典型炸药药柱撞击感度的试验研究

陈 皓，徐洪涛，邹洪辉，胡宏伟

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；2.岳阳地区军事代表室，湖南 岳阳 414001)

引 言

炸药在生产、运输和使用过程中，不可避免地要遇到机械撞击等作用，撞击感度作为表征炸药安全的一项重要指标，对于炸药安全性研究具有非常重要的意义[1-3]。目前的撞击感度测试(低速撞击条件下)大都是测定毫克量级的粉状炸药的感度，然而除了制造和成型过程以外，使用中的炸药大部分为成型药柱，由于钝感炸药的惰性包覆膜在成型过程中可能被破坏以及成型炸药结构、尺寸对撞击能量传递的影响等原因，成型药柱的性质与粉状炸药存在较大差异，粉状炸药的撞击感度测试结果并不能完全反映成型药柱遭受机械撞击的安全性。

由于成型药柱与实际应用条件更为接近，为此科研人员采用炸药药片或小型药柱开展了成型药柱的撞击感度试验研究。代晓淦等[4]设计建立了一种炸药大药片撞击感度试验方法，可进行尺寸规格为Φ20mm×5mm的大药片撞击感度测试，对Tetryl炸药和JO-9003炸药进行了实验。孙业斌[5]研究了两端无约束条件下1.5mm厚药片的撞击感度，结果表明，在相同温度和相同装药密度条件下，无约束装药受到相同能量的撞击时，其爆炸概率比有约束装药增大。但由于炸药药片尺寸较小，不能完全反应炸药尺寸等参数对成型装药撞击感度的影响，因此，研究人员开发了较大尺寸的药柱感度试验装置进行撞击感度试验及响应规律研究。徐洪涛等[6]建立了一套新的炸药药柱撞击感度测试系统，对成型炸药药柱和不同尺寸的推进剂进行了撞击试验，结果表明，此测试系统性能稳定，能够可靠测定炸药药柱的撞击感度；药粉与药柱由于结构的不同，试验结果也不完全一致；J. M. Brosse等[7]使用直径10mm的药柱放在钢轴承座的两个击柱之间进行实验，发现落高和能量的关系曲线与大型苏珊试验类似；王淑萍等[8]利用大型撞击加载装置对不同直径的炸药装药进行了模拟实验，分析了药柱直径对其敏感性的影响，为炸药装药发射安全性研究提供了合适的模拟药柱尺寸；高立龙等[9]利用400kg落锤加载装置研究了装药成分与工艺对药柱撞击感度的影响，结果表明组成相近的配方，药柱撞击感度与抗压强度、成型工艺相关；组成相近的HMX基浇注、压装炸药配方中，药粒撞击感度和药柱撞击感度都比RDX基炸药低；浇注类炸药中加入AP时，药粒和药柱撞击感度会提高，对安全不利，压装类炸药则影响不明显。

炸药药柱的撞击感度还与药柱的结构强度(压缩缓冲)、热导率(热传导散热)、环境温度等有关，但相关研究很少。本研究利用文献[6]研制的炸药药柱撞击感度试验装置，对5～10g量级成型炸药的撞击感度特性进行了试验，以期为炸药药柱的安全性能评价提供参考依据。

1 实 验

1.1 试验装置

试验装置[6]由落锤装置、撞击装置、地下防爆小室、气敏检测装置、测速系统和控制系统组成，试验装置示意图如图1所示。落锤装置如图1(a)所示，落锤质量可在10～35kg之间调节，调节步长为5kg，可以自动接锤，防止对试样产生二次打击，落锤的高度定位精度1mm，同一高度10次落下末速度的相对标准偏差不大于1%。撞击装置由击砧、上下击柱、塑料套管、砂纸和击杆5部分组成，如图1(b)所示。防爆小室为地下钢衬混凝土非密封结构，长970mm、宽940mm、高680mm，用厚20mm的钢板焊接成外衬，能承受10g高能炸药的爆炸而不破坏。测速系统为两个红外探头，通过测量上击柱上方9mm距离的自由落体时间，来计算落锤的平均速度。气敏检测装置为高灵敏度的CO2、CO、和NO气体传感器，通过对爆炸释放气体的浓度变化在线检测，判别炸药被激发后是否发生反应。

1.2 试验样品

试验样品全部为压装炸药，Tetryl尺寸为Φ20mm×10mm和Φ20mm×20mm两种，其他试验样品尺寸全部为Φ20mm×10mm，炸药组成和密度见表1。试验前样品需进行干燥处理，在50～60℃环境中烘干2h，试样烘干后放入干燥器内，常温(20℃)下冷却1～2h后方可使用。

表1 炸药的组成和密度Table 1 Formulation and density of explosives

炸药药柱通过塑料套管安装在上下击柱之间，药柱和下击柱之间垫有一孔径100μm的砂纸，塑料套管内径20mm，用于保证上下击柱、砂纸和试样同轴。试验时，将一定质量的落锤上升到预定高度，然后释放落锤，锤体下落撞击击杆，炸药药柱受到撞击挤压可能发生爆炸反应，通过气敏检测传感器系统检测爆炸气体中CO2、CO和NO气体，由气体的浓度变化判断试验样品是否发生了反应，以撞击感度下限(H0)表述炸药药柱的撞击感度结果，具体方法参见文献[6]。

1.3 撞击感度测试

落锤质量为30kg的条件下，5种炸药药柱的撞击感度测试结果见表2。

表2 5种炸药药柱的撞击感度测试结果Table 2 Testing results of the impact sensitivity of five kinds of explosive grains

注：d为药柱直径；h为药柱高度；t为试验时炸药药柱的温度，除了JO-8外，其他炸药试验时的温度均为常温(20℃)。

2 结果与讨论

2.1 炸药种类对药柱撞击感度的影响

4种炸药药柱的撞击感度和粉状炸药撞击感度的对比见表3。

表3 4种炸药药柱和药粉的撞击感度Table 3 Impact sensitivity for four kinds of grains and powder of explosive

注：H50为药粉的临界撞击落高。

由表3可知，4种炸药药柱的撞击感度由高到低依次为：Tetryl、钝化RDX、TNT和PBX-9502。成型药柱和粉状炸药的撞击感度趋势基本一致。

但药柱和药粉撞击感度试验中所用试验样品的物理状态、力学和热力学等性能显著不同。如炸药药柱力学性能会影响机械撞击能传递，热力学性能会影响炸药内部热点能量积聚。目前研究表明[11-12]，炸药非冲击点火的原因主要为药柱破碎产生剪切带上塑性流动导致的局部摩擦，影响点火的主要因素为炸药的塑性、冲击压力、剪切速率、剪切带温度积累等，而药柱抗压强度(σd)和热导率(λ)对炸药的塑性和剪切带温度积累具有重要的影响，因此，结合试验结果分析了药柱抗压强度和热导率对药柱撞击感度的影响。

4种炸药药柱的撞击能、抗压强度、热导率和粉状炸药的临界撞击能见表4。

由表4可知，药柱的撞击感度与粉状炸药的不同在于其与实际应用条件更为接近，不仅能够表征炸药材料自身的安全性能，还能表现药柱结构性能对撞击感度的影响，如药柱的结构强度(缓冲作用)、热导率(热传导作用)等。落锤在撞击药柱的过程中，其抗压强度高，药柱在受到压缩作用时保持结构完整性的能力越强，力作用在药柱上的时间长，其能量传递和分散的区域广，能量不易集中在局部区域形成热点；药柱抗压强度低，药柱受到撞击后容易破裂向周围产生高速流动，药柱内部产生的裂纹和高速摩擦、炸药与约束壳体的摩擦，都增加了产生热点形成爆炸的可能性。

表4 药柱的撞击能、抗压强度、热导率和粉状炸药的临界撞击能Table 4 Impact energy，compressive strength，thermal conductivity of explosive grain and critical impact energy of powder for explosives

注：E0为药柱感度下限的撞击能；E50为粉状炸药的临界撞击能;σd为药柱的抗压强度；λ为药柱的热导率。

Tetryl炸药抗压强度较高、撞击能较低，这是因为热点的形成使炸药具备了在机械作用下发生爆炸的基本条件，但是所形成的热点要有效地引发材料激烈的化学反应，需要热点达到炸药材料发生爆炸的临界温度，在低速撞击条件下，药柱受到的撞击作用过程较长，热导率会影响炸药内部的热积累，粉状炸药由于试验药量很少，可以忽略热导率的影响，但药柱体积较大时，结构的缓冲作用导致撞击作用过程较长，热导率大的炸药，热点形成过程中向周围的散热速度快，不易形成局部热点，达到爆发点，热导率小的炸药热量向周围的扩散速度慢，容易在炸药中产生热积累形成热点，从而引起爆炸。PBX-9502药柱的撞击感度与粉状炸药的撞击能相差很小，是由于PBX-9502炸药的主成分TATB非常钝感，这种低速撞击刺激没有达到其临界起爆阈值的原因，对于这类特别钝感的炸药，应采用苏珊试验[1-2]等具有更大刺激能的试验装置。

因此，对于不同的炸药，由于状态和物理性质不同，形成热点引发激烈化学分解反应的刺激能量也不同。所以，药柱的机械感度应该由原材料性质和药柱的物理性质两个方面来决定。

2.2 试样高度对药柱撞击感度的影响

直径为20mm时，两种不同高度Tetryl药柱的撞击感度和撞击能见表5。

表5 两种不同高度Tetryl药柱的撞击感度和撞击能Table 5 Impact sensitivity and impact energy for two kinds of Tetryl explosive grains with different heights

由表5可知，随着药柱高度的增加，炸药的感度下限增加，这是因为药柱加长后受到的缓冲增强的原因。药柱的撞击感度表征的是其在特定结构状态的感度，如不同高度的药柱其撞击能的阈值是不同的，有时会表现出与药粉不一致的试验结果[9]。因此，装药尺寸或结构对其撞击感度具有显著的影响，只有在相同试验条件和样品状态下进行药柱的撞击感度试验，才能得到可供比较的试验结果。

2.3 试样温度对药柱撞击感度的影响

JO-8炸药药柱在-40℃和70℃两种温度下的撞击感度和撞击能见表6。

表6 两种温度条件下JO-8药柱的撞击感度和撞击能Table 6 Impact sensitivity and impact energy of JO-8 grain under high and low temperature conditions

由表6可知，高温(70℃)时JO-8药柱的撞击感度要小于低温(-45℃)时的撞击感度，与炸药温度高更容易达到热点产生爆炸的传统认识相反，这是由于JO-8炸药中含有68号石蜡，石蜡在高温时发生熔化，增强了炸药的塑性，使炸药颗粒表面有良好的包覆和润滑作用，有效地降低了炸药晶体间的摩擦，减少了提供给热点点火的能量，导致其药柱撞击感度降低。

3 结 论

(1)成型药柱和粉状炸药的机械撞击感度的趋势基本一致，但成型药柱的撞击能要明显大于粉状炸药，药柱的机械感度由原材料性质和药柱的物理性质两个方面来决定。

(2)随着炸药药柱高度的增加，炸药的感度下限增加，不同大小和结构的药柱其撞击能的阈值不同。

(3)JO-8炸药药柱在高温(70℃)条件下的撞击感度要低于低温(-45℃)条件下，表明温度对炸药药柱的撞击感度有显著影响。

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