奥克托今基和太安基两种炸药片静电放电响应特性研究

李志鹏，吕子剑，文雯，龙新平，黄毅民

（1.中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳621900；2.中国工程物理研究院，四川绵阳621900）

奥克托今基和太安基两种炸药片静电放电响应特性研究

李志鹏1，吕子剑1，文雯1，龙新平2，黄毅民1

（1.中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳621900；2.中国工程物理研究院，四川绵阳621900）

为研究成型炸药在静电放电作用下的响应特性，采用JGY-50静电火花感度仪，建立了可模拟击穿放电和表面放电两种放电情形的实验装置，对两种较为典型的奥克托今（HMX）基和太安（PETN）基炸药片进行了实验研究。研究发现：炸药片对静电的响应主要是热效应和冲击效应相互作用的结果。对于实验中偏脆性的HMX基炸药，静电的冲击作用效应较为明显。而对于实验中偏塑性的PETN基炸药，静电的热作用效应更为明显。在较高静电放电能量（3.43 J）作用下两种炸药片均未发生爆炸反应。分析认为这主要是由于成型炸药密度较高，且渗透性低，不利于静电放电能量的耦合以及反应后形成对流燃烧，致使反应无法自持而最终熄灭。

兵器科学与技术；静电放电；炸药；热效应

0　引言

炸药在生产和使用过程中，由于意外的静电放电刺激而引发的安全事故并不鲜见［1］。目前，许多与炸药静电安全性相关的测试标准［2-4］和研究文献［5-8］均主要以粉粒状炸药为研究对象，研究结果对于指导炸药粉粒生产及使用过程的静电安全有重要作用。然而，在弹药的实际使用过程中，炸药多是以成型状态出现的，虽然一般认为成型状态炸药的静电安全性要高于其粉粒状态，且发生更高等级反应（如燃烧或爆炸）的概率较小，但是成型炸药在较强烈静电放电作用下却很有可能产生潜在损伤（如裂纹或孔洞），对于其进一步使用的安全性和可靠性造成影响。此外，随着弹药使用电磁环境的日益复杂化，成型炸药遭受更强烈静电放电刺激的概率增加，其响应特性研究也越来越受到人们的关注和重视。

在成型炸药静电放电响应特性研究工作中，含铝炸药、固体推进剂等因含有金属成分易被静电放电击穿，引发安全事故，相关的研究工作较多［9-11］，而对于不含金属成分高聚物黏结炸药（PBX）的研究文献还较少，国外开展了一些研究工作。如1989年，Tasker等［12］采用模拟雷击装置（20 kV，2.4 MJ）对某奥克托今（HMX）基炸药进行了静电放电响应实验，发现静电放电会在炸药中“钻”出许多小孔。1999年，Buntain等［13］对20kg的PBX-9501炸药进行了自然雷击响应实验，虽未发现炸药发生爆炸反应，但炸药件出现了粉碎，炸药碎块烧焦和燃烧的痕迹明显。国内相关的研究工作尚未见文献报道，然而，研究成型炸药在静电放电作用下的响应特性，对于认识和评估其实际使用过程中的静电安全性是不可或缺的。

本研究建立了可模拟击穿放电和表面放电两种放电情形的实验装置，对两种较为典型的HMX基和太安（PETN）基炸药片的静电放电响应特性进行了实验研究，获得了炸药片的静电放电响应特征，并对实验结果进行了理论分析。研究工作对于认识成型炸药的静电放电响应特性以及评估成型炸药的静电安全性均有参考作用。

1　实验装置及方法

图1所示为研究炸药片静电放电响应的实验系统示意图。主要包括放电系统和实验装置两部分，其中的静电放电系统采用JGY-50静电火花感度仪，充电电容30 500 pF，不串联电阻，振荡火花放电。实验装置分为静电击穿放电以及在炸药片表面放电的两种装置，实验时根据需模拟的不同放电情形选取。

图1　炸药片静电放电响应实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system for high-density explosives response to ESD

击穿放电装置主要用来研究炸药片被静电放电击穿时的响应特性，其为炸药静电安全性研究较常用的一种装置，如图1所示。炸药样品被压制成直径10 mm的片状，由于炸药样品的直径远大于静电放电火花直径，从而保证炸药样品的尺寸对实验结果不产生影响。将压制成型的炸药样品放置在板电极上，并用透明胶带密封有机玻璃套的顶部，形成一个相对密闭的空腔。然后用针电极刺穿透明胶带，针尖直接接触炸药样品表面，对其进行静电击穿实验。由于板电极、有机玻璃套以及透明胶带之间形成了一个相对密闭的空间，若炸药发生较强烈的分解或爆炸反应，都会导致密闭空间的压力升高，从而使密封的透明胶带发生破裂。因此，根据透明胶带的破裂程度并结合实验发现的火光、冒烟、变色、燃烧等现象可对炸药片的反应程度进行综合判断。

表面放电装置是根据炸药部件实际操作和使用过程中可能遇到的另外一种放电情形而设计的，模拟在炸药片表面或附近发生静电火花放电时对炸药的影响，主要用来研究炸药片表面经受静电放电作用时的响应特性。如图1所示，首先在有机玻璃中用两根平行的放电针组成针-针放电电极，参考相关文献［3-4］，电极间距确定为1.5 mm，然后将放电电极贴近炸药表面固定，进行静电放电刺激实验，炸药片直径为10 mm.

实验分别选取了PETN基和HMX基两种不同类型的炸药进行研究。PETN基炸药为一种典型的固化炸药，由PETN、热固树脂组成，热固树脂质量分数约为20%.HMX基炸药为压制成型，是典型的高能炸药，由HMX、粘结剂、钝感剂等组成，其中粘结剂质量分数约为4%.每种炸药样品数量均为20发，其中10发用于击穿放电实验，另外10发用于表面静电放电实验。炸药样品在实验前均在干燥器内进行不少于48 h的干燥处理。为确保静电放电对炸药片能有效击穿，实验时充电电压取为15 kV，实验电压极性为负，根据公式E=0.5CU2计算得到实验静电放电能量约为3.43 J.同时，实验考虑了静电放电的累积效应，对同一炸药样品均进行多次重复静电放电刺激，放电时间间隔约2 s.

2　结果与分析

2.1静电击穿放电

表1所示为炸药片静电击穿放电的实验条件，图2所示为部分实验结果的照片。实验发现，被测的20发炸药片（PETN基和HMX基炸药片各10发）全部被静电放电击穿；10次重复静电放电刺激后，样品局部区域有少量炸药被静电放电火花冲碎并发生反应（见图2所示），密封有机玻璃套的透明胶带均发生不同程度的破裂。实验中偶尔可见电火花点燃被气流冲碎的炸药粉末产生亮光，未观察到炸药片发生持续燃烧或者爆炸反应。

表1　炸药片静电击穿放电实验条件Tab.1 Initial conditions of ESD breakdown

静电对物质的影响，主要是通过能量耦合方式发生作用，其包含多种作用效应，而对于炸药的刺激主要是热效应。静电放电产生的热效应是在纳秒或微秒量级完成的，是一种绝热过程，同时由于热效应导致空气瞬时被加热到很高的温度，膨胀产生冲击波，压力突升，常有一定的冲击作用。击穿实验装置中，板电极、有机玻璃套以及透明胶带之间形成的密闭空间，由于具有一定的体积，仅静电放电火花热效应导致的气体膨胀不足以冲破透明胶带，只有当炸药片反应产生足够气体后才有可能使透明胶带破裂。实际上，实验采用的PETN基炸药粉末的最小静电发火能仅为0.25 J，HMX基炸药粉末的最小静电发火能为0.385 J，而实验的静电放电能量约为3.43 J，远大于两种炸药粉末的最小静电发火能。虽然实验样品为成型的炸药片，但在静电放电冲击作用下可能形成部分炸药粉末，这部分粉末被静电放电引燃后会分解或燃烧产生气体。因此，实验中偶尔可见电火花点燃被气流冲碎的炸药粉末产生的亮光，并且透明胶带发生破裂。

图2　炸药片静电击穿实验结果照片Fig.2 Photos of high-density explosive ESD breakdown

此外，由图2可以看出，相同的静电放电刺激在PETN基和HMX基炸药中形成的孔洞却有很大不同，HMX基炸药中形成的孔洞大且多为脆性剥离，而PETN基炸药中形成了像“火山口”一样的孔洞。其主要原因是因为实验采用的HMX基炸药中粘结剂含量较低（质量分数约4%），且炸药偏脆性，在静电放电多次击穿时炸药片易被击碎且被气流冲走形成明显坑洞，冲击效应更为明显；而PETN基炸药粘结剂为热固树脂，且含量较多（质量分数约20%），同时炸药偏塑性，在静电放电击穿时炸药片虽不易被击碎，但更容易受到静电放电通道中热量的作用，多达10次的重复静电放电刺激后，击穿孔洞出现熔融状态，热效应更为明显。

2.2静电表面放电

表2所示为静电放电对炸药片表面进行刺激的实验条件。实验结果表明，在静电放电能量为3.43 J，对每发样品40次重复放电刺激的条件下，被测的20发炸药片表面仅局部出现轻微的灼烧反应痕迹，实验未观察到炸药片发生持续燃烧或者爆炸反应，如图3所示。

表2　炸药片表面静电放电实验条件Tab.2 Initial conditions of ESD on explosive surface

图3　炸药片表面静电放电刺激后的结果照片Fig.3 Photos of high-density explosives after ESD

在其他实验条件不变的情况下，进一步提高实验电压到20 kV，放电能量6.1 J，并增加每发炸药样品的重复放电次数到100次，对2发HMX基炸药表面进行高能量静电放电刺激，实验结果如图4所示。

图4　HMX基炸药片表面高能量静电放电刺激后的结果照片Fig.4 Photo of HMX-based explosive after high energy ESD

由图3和图4可见，炸药片表面均出现了较为明显的烧焦痕迹，特别是高能量（6.1 J）静电放电刺激后，有1发HMX基炸药片甚至出现了破裂，炸药片碎块端面也有明显的烧焦反应痕迹。静电火花形成过程中不仅产生高温，而且由于空气瞬时被加热，膨胀产生冲击波，可能使得炸药表面的部分炸药被冲击剥离出来形成粉末，并在高温条件下发生分解反应，从而在炸药表面形成反应痕迹。PETN基炸药由于具有较好的塑性，炸药粉末不易被冲击剥离出来，因此形成的反应痕迹也就没有HMX基炸药那么明显，但由于实验采用的PETN基炸药片厚度较小，静电放电使其表面还是出现了裂纹。实验结果同时也说明，静电放电对炸药片的效应是冲击效应和热效应综合作用的结果。

2.3炸药片响应结果分析

从实验后放电电极的烧蚀情况（见图5所示）以及与被测炸药粉末最小静电点火能的对比分析来看，实验中采用的静电刺激能量是较大的（3.43 J），从2.1节的实验结果可知，若炸药为粉粒状态则会发生分解或燃烧反应。但综合实验结果可知，40发被测炸药片均未发生较高级别的燃烧或者爆炸反应。究其原因，可主要从静电放电与炸药片的能量耦合效率以及静电放电引燃过程两方面进行分析。

图5　放电电极烧蚀痕迹照片Fig.5 Photos of electrode after ESD

首先，静电火花起爆属于电击穿起爆形式。上述击穿放电实验中，静电放电击穿炸药形成高能量火花通道。表面放电实验中，静电放电沿炸药表面的空气击穿后形成电火花，静电火花的电能转换成热能使得药剂温度升高，从而发生分解、燃烧或爆炸反应。实验时采用的静电放电能量虽大，但由于静电放电的局部性以及瞬时性，并且药剂被压制成一定密度后，和静电火花的接触面积较松装药剂大为减少，从而导致静电放电的能量难以和药剂进行有效耦合，电能转换成的热能仅有小部分被药片吸收。

其次，静电放电对炸药的引爆过程是一个非常复杂的过程，一般认为，这一过程是由热主导，压力驱动的一个过程［14］。表面静电放电时，可能的引爆方式是：药片的表面先被加热到临界温度发生爆炸从而引爆整体药片；击穿放电时更有可能在药片局部形成高温热点起爆。实验中观察到部分静电冲击作用产生的炸药粉末，由于比表面积较大，与电火花的接触面积急剧增大，容易被炽热的电火花点燃发生反应，但是被点燃的炸药粉末极少且随气流处于运动状态，很难对炸药片整体加热或产生局部热点，再加上炸药片约束条件较弱，稀疏波影响大，也难以形成较高压力驱动反应进行。此外，由于药片的高密度使得其具有低渗透性，难以形成对流燃烧，即使发生点火也不利于反应的建立和增长，最终导致反应熄灭。由此可见，高密度是炸药片较炸药粉末静电安全性高的主要原因。

3　结论

1）炸药片对静电的响应主要是静电热效应和冲击效应相互作用的结果。对于实验中偏脆性的HMX基炸药，静电的冲击作用导致炸药中形成脆性剥离的孔洞。而对于实验中偏塑性的PETN基炸药，静电的热作用导致炸药中孔洞出现熔融状态。

2）在较高静电放电能量（3.43 J）作用下HMX基和PETN基两种炸药片均未发生燃烧或爆炸反应，分析认为高密度是炸药片较炸药粉末静电安全性高的主要原因。

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Responses of HMX-based and PETN-based Explosives to Electrostatic Discharge

LI Zhi-peng1，LYU Zi-jian1，WEN Wen1，LONG Xin-ping2，HUANG Yi-min1
（1.Institute of Chemical Materials，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，Sichuan，China；2.China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，Sichuan，China）

The responses of high-density HMX-based and PETN-based explosives to electrostatic discharge（ESD）are tested by JGY-50 electrostatic spark tester.Two discharge modes including impenetrating discharge and surface discharge are employed to simulate the different ESD scenarios.The results show that the response of high-density explosives include heat and shock effects.The heat effect of PETN-based explosive and the shock effect of HMX-based explosive dominate under ESDs.No detonation is probably observed because there is less accessible surface area and low permeability of high-density solid explosive allowing little convective burning，and the energy of ESD can not be coupled effectively to highdensity solid explosives.

ordnance science and technology；electrostatic discharge；explosive；heat effect

O381

A

1000-1093（2015）02-0374-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.02.026

2014-04-17

武器装备预先研究项目（426010102）

李志鹏（1978—），男，副研究员。E-mail：lzpsunny@sina.com；吕子剑（1966—），男，副研究员。E-mail：zijianlv@gmail.com