孔隙度对PBX炸药冲击起爆影响的实验研究*

刘海庆，段卓平，白志玲，温丽晶,2，欧卓成，黄风雷

（1. 北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；2. 环境保护部核与辐射安全中心，北京 100082）

PBX炸药(polymer bonded explosives)是由主体炸药(如RDX、HMX、PETN和TATB等)或其混合物与聚合物黏结剂混合制成的非均质固体炸药，由于其配方的灵活性、成型工艺的便捷性、成型后力学性能的优异性，以及能量和感度的可协调性，该炸药得到了广泛关注[1-3]。非均质固体炸药的冲击起爆过程明显不同于均质炸药的，归因于其细观非均质性[4-5]，而目前对炸药在细观尺度的冲击响应认识还不足，探索炸药细观结构特征对其冲击起爆性能的影响规律、发展细观反应速率模型是当前爆轰领域的重要研究方向。

前人开展的炸药冲击起爆试验研究，主要通过隔板试验和楔形试验获得临界起爆条件或到爆轰距离等宏观数据[6-7]，而通过一维拉格朗日量计测试技术研究主要关注的是炸药本身爆轰成长特性和温度对炸药起爆过程的影响[8-9]。近年来大家关注炸药细观结构对冲击起爆影响的试验研究，如炸药组分[10-12]、颗粒度[13]对冲击起爆的影响，但是孔隙度(密度)对炸药冲击起爆爆轰成长过程影响的拉格朗日实验数据未见报道。平面加载下一维拉格朗日量计测试技术，如嵌入式电磁粒子速度计测速技术[6,14]和锰铜压阻传感器测压技术[8-9]，是目前记录炸药冲击起爆过程流场信息最直观有效的手段。目前由于反应速率模型大都是压力的函数，因此采用流场压力数据来确定反应速率模型更直观合理。

本文中，采用炸药冲击起爆锰铜压阻一维拉格朗日实验系统[11-12]，测量不同孔隙度(装药密度)的PBXC03炸药冲击起爆过程中不同拉格朗日位置的压力变化历史，获得孔隙度对PBX炸药冲击起爆过程的影响，以期为炸药检验反应速率模型的合理性、确定反应速率模型参数提供实验数据。

1 实验设计

温丽晶等[11-13]采用炸药冲击起爆锰铜压阻一维拉格朗日实验测试系统(如图1所示)研究了加载压力和细观结构如颗粒度变化对PBXC03炸药冲击起爆过程的影响。为了补充测量炸药装药密度(孔隙度)对其冲击起爆过程的影响，并尽量减小其他因素带来的误差，本文中采用相同的实验测试系统和相同尺寸的加载装置，其中测试原理及加载装置尺寸细节见文献[11-13] 。

图2 PBXC03炸药样品Fig. 2 PBXC03 samples

PBXC03炸药中HMX的质量分数为87%，体积分数为85.58%；TATB的质量分数为7%，体积分数为6.76%；黏结剂的质量分数为6%，体积分数为7.66%；HMX平均颗粒尺寸为20～30 μm(细颗粒)，TATB 平均颗粒尺寸为 15 μm。PBXC03炸药低装药密度为1.836 g/cm3，中等装药密度为1.849 g/cm3，高装药密度为1.855 g/cm3。每发实验均在炸药0 mm位置处(与铝隔板接触的炸药表面)放置一个锰铜压阻传感器，为了便于对比压力成长变化，每发实验中锰铜传感器放置位置相同(0、3、6、9 mm)。此外，为维持爆轰压力测量时间，锰铜压阻传感器用聚四氟乙烯薄膜包覆，0 mm位置传感器使用的薄膜厚度为0.2 mm，其余3个位置传感器使用的薄膜厚度均为0.1 mm，并使用真空硅脂封装，装配细节如图3所示。

图3 封装的锰铜压阻传感器Fig. 3 Packaged manganin piezoresistive pressure gauges

实验用H型锰铜压阻传感器，传感器电阻R0=0.1～0.2 Ω，压阻关系[15]为：

实验现场示波器记录的典型实验信号，如图4所示，每条曲线代表一个拉格朗日位置处流场压力变化历程，由式(1)即可将图中电压信号转化为压力-时间曲线。

图4 示波器记录的典型实验信号Fig. 4 Typical voltage signals recorded by an oscilloscope

2 实验结果和分析

图5为3种孔隙度(装药密度)的PBXC03炸药在同一加载压力(p0=5.9 GPa)下冲击起爆过程不同拉格朗日位置的压力-时间历史的实验测试结果。对比不同实验中0 mm位置的压力-时间历史，如图6所示，作为输入条件，3条曲线在平台值阶段几乎重叠(后期压力成长不同是因为不同的孔隙度引起炸药反应速率不同)，表明本文实验加载条件一致。

图5 不同孔隙度的PBXC03炸药冲击起爆过程的实验测试结果Fig. 5 Experimental pressure-time curves of the shock initiation processes of the PBXC03 with different porosities.

冲击起爆前期，PBXC03炸药前导冲击波阵面压力增长不明显，因为在较低的起爆压力下，炸药压缩度小，波阵面附近热点数量少，释能缓慢，热点点火反应在波阵面附近贡献不大，但波后压力成长较快，压力高峰不断追赶前导冲击波，最终转为爆轰。

不同孔隙度的PBXC03炸药前导冲击波阵面压力成长历史和前导冲击波迹线，如图7所示，中等密度炸药前导冲击波阵面压力成长最快，波后压力成长也最快，到爆轰时间最早，低密度炸药的次之，高密度炸药的最低。可见，在本文装药范围和加载条件下，装药密度对炸药冲击起爆爆轰性能的影响不单调。

图6 同一加载压力下不同实验中PBXC03炸药0 mm位置的压力-时间曲线对比Fig. 6 Pressure-time curves at 0 mm of the PBXC03 with different porosities in different experiments under the same loading pressure

图7 不同孔隙度的PBXC03炸药前导冲击波阵面压力成长历史和前导冲击波迹线。Fig. 7 Pressure growth histories on the shock wave front and precursory shock wave trajectories in the PBXC03 with different porosities

在冲击载荷作用下，炸药临界点火温度Tcr、反应热点的临界直径dcr与前导冲击波阵面压力pf满足关系式[4]：

式中：T0为炸药初始温度，K；T1、γ、θ为常数系数。可见，在相同外载条件下，反应热点的临界直径dcr越小，临界点火温度Tcr越高。

目前普遍认为，非均质固体炸药的冲击起爆由热点点火过程和后续燃烧反应过程共同作用控制。装药密度低时，孔隙度大，潜在热点数量多或尺寸大，在相同外载条件下，形成的反应热点温度较低，热点反应区内激发的化学反应速率慢；而装药密度大时，孔隙度小，潜在热点数量少或尺寸小，临界点火温度较高，但能够发生点火反应的热点数量少，也将导致反应速率下降；实验测得中等密度炸药反应速率最快的现象也可理解，因为中等密度的炸药潜在热点数量和尺寸均适中，燃烧拓扑结构可达到最优，热点点火和后续燃烧速率可达到最快。

上述实验结果仅适用于本文装药密度范围和加载压力范围。装药密度范围不同，炸药冲击起爆过程随孔隙度变化可能单调。载荷范围不同，炸药冲击起爆随孔隙度变化规律也可能不同。比如，在高压载荷作用下，炸药冲击起爆主要受燃烧反应控制，冲击起爆过程随着装药密度增大而单调变慢。在后续工作中将建立合理的细观反应速率模型进行数值模拟进一步证实。

3 结 论

采用炸药冲击起爆锰铜压阻一维拉格朗日实验分析测试系统，获得了PBXC03炸药孔隙度(装药密度)变化对其冲击起爆过程的影响：在本文装药和加载条件下，孔隙度对PBXC03炸药冲击起爆爆轰成长过程的影响不单调，这是热点点火过程与燃烧反应过程共同作用的结果。本文实验数据可为后续建立宏细观反应流模型提供实验依据。