PBX炸药在滑道试验中的响应

申春迎，黄 谦，向 永，邓 川

(中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621900)

摩擦一直被认为是炸药发生意外点火的重要原因之一［1］。Peter Dickson列举了炸药件在加工、检测、运输和销毁各个环节中由于摩擦引发的意外爆炸事故［2］。国内外都非常重视炸药在摩擦下的安全性，并建立了一系列从毫克到克、千克量级的摩擦试验方法来考察炸药的安全性研究其响应机制。研究结果表明:毫克量级的粉状炸药和大型药球的摩擦试验在炸药爆炸危险性方面得出的结果并不完全一致［2］。这与两者模拟的环境不同导致的反应增长模式不同有关。小型试验由于试验药量小成本低检测方便在炸药配方筛选和日常质量检测中发挥重要作用，但与实际使用环境相差甚远，大型试验则对炸药加工、操作、运输、使用过程中的安全性评估起着重要作用，但试验成本太高、样品加工周期长，不可能做大量试验。大型试验和小型试验相互补充，两者都不可或缺。

滑道试验用来模拟炸药件在生产、装配、运输与使用中由于意外跌落发生撞击、摩擦等刺激作用的危险性评价，而且可用于鉴定炸药工厂的不同材料地面覆盖物引起的爆炸效应。美国原子能委员会曾把这种试验方法作为鉴定炸药工厂作业安全最有实用价值的方法［3］。Bowden和Yoffe等人通过试验证明，炸药在滑道试验中点火是由于炸药在受到撞击、摩擦后，机械能在极小的局部地方转化为热能形成热点造成的［4］。Peter Dickson和Gary Parker将传统的滑道试验的靶板进行改进，通过高速摄影观察到了热点的产生、增长和熄灭等过程［4］。

美国能源部的IHE鉴定试验中规定滑道试验中要求三发标准炸药球在落高20ft(6.1 m)、14°撞击角条件下无反应［5］。本研究对几种压制PBX炸药进行了滑道试验，发现高速摄影幅频对鉴定低感炸药是否为钝感炸药具有重要作用，讨论了影响炸药在滑道试验中的响应的因素。

1 试验部分

1.1 试验装置

试验装置主要由悬挂系统、试验件、释放装置、样品提升系统、靶五部分组成，如图1所示。

图1 滑道试验装置示意图

为了观察炸药在滑道试验中受到摩擦撞击时的点火及热点发展情况，将国军标GJB772A—1997中的(炸药试验方法斜撞击感度滑道试验法)滑道试验件结构进行了改进，将半球基体材料上半部分材料改为铝，下半部分材料改为有机玻璃。Φ80 mm×50 mm炸药柱镶嵌在有机玻璃中。改进后的试验件重心位置不变，试验件的重量保持不变，约10 kg。

1.2 测试系统

采用中科动态智能动态测试仪、江苏联能电荷放大器YE6600B、江苏联能加速度传感器CY-YD-113、美国PCB公司137A自由场压力传感器和多通道信号适配器组成的压力、加速度测试系统;用高速摄影仪GX-1记录炸药撞击、点火、爆炸过程，摄影幅频8000 fps。

2 试验结果

2.1 几种PBX炸药的试验结果

滑道试验是将试验件提升到预定高度后，试验件自由摆落并以一定的角度撞击水平靶板，测试炸药球发生反应的程度，评价其安全性。本次滑道试验撞击角度为14°，靶板为35钢，上表面喷涂50～70目的石英砂，厚度为1～1.3 mm。试验样品为分别以 TATB、TATB/HMX、HMX/TATB、HMX为基的几种 PBX炸药，成型方式为压制。其中 PBX-1和PBX-4分别含95%左右的 TATB和 HMX，PBX-2含有70%以上的TATB和少量HMX，PBX-3含有80%以上的HMX和少量TATB。

对4种PBX炸药进行了不同落高下撞击角度为14°的滑道试验，滑道试验结果见表1。

2.2 高速摄影测试结果

通过高速摄影观测到PBX-1和PBX-2炸药件在落高6.1 m、撞击角度为14°的滑道试验中没有点火现象发生。PBX-3炸药在相同条件下则发生了点火、燃烧等反应。PBX-3样品从撞靶到发生点火、点火熄灭或点火增长过程的高速摄影图像见图2。摄像幅频为8000 fps。

表1 几种PBX炸药滑道试验结果

图2 PBX-3炸药滑道试验高速摄影图像(落高6.1 m，14°，幅频8000 fps)

从高速摄影的图像可以清楚的看到，PBX-3炸药在落高6.1 m、撞击角度为14°试验条件下与砂靶撞击摩擦时发生了点火。以炸药件撞击靶面作为零时，PBX-3-1炸药在经过1.125 ms的延时后，炸药发生了点火，而后火焰扩大热点进一步发展，随着炸药的破碎，火焰很快变小，并逐渐向裂纹内部发展，热点进一步增长，最后形成了较大的火焰，炸药发生了燃烧。试验结束后回收到炸药小碎块185 g。而另外两发PBX-3炸药在相同试验条件下的结果比较类似，都是在炸药撞击靶板后经过1.5 ms左右的延时，炸药发生了点火，随着炸药柱产生裂纹和破碎，热点很快熄灭(0.125～0.25 ms)，反应没有发展下去。试验后可以回收到绝大部分炸药。

从上面PBX-3炸药的高速摄影图像观察可以发现，炸药反应特征的趋势可能是火焰传播与由炸药球撞击形成的裂纹和破裂导致的熄火之间的竞争结果。

在同样试验条件下进行了PBX-4炸药的滑道试验。其高速摄影图像见图3，从图3中可以看到PBX-4炸药在撞击靶板1.625 ms后发生点火出现火光，而后扩展到炸药内部裂纹中，很快成长为爆炸波。

图3 PBX-4炸药滑道试验高速摄影图像

2.3 加速度、超压测试数据分析

在炸药试件上表面均布3只加速度传感器，用来测试撞击过程中的加速度。在距撞击点3 m处布置压力传感器，用来测试炸药反应产生的超压。撞击过程中产生的加速度和超压值见表2。从表2中可以看出，当炸药发生反应时，加速度值明显升高，加速度测量值从6500 m/s2升高到9600 m/s2以上，在发生爆炸及以上等级的反应时加速度值更高，超过20000 m/s2。炸药发生爆炸反应时，产生的空气冲击波超压比较大，而发生三级及以下等级的反应时，产生的超压很小，仅几千帕，因此超压值可作为反应等级划分的参考。

表2 几种炸药的加速度和超压测试结果

3 讨论

从上面的试验结果可以看出，4种PBX炸药在滑道试验中的结果差异比较明显。PBX-1和PBX-2两种炸药比较安全，而PBX-4炸药则比较敏感。

Bowden和Yeffe等通过试验研究，认为在滑道试验中炸药点火主要是在由于炸药局部受到撞击或摩擦形成热点造成的［7］，半球撞击摩擦产生的热能集中在很小的区域(直径约1 inch)。

根据Randolph等建立的预测炸药临界落高的滑道试验模型，摩擦斑直径可按下式计算［7］:

式(1)中:dc为摩擦斑直径(cm);D为半球直径(m);H为跌落高度(m);Φ为撞击角度(°);W为半球重量(kg);σ为极限动力学强度(MPa)。

摩擦接触时间

从上面可以看出，炸药撞击摩擦形成的摩擦斑大小与摩擦系数无关，但与样品的力学强度、跌落高度、撞击角度以及样品重量、尺寸大小有关。摩擦接触时间与摩擦系数以及撞击角度无关，但与半球的重量、大小以及力学性能有关。

根据Charles Anderson的滑道试验模型，摩擦产生的摩擦斑的温度可用下式表示［7］

式(2)中:TS为温度(℃);α为热扩散率(cm2/s);σ为极限动态力学强度(MPa);δ为常数;λ为导热系数(cal/cm·s·℃);μ为炸药在砂靶上的摩擦系数。

对于这几种炸药半球，其半球直径相同重量相近，极限动态力学强度越高其与靶板摩擦接触时间越短，摩擦斑的直径也越小，摩擦斑的温度越高。摩擦系数的大小直接影响摩擦斑的热点温度。摩擦系数越大，摩擦斑点的温度越高，炸药越容易发生反应。

几种炸药的力学性能如表3所示。有研究表明:材料越软，摩擦撞击产生的摩擦斑点越大，炸药越安全。从上面的公式也可以看出，炸药的极限动态力学强度对炸药在滑道试验中的安全性影响比较大。选择合适的极限动态力学强度和摩擦系数对于预估炸药临界落高的准确性至关重要，但极限动态力学强度和摩擦系数很难获得准确值。

参照GB10006—1988塑料薄膜和薄片摩擦系数测定方法，测得50目～70目石英砂砂靶与PBX-3炸药之间的摩擦系数在0.40 ～0.60范围内。

按照式(3)估算出摩擦系数分别为0.45和0.5时4种PBX炸药的热点温度。结果见表4。从表中数据可以看出，摩擦系数对热点温度影响明显。Beedham、Dyer等报到在滑道试验中引发HMX和RDX炸药反应的热点温度在400～470℃，远高于热点火温度 215 ～ 260℃［8］。PBX-3 和PBX-4炸药在落高6.1 m、撞击角度为14°时的热点温度都超过了400℃，因此可能发生点火。由于喷砂的靶板表面不规则，炸药和靶板之间摩擦时主要是突出点的接触，因此实际接触面积比理论接触面小，这些接触点的温度比预测的热点温度高。由于喷砂靶板粗糙度和平整度不可能完全一致，因此即使在相同的落高和撞击角度条件下，热点温度也会有差别，这也就导致试验结果具有一定的分散性。

表3 几种炸药的力学性能

表4 几种炸药的热点温度计算结果

由于PBX-2和PBX-3、PBX-4这3种炸药中都含有比较敏感的HMX成分，引发炸药发生反应的热点温度相近。从表4可以看出，在相同试验条件下，PBX-3的热点温度明显高于PBX-2。同时PBX-2中含有大量TATB成分，不仅可降低热点温度，而且可以大大降低反应剧烈程度，因此PBX-2炸药在滑道试验中的安全性明显高于PBX-3炸药。当然，炸药发生点火后的反应等级与炸药本身的性能密切相关，如PBX-4炸药在发生点火后，很容易转化为爆炸或爆轰反应，而PBX-3炸药由于含有少量的TATB炸药，明显降低了炸药反应的剧烈程度，其在相同试验条件下，点火要么熄灭要么成长为燃烧，但都没发展到爆炸或爆燃反应。

对于PBX-1炸药，其成分为TATB和粘接剂，而TATB的热安全性远优于HMX炸药，故PBX-1炸药发生反应所需的热点温度要高于另外3种PBX炸药。在撞击角度和摩擦靶面相同的条件下，要使其在滑道试验中发生点火需要的落高也要高于另外几种PBX炸药，安全性更好。

滑道试验中，高速摄影图像对炸药的反应等级的判别至关重要。特别是对于一些比较低感的炸药，反应等级较低，没有超压产生，点火后反应迅速熄灭(从点火到熄灭不到0.2 ms)，试验件和靶板上也可能没有明显烧蚀痕迹，如果高速摄影仪摄像的幅频低很可能拍不到点火过程，导致试验反应级别误判，因此，试验中高速摄影的幅频不能低于8000幅/s。

4 结论

试验结果表明，PBX-1炸药和PBX-2炸药在跌落高度6.1 m、撞击角度14°的滑道试验没有发生反应，而PBX-3炸药则发生了燃烧反应，PBX-4炸药在相同条件下发生了强烈的爆燃反应。PBX-1和PBX-2炸药在滑道试验中的安全性明显优于PBX-3和PBX-4炸药。

PBX-3炸药、PBX-4炸药在跌落高度6.1 m、撞击角度14°的滑道试验中点火延迟时间区别不大，都在1.5 ms左右。

对于低感炸药，滑道试验中，高速摄影仪的摄影幅频不能低于8000幅/s。

炸药在滑道试验中的安全性不仅与炸药本身的化学性质有关，还和其力学性能和热物理性能及炸药与靶板之间的摩擦系数等密切相关。

［1］Frey R B，The initiation of explosive charges by rapid shear［C］//Proceedings of the 7thSymposium(international)on Detonation.Annapolis，USA:［s.n］，1981:36-42.

［2］Dickson P，Asay B W.Friction:non-shock initiation of explosives［M］.Berlin，Germany:springer Press，2010:537-554.

［3］MIL-STD-1751，炸药安全与性能鉴定试验［S］.

［4］Peter Dickson，Gary Parker Alan Novak.Frictionally induced ignition processes in drop and skid tests［C］//Proceeding of the 14thInternational Symposium on Detonation.

［5］Robert J.Slape.IHE Material Qualification Tests Description and Criteria(美能源部使用)［Z］.1984.

［6］董海山，周芬芬.高能炸药及相关物性能［M］.北京:科学出版社，1989.

［7］David J.Hayden.An Analytic，Tool to Investigate the Effect of Binder on the Sensitivity of HMX-Based Plastic Bonded Explosives in the Skid Test［Z］.2004.

［8］Dickson P M，Parker G R，Novak A M.Preliminary Results from Modified Pantex Oblique Impact Tests on PBX 9501［Z］.2008.