射频电磁作用下炸药安全性研究进展

杜 斌，姚洪志，赵凤起，赵 团，杨 帆

(1.西安工业大学，陕西 西安 710062；2.陕西应用物理化学研究所，陕西 西安 710061；3.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

引言

射频电磁场(频率100KHz～300GHz的电磁场)识别技术(Radio Frequency Identification，RFID)是近年来发展起来的一种利用电磁场对目标物体进行识别的新型生产管理技术。其原理是通过发射源向目标物体发射一定频率的电磁波，电磁波通过镶嵌在目标物体表面或内部的电子标签做出响应，从而将目标物体的信息方便、快捷地记录下来。RFID技术已经在许多生产领域得到推广应用。若能在炸药的生产、贮存、运输等环节推广使用RFID技术，将会大大提高对炸药的管理效率和管理能力。

在民用炸药领域中，已有团队设计出使用射频电磁技术监管炸药的监控系统，然而该技术遇到了瓶颈：使用射频电磁场可能会引发炸药的爆炸事故或者改变炸药的使用性能，从而使得该技术难以得到推广。在军事领域中，随着雷达、电磁弹、电磁脉冲武器、激光武器的飞速发展，各类武器弹药面临复杂电磁环境和电子攻击的危险，以及高功率电磁波、激光等定向能武器的非对称打击风险。已有机构提出了“安全弹药”的概念[1],并将电磁能量作为一种意外刺激明确列出[2]。因此，研究炸药在射频电磁场作用下的安全性具有重要的民用价值和军事意义。

在现有的炸药感度理论中，常见的炸药感度包括热感度、火焰感度、撞击感度、针刺感度、摩擦感度、惯性力感度、冲击波感度、静电感度等。只要有足够的场强和能量，射频电磁场也可引发炸药爆炸[3]，引起炸药爆炸的最小射频电磁能量可定义为炸药的射频敏感度。炸药的感度理论目前缺乏射频感度的内容，尽管炸药的射频敏感度可能很高，但感度理论应该包括射频敏感度方面的内容。本研究综述了射频技术在监控火炸药中的应用情况，定义了射频电磁敏感度，分析了射频电磁场中炸药产生热点的可能性。

1 射频技术在监控火炸药中的应用

随着信息技术的发展，使用射频技术监控火炸药的设想始于21世纪初[4-5]，该设想引起了各方研究人员的重视[6-7]。张蕊等[8]设计开发了一套炸药信息识别系统，其工作原理为：通过射频识别阅读器发射电磁能量，附着在炸药包装材料上的耦合元件做出应答和数据交换，从而实现炸药的智能监控，如图1所示。

图1 炸药信息识别系统工作原理图

该系统与库房监控系统、运输监控系统融合可形成智能监控平台，如图2所示。

图2 炸药智能仓储及运输管理系统组成

该系统开发成功后遇到了推广应用的困难，主要是因为炸药在受到电磁辐射后其部分性能发生了改变，从而使得监管层在推广该技术时非常谨慎。

2 射频电磁场对炸药能量的影响

在射频电磁场作用于炸药时，炸药可从空间吸收一定的电磁能量。宽带电磁感应传感器(WEMI)揭示了炸药分子与射频电磁的相互作用[9]。在一定的照射强度和作用时间下，电磁能量可在炸药内部积累，并转化成热能[10]。炸药反应进程和反应行为方式[11]随着电磁能量的注入[12]会发生变化。炸药被射频电磁能量加热是不均匀的过程[13]，从而在其内部形成一定的温度梯度[14]，如图3所示。

图3 辐照时炸药绝对温度变化图

CRANE C A等[15]发现把铝粉、石墨及Fe2O3加入炸药中可以将炸药吸收电磁场能量的吸收效率提高10%。利用碳基聚合物能够改变TNT炸药的感度[16]。FORBES T P等[17]使用电流聚焦分析仪(Desorption electro-flow focusing ionization，DEFFI)可以获得RDX受射频照射时的信号输出强度。THOMAS P F等[18]发现当电场强度为100～1500V/m时对RDX炸药感度产生较大影响。ALVEY B等[19]发现宽频带电磁波可对炸药产生一定的危害，且宽频带电磁波具有傅里叶特征[20]；Rodzevich A P与Gazenaur E G[21]研究了不同的电磁场发射方法对炸药敏感度的影响； Sardar R与Liyanage T[22]研究了一种基于电磁波理论的高灵敏传感器，该传感器可以十分灵敏地探测到非常微量的炸药；Sigman J B与Barrowes B E[23]研究了一种高频电磁感应耦合线圈，该线圈可以用来探测炸药；Nassim B 和 Zhang Q[24]用麦克斯韦方程组计算了混合炸药(RDX/IPN/Al)在电磁环境下的热感度，计算表明，电磁场可以影响该混合炸药的热感度。

总之，从国内外研究现状来看，有足够的证据表明炸药可从射频电磁场中吸收能量。能量在炸药内部并不是均匀分布，而是形成了热梯度，如图4所示。

图4 HMX-air壳体吸收电磁波后的温度(HMX直径为5mm)

3 炸药的射频电磁场敏感度

严格上说，炸药的射频电磁场敏感度还没有被国内外的文献定义。为研究方便，特提出此概念。炸药的射频电磁场敏感度是指炸药在受到射频电磁场辐射时，其热力学性能、起爆性能、安全性能等发生改变的难易程度，即炸药性能对射频电磁场的敏感程度。

国内外学者已经开始了射频电磁场对炸药性能影响的研究工作。国内学者采用实验手段对乳化炸药、RDX、含铝粉RDX(DHL)在射频电磁场中的分子形貌、红外光谱、热力学参数、感度变化等进行了研究。

杜斌等[25]使用频率为915MHz、场强为200V/m的电磁场对乳化炸药进行连续照射(如图5所示)10min至3h后，发现乳化炸药的安全性未发生明显改变(见表1)，但分子形貌发生改变, 如图6所示。

图5 射频辐照系统

表1 915MHz电磁场对乳化炸药辐照试验

图6 乳化炸药扫描电镜图片(915MHz, 1∶10000)

通过对乳化炸药原样及经射频电磁场照射后的样品进行红外光谱分析，两种样品红外光谱出峰位置并无明显差异，但出现强度上的差异，如图7所示。

图7 乳化炸药经射频电磁场照射后红外光谱分析

文献[25]还采用DSC法对乳化炸药的相容性进行对比分析，如图8所示。对比分析两个乳化炸药样本，两种样本的峰形及出峰位置存在差异，且经辐照后的乳化炸药样本存在明显放热峰，这说明经射频电磁场照射后其热性能产生了一定的变化。

图8 乳化炸药经射频电磁场照射后的DSC谱线

金建峰等[26]在 833MHz-200V/m、5565MHz-200V/m、13482MHz-200V/m 3种条件下，对 DHL 炸药进行电磁辐射照射，照射时间 3h。然后采用隧道扫描电镜观察DHL炸药外观变化，采用 DSC 分析其成分变化，并测试了其机械感度，结果见表2。表2表明: DHL炸药经历不同电磁辐射后, O元素含量、撞击感度、热力学参数存在规律性变化。从表2可以看出，经过3h射频照射后，乳化DHL炸药C、N、O、Al 的含量发生了变化，其中O元素含量下降，下降幅度约为2%～4%；热分解峰温下降约2～3℃，峰值温度差的下降说明DHL炸药的热力学参数发生了改变；DHL炸药的撞击感度发生明显降低，并且照射的频率越高，撞击感度下降幅度越大。

表2 DHL 原样和经历3种电磁辐射照射后炸药性能变化

陈诚等[27]使用13.56MHz和925MHz电磁场对RDX分别进行连续照射,发现射频电磁场对RDX影响较小。

以上研究表明，炸药在受到电磁场辐射后，其分子形貌、热性能、撞击感度、热力学参数等性能会发生改变，即炸药存在电磁敏感度；不同炸药的电磁敏感度不同，且炸药的电磁敏感度与炸药的分子结构、组成成分、辐照频率等因素有关。

在理论方面，冯睿智等[28-29]借助分子动力学理论研究了HMX/FOX-7及HMX/NQ共晶炸药晶体表面成键能和力学性质，结果表明共晶复合物的形成使HMX引发键N—NO2增强,感度降低，正方向外电场增大了晶面成键能和N—NO2键离解能,降低了HMX的撞击感度；任福德等[30]借助分子动力学方法研究了不同分子比例的β-HMX/FOX-7、β-HMX/NQ和CL-20/FOX-7部分晶面的成键能和力学性质；借助B3LYP/6-311++G(2d,p)和M06-2X/6-311++G(2d,p)理论方法发现在外电场作用下,1,4-二硝基咪唑-N-氧化物(1,4-DNIO)炸药的N─NO2是最可能的引发键,其次是N→O,最后是C─NO2键，如图9所示[27]。沿N→O、C─NO2键轴正方向和N─NO2负方向的外电场使N→O和C─NO2键离解能减小、N─NO2键离解能增大、撞击感度降低[31]，见表3。

图9 1，4 DNIO的引发健、离解能等在外电场作用下的变化

表3 复合物中HMX在不同电场强度的撞击感度

韩刚等[32]采用量子力学方法对奥克托今(HMX)分别施加不同大小的外电场(-0.010～0.010a.u.),得到不同外电场下的稳定构型(如图10所示)。随着正向外电场的增强,HMX的引发键键长变短,解离能增加,感度降低；刘媛媛等[33]运用密度泛函理论方法,对三硝基芳香族炸药分子的活化能、表面静电势等计算后发现、撞击感度与活化能、表面静电势及外电场能量之间存在很好的相关关系。唐翠明等[34]采用DFT-B3LYP方法研究发现电场会对硝铵类炸药的分子结构的稳定产生一定的影响；智春燕等[35]研究表明炸药的电火花感度会随分子能隙的减小而增大。

图10 HMX在不同外电场下的静电云图

以上理论研究表明，利用低频率、低场强电磁场对部分工业炸药进行辐照时，炸药分子引发健、离解能、活化能等会发生变化。这是炸药在电磁场作用下其撞击感度、冲击波感度、静电火花感度等发生变化的原因。

4 炸药在射频电磁场中形成热点的可能性

热点学说认为，在机械作用下，产生的热来不及均匀分布到整个炸药，而是集中在个别的小点处(称之为热点)，当热点温度高于爆发点时，炸药开始燃烧，并进一步转化为爆燃和爆轰。现有的热点理论主要将炸药热点的形成归因于气泡、空穴、间隙、杂质及密度间断等，并借助多种数学方法建立了气泡绝热压缩模型、空隙冲击塌陷模型、剪切摩擦模型、裂纹尖端加热模型、晶体位错堆积雪崩模型、积累损伤模型、激光吸收模型等。这些模型主要用来解释撞击、冲击波、火焰、激光等外界能量激发与热点形成之间的关系。

在以上热点理论研究中，生成热点的能量一般来源于摩擦、撞击产生的热量等，而对于从电磁场吸收能量生成热点的情况研究较少。应用时域有限差分法可对射频电磁场入射到炸药形成的热点进行模拟[36]；根据电磁场理论，对电磁场作用于炸药的能量分布进行数值模拟，发现电磁能量的空间分布并不均匀，而是在个别位置形成小点[37-38]。小点处的温度明显高于周围炸药，如图11所示。

图11 炸药在射频电磁场作用下能量分布图

当该小点处的温度积累能够达到炸药的爆发点时，爆炸就会开始。这揭示了电磁场能量在炸药内部激发热点的可能性。

5 结束语

射频电磁场具有一定的穿透性，且能量的空间分布具有不均匀性，在一定场强和电磁能量持续作用下，可在炸药表面或者内部形成热点。仅用热起爆理论描述炸药在强电磁场中的爆炸行为是不够精确的,用热点理论更为合适。现有的热点理论中关于强电磁场作用于炸药的热点生成机理等内容还有待补充。

国外已有学者通过数值模拟的方法研究射频电磁场作用下炸药的热点生成过程。国内研究限于低频率低场强情况，未对高频率和强场强情况进行研究，且未对炸药分子的谐振频率进行研究；同时，炸药在射频电磁场中的安全性研究以试验研究为主，没有进行深入的理论分析。总体而言，射频电磁场作用于炸药研究仍处于起步阶段。建议未来炸药在射频电磁场中的安全性研究方向为：

(1)研究炸药分子在射频电磁场作用下的热力学行为，建立热力学行为与化学反应之间的关联，建立电磁场作用于炸药的能量耦合模型，以理论研究和试验验证为研究方法探明炸药分子对电磁场能量的响应。

(2)研究炸药在射频电磁场作用下的射频电磁敏感度。开发炸药电磁敏感度测试系统，选择RDX、HMX、乳化炸药、含金属粉末炸药等典型炸药作为测试炸药，获得不同场强、不同频率下典型炸药的射频敏感度。

(3)进行射频电磁场作用下炸药热点生成机理研究，探索强电磁场作用下炸药热点的生成方式及生成机理。