两种典型炸药装药的撞击试验研究

徐洪涛，宋　震，田　轩，赵东奎，封雪松，冯　博，赵　娟

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

两种典型炸药装药的撞击试验研究

徐洪涛，宋震，田轩，赵东奎，封雪松，冯博，赵娟

（西安近代化学研究所，陕西 西安，710065）

通过小落锤对JO-8和B炸药装药进行撞击加载，并对撞击过程和试验后样品分别进行了高速摄影和扫描电镜分析。撞击试验发现JO-8炸药比B炸药具有更高的抗撞击能力；高速摄影发现两种炸药装药均经历冲击、塑性流动、飞散、反应等过程，装药的反应发生在装药损伤后；扫描电镜表明B炸药在低速撞击下的损伤模式以界面脱粘、沿晶断裂为主，JO-8炸药装药则以剪切变形和穿晶断裂为主。上述研究表明：粘结剂能够改善炸药装药的抗撞击能力，炸药装药工艺决定了炸药在撞击加载下的损伤模式。

JO-8炸药；B炸药；撞击感度；晶体损伤；高速摄影

炸药装药在运输、贮存、使用等过程中可能遇到燃料起火、车上装载的易燃物品起火等意外火灾事故，以及机械刺激、破片撞击、冲击波等各种异常事故［1-2］。在这些异常刺激下，炸药装药可能发生燃烧、爆炸等重大事故，从而造成不可挽回的重大损失。随着国外对武器安全性能的重视程度日益提高，美国在20世纪后期陆续建立了多种撞击安全性试验方法，如：苏珊试验、滑道试验、跌落试验、枪击试验、隔板试验、楔形试验、飞片试验、Spigot试验、Steven试验等。这些试验有效解决了炸药装药在运输、生产、贮存、使用等过程中的安全评价问题。小落锤加载试验就是其中的重要手段之一。目前，在炸药冲击损伤研究领域，国内外已经开展了大量研究［3-8］，国内陈鹏万等人［7］研究PBX炸药的力学损伤特性，并依据声发射等手段首先建立炸药损伤度的概念，在加载手段上主要采用平板低速撞击试验。

本文采用小落锤试验研究了JO-8和B炸药装药的撞击感度，并采用高速摄影分析了药柱的动态响应过程，最后结合扫描电镜对试验后样品进行了微观结构表征。

1　实验

1.1实验仪器和装置

1.1.1小落锤加载试验装置

本文采用的小落锤质量为30kg，落锤有效落高180 cm，落锤高度定位精度为1mm，落锤在同一高度10次落下末速度的相对标准偏差不大于1%。小落锤加载系统包括4个部分：落锤装置、撞击装置、地下防爆小室和气敏检测装置，示意图见图1。

图1　小落锤加载试验装置Fig.1　The impact loading device of the small hammer

图1中，落锤装置通过工控机或LCD触摸屏实现对落锤的高度、下落和上升过程的控制；撞击装置用于控制药柱承受撞击的状态、传导落锤下落产生的能量；防爆小室位于落锤装置的地下部分，内部安装有撞击装置和气体取样装置，是落锤装置的基座；气敏检测装置通过微机控制对加载过程中产生的气体成分进行实时分析。

1.1.2高速摄影仪器

采用Photron公司生产的数字化高速摄影相机，试验中摄像机距样品3m，拍摄速度为12 500fps，曝光速度为2μs，跟踪整个试验加载过程。

1.1.3环境扫描电镜

FEI QUANTA600型环境扫描电镜（ESEM），美国FEI公司。实验采用低真空模式，环扫电压为20kV，样品室压力为2 600Pa。

1.2试样制备

采用熔铸工艺制备B炸药试样，采用直接法压装工艺制备JO-8炸药试样，且试样尺寸为：20 mm×5 mm，其中JO-8炸药配方为：wHMX/w粘结剂=95/5，装药密度为1.81g/cm3，B炸药配方为：wTNT/wRDX=40/60，装药密度为1.71g/cm3。

1.3实验原理及方法

现场实验照片见图2，设计小落锤撞击试验装置如图3所示。将炸药片安装在落锤的下部（见图2），用控制程序将落锤升至预定高度，然后释放落锤，锤体下落后撞击击杆，炸药受到击杆撞击挤压而可能发生反应。通过高速录像、超压传感器和气体检测装置来判断炸药是否反应及反应类型，得到该炸药装药在该刺激下的响应情况。

图2　实验现场布局图Fig.2　The picture of the experiment scene

图3　试样装配示意图Fig.3　The assembled sample picture

采用30kg小落锤进行试验，通过下限值法获取炸药的临界点火阈值，即一定质量的重锤下落撞击试样时不发生反应的最大落高。试验时当在某一高度下试样发生反应就降低重锤的下落高度，反之则提升，直至某一高度试验3次均不发生反应、而提升高度则发生反应时为止。最后收集未反应的残余试样进行SEM表征，观察其微观结构变化。

2　结果与讨论

2.1小落锤撞击试验结果

JO-8炸药和B炸药的小落锤撞击试验结果见表1。

表1　两种炸药装药的撞击感度试验结果Tab.1　Test result of impact performance for the two kinds of charge

由表1可知，JO-8炸药装药的撞击点火阈值为100cm，B炸药装药的撞击点火阈值为80cm。由此可见，与B炸药相比，在落锤低速撞击加载下，JO-8炸药装药具有更高的抗撞击能力。

2.2高速摄影记录结果

通过高速摄影相机记录两种炸药装药的落锤加载过程，结果见图4～5。

图4　B炸药装药在H=100cm时的动态响应过程Fig.4　The dynamic response course of the composition B (H=100cm)

图5　JO-8炸药装药在H=120cm时的动态响应过程Fig.5　The dynamic response course of explosive JO-8(H=120cm)

由图4可知，当落锤撞击击杆后，B炸药因击杆的下落运动受到挤压，见图4（b），装药中心部分形成塑性流动并向周围移动，见图4（c）和4（d），然后装药碎裂部分向四周飞散，见图4（e）和4（f），最后中心残余装药反应，见图4（g）。值得注意的是，尽管气体传感器未检测到CO2、CO气体，但试验后空气中仍有明显的苦杏仁味。由图5可知，当落锤撞击击杆后，JO-8炸药因击杆的下落运动受到挤压，见图4（b），装药中心部分形成塑性流动并向周围移动，见图4（c）和4（d），然后装药碎裂部分向四周飞散，见图4（e），最后中心残余装药反应，见图4（f）和4（g）。综上所述，在落锤低速撞击加载作用下，上述两种炸药装药均经历冲击、塑性流动、飞散、反应等过程，装药的反应过程发生在装药损伤后，且反应可能由上下击柱挤压残余装药而引起。

2.3电镜实验结果

收集加载试验后的两种样品，通过扫描电镜分析，得到试样的损伤形貌结果，见图6和图7。

图6　B炸药在H=80cm时的电镜图Fig.6　The SEM of the composition B at H=80cm

图7 JO-8炸药在H=100cm时的电镜图Fig.7　The SEM of the explosive JO-8 at H=100cm

图6为B炸药装药在撞击加载（H=80cm）后的损伤形貌。撞击加载除导致颗粒破碎外，还可以观察到突出的炸药颗粒和颗粒拔出后留下的凹坑，这表明B炸药试样中尽管RDX和TNT炸药颗粒脆性都比较大，但在低速撞击下的损伤模式主要以界面脱粘、沿晶断裂为主，而穿晶断裂比较少，见图6（a）、6（d）；炸药颗粒表面形成了部分孔洞，这表明在低速撞击加载过程中形成热点，并导致炸药出现局部相变，见图6（b）、6（d）。

图7为JO-8炸药装药在撞击加载（H=100cm）后的损伤形貌，与B炸药不同，JO-8炸药的断口比较平整，颗粒整体拔出的现象较少，穿晶断裂明显增多，见图7（b）。而且在剪切破坏裂纹路径上观察到剪切带，表明在撞击加载过程中颗粒发生了较大的剪切塑性变形，见图7（c）、7（d），说明JO-8炸药装药在低速撞击加载下的损伤以剪切变形和穿晶断裂为主。

2.4分析与讨论

当炸药装药受到低速撞击时，在装药内部形成压力为几千巴的压缩波，该压缩波由以声速传播的弹性波和以较低塑性声速传播的塑性波组成[9]，而一般炸药装药的屈服应力仅几十巴，故在撞击加载作用下，中心装药在摩擦、剪切、滑移带等机制作用下发生塑性流动，在此过程中装药出现断裂、滑移、穿晶等不同形式的力学损伤，具体的损伤模式与装药材料及工艺特性有关。

对于由熔铸工艺制备的B炸药，该炸药主要利用TNT炸药的固-液相变特点，当熔融的B炸药浇入模具后，随着周围温度逐渐下降，熔态TNT原子间的引力逐渐加强，排列逐渐规则化，同时与RDX分子中的H、O原子形成氢键，作用力较强。由于TNT充当粘结剂作用，因此在相对较强的应力波作用下，B炸药的力学损伤形式以TNT晶体的脆性断裂为主。而JO-8炸药由于加入少量粘结剂，粘结剂与炸药颗粒紧密接触，这种微观结构改善了传统炸药的脆性缺陷。粘结剂保持自身形状的能力强于炸药，因此，在应力波作用下，JO-8炸药主要以HMX炸药晶体剪切变形和穿晶断裂为主。

3　结论

（1）对JO-8炸药和B炸药进行了撞击感度试验研究，并对撞击过程和试验后样品进行分析。撞击感度试验发现：JO-8炸药比B炸药具有更高的抗撞击能力；高速摄影发现：两种炸药装药均经历冲击、塑性流动、飞散、反应等过程，装药反应发生在装药损伤后，且反应主要由上下击柱挤压残余装药而引起；微观分析表明：B炸药在低速撞击下的损伤以界面脱粘、沿晶断裂为主，JO-8炸药装药以剪切变形和穿晶断裂为主。

（2）两种炸药在低速撞击加载下的力学损伤特性与装药材料及工艺特性有关，且粘结剂能够提升炸药装药的抗撞击能力。

［1］ Field J E. Hot spot ignition mechanisms for explosives［J］. Acc Chem Res， 1989（25）：489-496.

［2］ Walley S M， Field J E， Palmer. Impact sensitivity of propellants［J］. Proc R Soc Lond，1992（A438）： 571-583.

［3］ 陈鹏万，黄风雷.含能材料损伤理论及应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2006．

［4］ Skidmore C B，Phillips D S，crane N B．Microscopical examination of plastic-bonded explosives［J］.Microscope，1997，45（4）：127-136．

［5］ Peterson P D.Fletcher M A，Roemer R L．Influnence of pressing intensity on the microstructure of PBX9501［J］．J Energ Mater，2004（21）：247-260．

［6］ Palmer S J P，Field J E，Huntley J M．Deformation，strengths and strains to failure of bonded explosives［J］.Pro R Soc Lond A，1993（440）：399-419．

［7］ 陈鹏万.高聚物粘结炸药的细观结构和力学性能［R］.北京：中国科学院力学所，2001．

［8］ 周栋，黄风雷，姚惠生．PBX炸药细观损伤的实验研究［J］．火炸药学报，2007，30（3）：16-18．

［9］ 田轩，王晓峰，南海，等. 撞击加载下炸药晶体的破碎特征［J］.火炸药学报，2012，35（1）：27-31.

The Experimental Research on the Impact Safety of the Two Explosive Charges

XU Hong-tao，SONG Zhen，TIAN Xuan，ZHAO Dong-kui，FENG Xue-song，FENG Bo，ZHAO Juan
（Xi'an Modern Chemistry Research Institute，Xi'an，710065）

The low-speed impact loading of the charge JO-8 and composition B were researched by the small hammer， the course and the tested sample were analyzed by the high speed photography and SEM respectively. The impact experiment found that the charge JO-8 has much higher anti-impact ability than composition B， the two charges were found to experienced the course of shocking， plastic flowing， flying and reacting through the high speed photography， and the reaction happened after damage. The SEM found that the damage pattern of composition B was focused on the interface debond and rupture across the crystal， and JO-8 was focused on the shear distort and rupture through the crystal. The research suggested that the binder can improve the anti- impact ability of the charge， the damage pattern was depended on the charge techniques.

JO-8 explosive；Composition B；Impact sensibility；Crystal damage；High speed photography

TQ564

A

1003-1480（2015）02-0029-04

2014-09-10

徐洪涛（1982-），男，高级工程师，从事炸药装药的安全与能量评估技术研究。基金项目：2013年火炸药燃烧国防科技重点实验室基金项目（9140C350408110C3507）