颗粒粒径形状有一定随机性，不同药片试样、同一药片不同位置处的细观形貌略有不同，部分区域大颗粒间交界面不明显。由图2(b)可以看到，基体中暴露出的炸药晶体颗粒粒径在10μm量级；晶体颗粒之间相互挤压，部分颗粒内部存在微裂纹；黏结剂对晶体颗粒的包覆程度较好，晶体颗粒交界处和晶体表面存在细密的黏结剂。

图3 实验装置示意图Fig.3 Diagram of the apparatus

1.2 实验装置

实验装置示意图如图4所示，通过上下端盖、钢化玻璃底座、窗口、聚四氟乙烯垫片和金属圆环组合形成的密闭空间来约束炸药片。通过6个12.9级强度的M8螺栓对装置进行紧固，聚四氟乙烯垫片高度为(1.15±0.02)mm，直径为(19.98±0.03)mm；炸药片高度为(2.03±0.02)mm，直径为(19.97±0.02)mm。金属圆环高度为(3.0±0.03)mm，略低于聚四氟乙烯垫片和炸药片高度之和，螺栓预紧力能直接作用在炸药片上，进而保证炸药片上下端面具有一定的气密性，不会在尚未发生剧烈反应前发生大面积泄压。在炸药片中心预制0.85mm的通孔，通孔内设置Cr20Ni80电热丝，通过直流电源对电热丝进行通电加热，进而点燃电热丝附近的炸药。

图4 3种金属约束圆环Fig.4 Metal rings for restraints

采用如图4所示的3种不同的金属圆环，以实现对炸药片径向方向变形进行不同程度的约束。3种约束圆环的高度均为(3.0±0.03)mm，内径为(19.98±0.02)mm，该约束圆环内径尺寸保证了约束圆环与药片、聚四氟乙烯垫片之间具有极小的装配间隙；在轴向螺栓预紧力的作用下，药片发生一定程度的径向变形，以保证其与约束圆环之间进一步紧密贴合。3种约束圆环具有不同的外径，其中，外径为22.0mm(宽度1.0mm)和外径为28.0mm(宽度4.0mm)的约束圆环材料为黄铜，外径为33.0mm(宽度6.5mm)的圆环材料为钢。3种约束圆环分别代表不同强度的约束条件，宽度1.0mm铜环代表弱约束强度；宽度4.0mm铜环代表中等约束强度；宽度6.5mm钢环代表强约束强度。

1.3 测试方法

实际实验装置如图5所示，将其置于爆炸罐内进行点火实验，以实现对测试设备的防护。爆炸罐罐口设置有钢化玻璃观察窗口；通过该观察窗口，采用高速相机拍摄炸药点火后的反应演化过程，拍摄帧频为2×105s-1；采用补光灯对炸药片进行补光。高速相机、补光灯及设备防护的设置情况如图6所示。

图5 实际实验装置图Fig.5 Experimental apparatus

图6 高速相机和防护装置实物图Fig.6 High speed camera and protection device

2 结果及分析

2.1 不同约束下的实验结果

2.1.1 弱约束点火反应实验

在弱约束下，炸药反应演化图像见图7。

图7 1.0mm铜环约束作用下PBX炸药中心点火反应演化过程Fig.7 Evolution process of central ignition reaction of PBX explosive under 1.0mm copper ring constraint

由图7可见，在电热丝加热的作用下，炸药中心在0μs发生点火并发出可见的亮光；35μs后点火处的火光明显变亮，并初步发出4条放射状裂纹。在燃烧火焰的驱动下裂纹在30μs内持续传播约5.4mm，其中3条裂纹的传播在65μs时发生停滞，可以观察到在炸药边缘与放射状裂纹尖端之间存在点亮的径向分支裂纹；95μs时，各分支裂纹内部接近主裂纹处也分别被点燃，火焰沿分支裂纹内部向约束边界传播，并在155μs时先后达到炸药与圆环约束接触界面，接触间隙也初步被点燃。随着各主裂纹和分支裂纹之间的裂纹尖端缓慢地扩展，最终在195μs时先后发生贯通，且燃烧反应进一步进入炸药与圆环的接触面内。

随着反应持续演化，可以观察到在410μs时刻反应剧烈程度达到高峰，火光明显增强，约束接触间隙内的反应面积显著增大；在接下来的85μs内反应又逐渐减弱，约束接触间隙内的反应面积减小，裂纹内的火光明显弱于裂纹刚贯通时。随后，反应烈度又逐渐恢复并升高，并在640μs时刻又一次达到高峰，约束接触间隙内的反应面积和裂纹内的反应火光均大于第一次；反应持续195μs后又显著降低，约束接触间隙和各分支裂纹内的燃烧火焰近乎完全熄灭，仅在主裂纹中仍存在暗淡的火光，被分割为4块的炸药基体中存在数条放射状径向裂纹。反应烈度在其后的60μs内又迅速增大，环形的约束接触间隙在895μs时刻几乎被完全点燃，炸药基体内更多的径向裂纹被点燃，反应剧烈程度超过前几次高峰；剧烈反应持续40μs，随着燃烧火焰逐渐贯通和交汇，炸药基体被进一步地切割为大小不一的十几块，圆环解体而不再起到约束作用，部分炸药碎块逐渐被抛出。随着约束圆环解体和泄压，反应在55μs内迅速下降并彻底熄灭。

2.1.2 中等约束点火反应实验

在中等约束作用下，炸药反应演化图像见图8。由图8可见，在电热丝加热的作用下，炸药中心在0μs发生点火并发出可见的亮光；在点火发生35μs后，炸药中心点火处的火光明显增强并初步显现出5条放射状裂纹。在150μs时刻，放射状裂纹在燃烧反应的驱动下部分到达炸药与圆环约束接触界面；在30μs后(180μs时刻)5条裂纹均达到约束接触面，接触间隙被大面积点燃，裂纹内部反应火光也进一步增强，被切为5块炸药基体局部发生了“角裂”式的破碎。随着反应持续增强，圆环发生极速扩张，炸药基体进一步破碎，反应在220μs时刻达到高峰；在接下来的120μs内，各裂纹内部的燃烧反应逐渐熄灭，反应烈度逐渐下降，在340μs时刻反应彻底熄灭。

图8 4.0mm铜环约束作用下PBX炸药中心点火反应演化过程Fig.8 Evolution process of central ignition reaction of PBX explosive under 4.0mm copper ring confinement

2.1.3 强约束点火反应实验

在强约束作用下，炸药反应演化图像见图9。由图9可见，在电热丝加热的作用下，炸药中心在0μs发生点火并发出可见的亮光；持续引燃100μs后，炸药中心点火处的燃烧区域面积显著增大，并逐步开始向外传播；在125μs时刻，燃烧反应驱动数条裂纹向外传播。在220μs时刻裂纹内部反应烈度进一步增加，裂纹及点火处发出剧烈的火光，反应演化图像显示左下方存在大面积的火焰，其原因可能是该区域炸药片和玻璃窗口之间气密性不良，导致左下方裂纹内部气体大量溢出。在240μs时刻，反应驱动裂纹到达约束接触界面，且在裂纹与界面交汇处发出多道强烈的火光，在之后的20μs内，反应烈度急剧增加，钢化玻璃窗口破碎；这也说明反应烈度升级的主要原因是图像中3条裂纹内的反应演化，而不是图像中左下方大面积的燃烧火焰。在315μs时刻，随着钢化玻璃的破碎喷出，反应火光逐渐熄灭。

图9 6.5mm钢环约束作用下PBX炸药中心点火反应演化过程Fig.9 Evolution process of central ignition reaction of PBX explosive under the constraint of 6.5mm steel ring

2.2 约束条件对反应烈度的影响

为了定性分析PBX炸药片中心点火后的反应烈度，本研究对拍摄得到的反应演化图像进行处理，提取能够反映反应烈度的特征量。基于MATLAB进行图像处理，得到非黑即白的二值化图像。假定该图像中白色区域代表高光区域，表示该区域正在发生燃烧反应或存在爆炸、燃烧火焰；而黑色区域则表示该区域当前时刻未发生反应或不存在爆炸、燃烧火焰。选定将二值化图像中白色像素点的个数作为表征反应烈度的特征量。考虑初始未点火时图像背景可能存在部分高光区域，对该特征量进行零初始化，并将不同时刻的白色像素点个数除以总像素点个数，进而将该特征量进行无量纲化。对各个时刻的反应演化图像重复上述过程，得到能够定性表征反应烈度演化的特征量曲线如图10所示。

图10 不同约束下的反应演化特征量曲线及相应反应阶段Fig.10 The characteristic curves and associated reaction stages of the reaction under different constraints

由图10可以看出，弱约束条件作用下的反应烈度最低，反应火光相较于中、强约束条件下则明显暗淡，仅在各裂纹和约束界面上发出明显火光；最终炸药的基体破碎为相对较为完整的十几块；反应升级过程经历了3次明显的反应增长-降低-增长，从反应传播阶段的主裂纹贯通到第一次反应烈度高峰共计历时约215μs，到第4次反应烈度高峰则共计历时约685μs。中等约束条件作用下的反应烈度则明显高于弱约束情况，尤其是约束界面被点燃后发出强烈的火光；炸药基体破碎为许多小碎块；且不同于弱约束条件下圆环解体时部分炸药碎片被抛掷，中等约束条件下的圆环始终保持完整，这表明最终反应熄灭时缺失的部分炸药可能是在数十微秒内被快速消耗；反应升级过程从反应传播阶段的主裂纹贯通到反应烈度高峰则共计历时约70μs。强约束条件作用下的反应烈度最高，约束界面被点燃后发出剧烈的火光，并瞬间布满整个视场；钢化玻璃窗口完全破碎；从反应传播阶段的主裂纹贯通到反应烈度高峰仅历时约40μs。

2.3 约束条件对反应演化影响的机制分析

本研究将炸药中心点火后的反应演化过程分为如下4个阶段，并基于该4个阶段对约束强度影响反应演化过程的机制进行分析。反应烈度演化的特征量曲线按该4个阶段进行划分，如图10所示。

(1)阶段一：裂纹扩展及燃烧火焰传播。

以炸药片中心出现明显可见的亮光为初始点火时刻，经过一段时间的累积后，点火区域反应明显增长，初步形成以点火区域为中心数条向外发散的放射状主裂纹。如图10所示，强约束条件下的点火过程持续时间更久；随着约束强度减弱，反应演化更快地进入阶段一。这是由于约束条件改变导致中心点火处生成初始裂纹需要的压力也相应改变，裂纹在弱约束条件下更容易生成。

放射状主裂纹出现后，燃烧火焰沿着裂纹内部传播并驱动该主裂纹向前扩展。不同约束条件下的燃烧火焰尖端在径向方向传播的位移时间曲线如图11所示。其中，弱约束条件下的火焰尖端传播速度最快；随着约束强度的增加，燃烧火焰尖端的传播速度逐渐变慢。分析火焰尖端传播速度随约束强度增强而减慢的原因，可能是由裂纹传播和火焰传播受限两方面导致的。

图11 不同约束下的燃烧火焰尖端传播位移时间曲线Fig.11 Displacement-time curves for flame tips under different constraints

对于裂纹传播过程，根据断裂力学理论可知放射状裂纹为二维张开型(I型)裂纹，其裂纹扩展的驱动力主要为垂直于裂纹面内由高压气体产生的拉应力。当裂纹尖端拉应力对应的应力强度因子大于炸药材料的止裂韧度时，裂纹发生扩展；而应力强度因子小于止裂韧度时，裂纹扩展停滞。随着约束强度的增强，反应演化过程中的炸药片在径向方向的变形被约束，炸药片内部在周向方向受到更强的压应力。在裂纹尖端处，强约束导致的压应力部分抵消了裂纹尖端拉应力，使得应力强度因子减小，相应的裂纹更难以扩展。

对于火焰传播过程，强约束条件也限制了裂纹内部燃烧火焰的快速传播。由于强约束导致的高周向压应力限制了裂纹的开度，而狭窄缝隙内壁面的摩擦效应和黏性约束效应更加明显，狭窄裂纹内部气体流动受限，导致火焰传播和燃烧反应传播速度降低。这种现象与炸药缝隙燃烧演化实验[3,6]观测结果相一致，该实验表明：随着裂缝宽度的增加，缝隙内对流燃烧的火焰传播速度和反应波阵面速度均逐渐增加。

由上述分析可知，强约束下的缝隙开度较小，且缝隙上下端面受到更大的周向压应力作用，缝隙内气体流动受限，这些都导致强约束下狭窄缝隙内的气体压力高于弱约束下缝隙内的气压；而更高的气体压力和温度使得缝隙壁面燃烧反应速度迅速增加，相应反应演化速度更快、反应烈度更高。

此外，反应传播驱动放射状主裂纹迅速穿透炸药基体，导致基体细观结构差异性对裂纹传播过程的影响较小。中等约束实验回收得到的部分药片碎块如图12(a)所示，红色箭头所示为主裂纹面，可以观察到主裂纹面穿透了由许多晶体小颗粒和较少包覆黏结剂构成的大颗粒。如1.1节所述，不同药片细观结构的差异主要源于大颗粒的粒径和形状具有一定随机性，而快速穿透基体的裂纹并非沿大颗粒之间的界面传播，其传播路径上发生大量的穿晶断裂，如图12(b)所示。因此，本研究认为各药片细观结构差异对实验结果的影响可忽略不计。

图12 回收药片试样形貌Fig.12 Morphology of recovered sample

(2)阶段二：火焰达到约束界面并沿界面传播。

随着放射状裂纹内的火焰尖端传播到达约束界面后，缝隙内的高压气体直接作用在约束圆环上。弱约束条件下，约束圆环更容易发生变形，导致圆环与炸药片之间产生间隙。燃烧火焰进入该界面，几乎整个圆环-炸药片接触间隙均发生对流燃烧。而随着约束强度的增加，圆环抵抗变形的能力增强。中等约束条件下，较小的圆环局部变形导致火焰进入界面的面积显著小于弱约束条件下的情况。

对比弱、中等约束条件下的反应演化过程，弱约束条件下的大面积界面反应传播虽然有助于增加反应面积，但是整体的反应烈度明显低于中等约束条件，相应的反应演化速度也较慢，如图10所示。分析其原因，接触界面的气体流动一定程度上可以视为是对炸药主裂纹内气体进行泄压；而燃烧反应类似于热分解，具有自加速的特征，且燃烧速度强烈地依赖于气体压力；因此，气体流入接触间隙将导致主裂纹内的增压速度降低、反应演化速度变慢。强约束条件下几乎不发生界面火焰传播，反应演化速度则极快，当火焰尖端接触到圆环接触界面后，该处的反应烈度迅速增大，反应演化过程直接到达阶段三。

(3)阶段三：基体破碎、燃烧反应面积和反应烈度迅速增大。

随着主裂纹、约束接触界面内的反应演化和压力迅速增长，炸药基体进一步发生断裂和破碎。弱约束作用下，主裂纹、约束接触界面内气体压力差距不大，炸药基体内应力梯度较低，炸药基体主要以宏观裂纹传播和贯通的方式破碎为较为完整的几大块。强约束作用下，接触间隙内的对流燃烧被限制，局部区域反应达到更高的压力，在该高压力的作用下炸药基体破碎为细小碎块，反应面积迅速增大导致反应烈度急剧增高。

(4)阶段四：燃烧火焰熄灭。

在高压下约束圆环变形、断裂或钢化玻璃解体导致泄压；燃烧火焰熄灭。

3 结 论

(1) 点火后的反应演化过程可以分为4个阶段：裂纹扩展及燃烧火焰传播；火焰达到约束界面并沿界面传播；基体破碎、燃烧反应面积和反应烈度迅速增大；约束解体，火焰逐渐熄灭。

(2) 在裂纹扩展及燃烧火焰传播阶段，圆环约束作用主要通过影响炸药内部应力状态进而影响裂纹扩展和燃烧反应传播的速度。弱约束强度作用下的对流燃烧驱动火焰尖端传播速度明显快于强约束中火焰尖端的传播速度。

(3) 在火焰达到约束界面并沿界面传播阶段，约束圆环变形进而引导燃烧火焰反应进入圆环与炸药的界面。弱约束下，大面积界面被点燃，但相应的反应升级速度较慢、烈度较低；强约束下，圆环抵抗变形能力更强，界面气体流动减小，炸药主裂纹内的反应烈度升级速度更快。

(4) 炸药基体断裂和破碎是导致反应烈度进一步升级的关键机制。强约束下，主裂纹端部迅速增压导致的基体局部破碎进一步加剧了反应烈度的升高。