含能材料“热点”点火研究进展

白志鑫,蒋城露,刘福生,刘其军

(1.西南交通大学 物理科学与技术学院,四川 成都 610031;2.四川农业大学 水利水电学院,四川 雅安 625014)

引 言

凝聚炸药相比于气体炸药,具有密度大、爆速高、爆轰压力大、能量密度高以及在形态上便于存储、运输、成型加工和使用等特点[1],因此,在军事和民用上均得到了广泛关注。根据凝聚炸药的物理性质,可将炸药分为均相凝聚炸药和非均相凝聚炸药。均相凝聚炸药是指炸药内部各处均匀且物理性质相同的炸药,例如,硝基甲烷、硝化甘油液体、泰安单晶等[1]。关于均相凝聚炸药的冲击起爆,多数学者认为在冲击波进入炸药后,波阵面后面的炸药首先受冲击整体加热,然后发生化学反应[2]。非均相凝聚炸药是指炸药内部产生了密度的不连续(如气泡、孔洞、杂质、裂纹、间隙等),从而引起了炸药物理结构的不均匀和物理性质的不一致。由于非均相凝聚炸药的普遍性,人们对其起爆机理进行了大量而深入的研究。最早是由Berthelot[3]提出的“热学说”,即机械能转化为内能,使整个炸药的温度升高到爆发点,继而发生爆炸。但是,Taylor和Weale[4-5]随后发现,即使炸药把机械能转化的热能全部吸收,炸药所能达到的温升也远远小于整个炸药起爆的临界温度。后来有学者提出了“摩擦化学假说”[1],但这种假设理论的局限性太大,并不被人们所接受。到了20世纪50年代,Bowden等[6]在研究摩擦学的基础上提出了目前较为公认的非均相凝聚炸药起爆机理,即“热点学说”。该学说能够较好地解释炸药在机械能作用下发生爆炸的原因。随后,Campbell等[7]通过冲击加载含气泡的含能材料,首次在实验上证实了“热点”的存在。热点学说认为,在机械作用下产生的热来不及均匀地分布在全部炸药上,而是集中分布在炸药的密度不连续点处,例如气泡、孔洞、杂质、裂纹等。当这些点的温度高于炸药热爆炸临界温度时,炸药就会从这些“点”处开始爆炸,这些温度很高的“点”被称为热点[8]。综上所述,非均相凝聚炸药的爆炸首先从热点处开始,然后扩展到整个炸药区域。

在实际应用中,大量的含能材料都存在热点现象,如固体炸药、液体炸药、黏结剂炸药、带壳炸药、固体推进剂、低熔点的熔铸炸药等。这些含能材料从开始制备到最后应用,在各个环节、任意时刻都有可能受到意外撞击或者周围环境变化等的影响而发生意外爆炸事故,因此对含能材料安全性的研究就显得尤为重要。众所周知,感度是衡量含能材料安全性的重要指标之一,且大量与感度相关的工作被报道。但是,仅仅关注含能材料的感度是远远不够的,为了预防含能材料发生意外爆炸事故,就必须从其起爆的内在物理机制入手,来研究如下问题:(1)含能材料的起爆因素;(2)含能材料起爆的临界条件;(3)起爆原因,即能否建立一个可靠的模型来诠释含能材料的起爆过程。以上研究有利于为含能材料全寿命周期过程提供非常重要的指导,也有利于为含能材料的设计及性能评估提供可靠的支持。

研究含能材料起爆的因素、条件及原因,对热点问题的研究就显得尤其重要。目前,关于含能材料“热点”的研究主要分为实验研究、理论研究和数值模拟研究。由于含能材料的起爆过程是一个高速、高温、高压的过程,且其内产生的热点尺寸通常在微米级别内,因此国内外关于“热点”产生过程的实验研究较少;再加上含能材料起爆实验的高成本和危险性,国内外开展了大量有关含能材料 “热点”的理论研究和数值模拟研究工作,如以离散元为代表的粒子类方法[9-13]、以有限元为代表的基于连续介质力学的传统数值模拟[14-15]、以第一性原理为基础的分子动力学模拟[16]和经典分子动力学模拟等[17]。

本文主要对含能材料的“热点”点火研究进展进行了综述,介绍了影响含能材料热点点火的因素,关于热点点火临界条件的相关研究,关于含能材料热点点火的微观机制以及相关物理模型,并对含能材料的热点研究进行了总结和展望,以期为含能材料的安全性研究提供参考。

1 影响含能材料热点点火的因素

影响非均相含能材料热点点火的因素是众多且非常复杂的。多年来,关于影响热点点火阶段的因素被大量报道,主要分为内部影响因素和外部影响因素,即其不仅与材料本身的物理化学特性和缺陷类型有关,也与材料所处的装药条件以及添加剂有关,具体的影响因素如图1所示。

1.1 内部影响因素

含能材料的温度在机械作用下会逐渐升高,当温度达到一定值时,含能材料颗粒会熔化发生热力学一级相变,吸收热量。因此,炸药的熔点与其点火有很大的关系。张泰华等[18]基于动力有限元方法,探究了RDX和TNT炸药的热点形成机理,发现孔洞边界熔化后会减缓炸药表面升温速率,即低熔点的炸药会降低炸药的点火。当炸药中有微裂纹或者有类似裂纹的缺陷时,其在机械作用下,会发生裂纹失稳扩展现象。断裂韧性用来表征材料阻止宏观裂纹失稳扩展的能力,显然,这一特性对炸药的点火有很大的影响。成丽蓉等[19]发现炸药自身的断裂韧性越低,裂纹越容易扩展,裂纹面局部温升越高,炸药越容易点火。由于物体具有黏度这一物理特性,其在流体中运动时会受到阻力,进而造成机械损耗。吕春玲等[20]基于两相黏弹点火模型[21]发现,固体炸药的黏度越大,其内越不容易形成热点。同时,固体黏度与其颗粒尺寸有很强的相关性,即颗粒尺寸越大,黏度越小[20]。因此,大尺寸颗粒的固体炸药更容易发生点火。大量研究已经表明炸药颗粒度(炸药颗粒尺寸)对其热点的形成有非常重要的影响。刘清等[22]基于HMX材料中外部声子模式与分子内部振动模式能量交换的热力学模型,探究得到同种炸药,其颗粒度越细,点火敏感性越低,而转爆轰能力可能越高。温丽晶等[23]通过实验研究得到,精细炸药在冲击作用下更为敏感。段卓平等[24]基于有限元方法,发现颗粒度越小,炸药点火越难,但炸药颗粒中爆轰波的传播速度更快。同样地,蒋城露等[25]基于三维离散元方法,探究了奥克托今颗粒在落锤作用下的点火燃烧,发现小尺寸炸药颗粒对落锤的响应更快,但是大尺寸炸药颗粒在落锤作用下的温升更大,更容易点火。同时,炸药颗粒的形状也会对炸药产生影响,研究表明,平顶炸药颗粒和尖顶炸药颗粒的点火机制有明显差异,分别对应平顶颗粒剪切加热机制和尖顶变形加热点火机制[25]。吴艳青等[26-27]通过实验研究发现,颗粒排列越松散的炸药其塑性扩展时间越短,越容易形成多个热点,多个颗粒的燃烧反应比单个颗粒的燃烧反应更剧烈。

热点理论表明,在炸药的密度不连续处会产生热点。韩小平等[14]基于有限元方法探究了含孔洞炸药的黏塑性动态响应过程,发现在孔洞附近区域有局部的高温产生。在初始作用阶段,孔洞周围炸药会产生较快的应变;随后,应变硬化和应变率硬化发挥主导作用,抑制孔洞周围应变速率的增加;但是随着机械力的持续作用,孔洞周围的平均变形仍在继续增加,孔洞周围炸药逐渐熔化;孔洞周围炸药的熔化促进了该区域的进一步塑性流动,产生更高的局部温度,进而产生热点。因此,当材料的应变硬化足够大时,热软化作用将难以平衡材料的应变阻力,会对炸药中热点的产生有抑制作用[14]。炸药的孔隙度表征了炸药中孔洞、微裂纹和微损伤的质量分数。因此,孔隙率对炸药中热点的形成有很重要的影响。覃锦程等[28]发现孔隙率越低,炸药中缺陷越少,越难以在其内形成热点,因而越难以点火。张泰华等[18]认为在孔洞半径相同的情况下,孔隙率越大,胞元厚度越薄,在炸药胞元内部积聚的能量就越多,温升就越高,越容易形成热点。成丽蓉等[19]发现钻地战斗部的初始孔隙率越大,侵彻过程中战斗部装药越不安全。同理,孔洞的尺寸和形状也是炸药点火的重要影响因素。一般情况下,大颗粒炸药的孔洞尺寸较大,小颗粒炸药的孔洞尺寸较小[18]。初始孔洞尺寸将决定热点尺寸,即大尺寸孔洞将产生大尺寸的热点,这更有利于炸药的点火[29]。尚海林等[30]基于三维离散元方法,发现由于大尺寸的孔洞在塌缩过程中形成的会聚流动相比小尺寸孔洞形成的会聚流动更剧烈,有更多的动能转化为内能,因此,大尺寸孔洞塌缩后产生的热点温度更高。相比之下,小尺寸孔洞塌缩所需要的时间更短,温度上升更快,在完全塌缩之前小尺寸孔洞周围的平均温度更高。然而,大尺寸孔洞在塌缩之后,周围的平均温度远远高于小尺寸孔洞塌缩后炸药周围的平均温度。韩小平等[15]发现圆柱形孔洞周围会在外力作用下产生更强烈的畸变,剪切应变高度集中,孔洞周围温升相比球形孔洞和椭球形孔洞周围温升更快。球形孔洞周围的温升主要集中在包覆孔洞的一个薄层内,离孔洞较远处几乎没有温升。椭球形孔洞周围的温升主要集中在椭球形孔洞长轴附近。张泰华等[18]也发现椭球形孔洞的长轴附近变形较大,温升更明显,且椭球形孔洞比球形孔洞更易闭合。尚海林等[30]发现,由于球形孔洞具有一定的聚心作用,其热点温度相比立方体孔洞更高。Hatano等[31]等发现热点温度随孔洞纵向(沿冲击波的传播方向)尺寸的增大而增大,热点温度会在孔洞的纵向尺寸和横向尺寸相同时达到最高。孔洞的空间分布也会对炸药点火产生重要影响。周新利等[32]发现,由于膨化硝酸铵内部孔洞的分布是无序且杂乱无章的,其在外界刺激下热点的形成也是随机的。如果忽略热点的产生过程,对于含有热点的奥克托今颗粒三维离散元模型,分散的热点分布将更有利于炸药的起爆[33]。

1.2 外部影响因素

通常作用在炸药上的外界刺激主要为力、热、光和电等。这些外界刺激的强度、速度、持续时间等都会对炸药的点火产生重要影响。不同的冲击波强度作用在炸药上会有不同的点火机制。张泰华等[18]发现当冲击波强度较强时,材料的力学行为主要由材料的状态方程描述,温升主要由压缩耗散功产生。反之,材料的力学行为主要由本构方程描述,温升主要由黏塑性耗散功产生。覃锦程等[28]认为10GPa以上和10GPa以下冲击波加载的炸药起爆机制存在明显差异,随着冲击波强度的增加,炸药起爆机制逐渐由热点“冷起爆”向冲击波对炸药整体加热的“热起爆”转化。傅华等[34]基于离散元方法,探究了含孔洞的HMX在不同冲击作用下的孔洞塌缩和热点生成过程,发现在低冲击作用下,孔洞周围会发生较大的剪切变形,黏塑性作功形成热点;而在高冲击作用下,孔洞塌缩产生射流,汇聚流动,热点的形成在炸药的冲击下游。吕春玲等[20]发现,冲击波压力越大,孔洞塌缩所形成的热点温度越高,越容易起爆。HMX炸药颗粒在落锤作用下的研究也表明,在较高的落锤作用下,炸药的塑性扩展时间越短,炸药越容易发生点火而不易发生喷射现象;反之,易发生喷射现象而非点火[35-37]。王新征等[29]探究了铝热剂体系在不同冲击速度下的点火情况,发现当冲击速度较高时,孔洞会塌缩形成射流,产生温度较高的热点;当冲击速度较低时,孔洞无法塌缩,形成的热点温度会远远低于孔洞塌缩后产生的热点温度。但是如果冲击速度在可以使孔洞塌缩的范围内,改变冲击速度对热点温度的影响较小。韩小平等[14]发现在较高应变速率下,由于孔洞塌缩需要的时间较短,应变产生的内能只有少量可以传递到周围,产生了较大的温度梯度,热点更容易形成。张泰华等[18]发现,孔洞塌缩过程中,其表面升温速率很快,冷却速率也很快,因此,如果冲击波持续时间很短,孔洞表面温度也会很快降下来,并不利于热点的形成。丁洋等[38]基于有限元方法,探究激光辐照带壳炸药的点火过程,结果发现,炸药热响应和金属-炸药接触热阻对炸药温升影响较大,而对辐照板温升几乎没有影响。成丽蓉等[19]开展了钻地战斗部侵彻单层和多层两种典型靶板的动态响应过程,发现侵彻速度越高,温升越快,战斗部尾部装药也越容易产生热点。并且发现靶材层数的不同会造成战斗部装药点火机制的不同,单层靶主要是裂纹摩擦机制,而多层靶的主要机制是孔洞塌缩和裂纹摩擦两种机制。

由于炸药的基本组成中都还有氧化剂和还原剂,其在一定的外界刺激下就可以释放大量能量并对工质作功。但是,为了满足一些其他要求,例如使炸药成型、有更好的力学性能、燃烧性能、安全性能等,实际中会加入一些添加剂,例如黏结剂、增塑剂、钝感剂等,当炸药本身为负氧平衡时,还会加入氧化剂[39]。显然,这些添加剂对炸药点火的影响至关重要。陈广南等[39]基于动力有限元分析方法,发现氧化剂的颗粒越小,其单位质量的表面积越大,传热性能越好,受热分解越快。黏合剂在炸药中的作用是将炸药中的各个组分粘结成具有一定物理、力学性能的便于装药的成型炸药。傅华等[40]将有限元方法和离散元方法相结合,发现炸药中产生的热点主要集中在炸药晶体变形较大的黏结剂部分,其温升主要是由黏性摩擦和塑性剪切耗散引起的。并且发现塑性黏结剂的温度高于炸药晶体,炸药晶体内部的温度低于炸药与黏结剂的边界温度。刘超等[41]基于三维离散元方法,发现由于黏结剂较软,能够起到一定的缓冲作用,在变形过程中可吸收能量有效降低炸药颗粒边界处的温度和压力。增塑剂的主要作用包括降低体系黏度、改善炸药的加工流动性、降低玻璃化转变温度,改善火炸药的力学性能,提高能量或改善氧平衡以及提高安全性[42]。陈广南等[26]发现,增塑剂可以使固化反应的起始温度升高,并且降低终止温度。钝感剂,顾名思义是对炸药降感。沈瑞强等[43]探究了钝感剂LLM-105对RDX基浇注炸药热安全的影响,发现在升温加载下,LLM-105先于RDX吸收热量,减缓了RDX的外界热刺激,延后了形成热源的时间,进而在整体上延滞炸药点火。并且发现,如果将LLM-105的形状细化成无棱角的小的颗粒形状,会抑制热点的形成,进而提高了该浇注炸药的热安全性。还发现LLM-105含量的增加会导致点火源数量的减少,且点火时间会延长。陈军等[44]基于能量禁锢机制,认为添加剂石墨的形状也会对炸药的点火造成影响,研究发现层状和链状的石墨对PBX炸药有降感作用。张朝阳等[45-46]发现石墨和石蜡等的添加可以降低HMX炸药颗粒的感度,因为这些添加剂对炸药的表面有润滑作用。实际使用中会加入金属粉末以提高炸药的燃烧和爆轰性能。李军等[47]研究了乳化炸药间断乳化时的点火行为,发现当乳化基质中混有气泡或者硫粉和铝粉时,其临界点火温度急剧下降,危险性会大大提高。

2 热点点火的临界条件

如上所述,含能材料热点点火的影响因素是众多且相互制约的,尽可能多地将这些影响因素考虑在内建立一个能够较好地确定含能材料点火的点火判据是目前关于热点理论的重要课题之一。炸药在外界能量刺激下起爆过程的示意图[48]如图2所示。

图2 炸药在外界能量刺激下起爆过程的示意图[48]Fig.2 Schematic diagram of initiation process under external energy stimulation for explosive [48]

首先,在外界能量刺激下,炸药颗粒之间会产生摩擦、剪切、挤压等相互作用,机械能转化为内能,炸药内部的内能分布会因为材料内部本身的不均匀性而局域化,从而产生“热点”;然后,炸药内部的温升会加快炸药的热分解反应,当放热速率大于散热速率时,内能就会不断积累,进而导致温度不断升高;最后,当炸药表面局部温度增加到临界点火温度时,发生爆炸[48]。因此,炸药能否点火的关键是看炸药发生化学反应放热和热传导散热哪个处于优势地位[49],当炸药发生化学反应的放热速率大于热传导的散热速率时,炸药即可点火;反之,视为炸药的点火无法实现。也就是说,炸药的点火判据是对其开始发生自维持化学反应宏观条件的量化[50]。

关于非均相凝聚炸药点火的临界条件,国内外学者付出了诸多心血。首先是Walker和Wasley提出了非常著名的起爆判据p2τ=C[51],该判据分别从宏观角度(飞片输入炸药能量的角度)[51]和细观角度(黏弹塑性热点燃烧模型)[52]被证明。在该判据的进一步使用中,为了使其与实验结果符合得更好,胡双启等[53]对热点高压区内的侧向传播面积进行了修正,Peter等[54]引入点火延迟时间对该判据进行了修正。Rideal等[55]得到了热点增长过程中热点最小半径和热点临界温度之间的关系。Boddington[56]给出了热点升温的解析式,并且求出了热点温度升高至“无穷大”所需的时间。Thomas[57]得到了热点发生剧烈反应时的临界温度和与之对应的冲击波输入能量的解析关系。章冠人[58]通过热起爆理论的热点能量平衡方程式推导出了各种热点临界温度的近似公式。赵省向等[59]基于热爆炸理论计算了几种熔铸炸药的临界热点参数——临界尺寸和临界温度,并且就临界热点参数和撞击感度之间的关系进行了讨论。王鹏等[60]分别对桥丝式电火工品热点火的升温阶段和爆炸阶段建立了桥丝电热升温模型和绝对超临界化学放热模型,求解了恒定电流点火升温时间、电容放电点火升温时间以及爆炸时间,并定义了热点火的温度及其表达式。胡荣祖等[61]推导了估算含能材料热点起爆临界温度的Brucman-Guillet表达式,提出了估算起爆临界温度的数值方法,并且编制了相应的计算程序。张奇等[62]通过理论分析、数值模拟和实验研究,在直径为1mm的孔隙附近施加温度,探究了温度载荷在孔隙周围的传递过程和规律,并且给出了热点起爆的临界参数估算方法。覃锦程等[28]也探究了TATB和HMX炸药在不同冲击压力下的起爆临界阈值。

总之,炸药点火的关键是热点的尺寸、温度以及持续时间。这些热点的特征是相互制约的,热点尺寸越小,其温度反而越高。特别地,当热点的尺寸相当大时,其温度并不能维持剧烈的化学反应。大量研究已经表明,一般情况下,当热点的尺寸在0.1～10μm范围内,温度高于700K,持续时间为10-5～10-3s时,才能引发炸药的爆炸,否则热点只能引发炸药的热分解,直到最后热点消失,并不会引发炸药爆炸[63]。但是,关于热点的尺寸、温度以及持续时间与很多因素有关,并且涉及到力学、热学以及化学等多门学科的相关知识,想找到一个能够准确描述炸药点火的判据还需要进一步研究。

3 热点形成的微观机制

不同的炸药在不同的装药条件下会有不同的点火燃烧特性,其主要原因在于不同的炸药在不同的装药条件下引起的炸药点火机理是不同的。因此,仅仅通过炸药点火的一些表观现象是无法全面了解炸药的点火过程的,必须从热点形成的微观机制入手,搞清楚炸药是怎样起爆的,即炸药的热点是如何形成、长大及点火的,如何燃烧或爆炸的。而热点是如何形成的这一问题是炸药点火过程研究工作中的重中之重。国内外已经有大量文献报道了关于炸药热点形成的微观机制以及相关物理模型,目前公认的热点形成微观机制有:孔洞塌缩机制、剪切摩擦机制、气泡绝热压缩机制、裂纹尖端加热机制、以及晶体形变产生热点机制等。

3.1 孔洞塌缩机制

基于孔洞塌缩的热点形成特点为:冲击波与微孔洞发生相互作用,微孔洞受压塌缩,使得位于孔洞周围的炸药在孔洞中心产生会聚作用,产生的内能积聚在微孔洞中心,产生热点[30]。Kornfeld等[64]首次发现孔隙的不对称塌缩会使炸药发生点火。Mader[65]研究了圆柱形和球形孔洞与冲击波的相互作用,给出了热点的形成特征。大量研究表明,孔洞的塌缩机制是热点的主要产生机制。由于炸药的“热点”实验研究具有很大的局限性,研究炸药的起爆机理就需要建立相关的物理模型并借助计算机和数值方法来模拟炸药的起爆过程。为了探究炸药的起爆机理,研究者们建立了各种“热点”的物理模型。这些物理模型主要分为两大类:一类是不区分热点产生机制的经验模型;另一类是基于不同的热点产生机制,建立的能够反映冲击波传播过程中其与非均质炸药相互作用的微观力学模型。经验模型[66-71]虽然能够较好地反映炸药在起爆过程中的大部分特征,但是没有考虑热点的产生机制,也不能解释炸药的细观结构(例如炸药的孔隙率、颗粒大小等)对炸药起爆过程的影响。1972年,Carroll等[72]首次建立了延性材料的黏塑性空心球模型,将孔洞的塌缩过程分为3个阶段,分别为初始的弹性阶段、弹性到塑性的转变阶段以及塑性阶段,并且研究发现前两个阶段的孔隙率几乎无变化,因此只考虑了最后的塑性阶段。但是,对于低冲击条件下的孔洞塌缩,只考虑塑性阶段的假设是无效的。1981年,Khasaivov等[21]首次将黏塑性孔洞塌缩模型应用到炸药的冲击起爆中。到目前为止,基于孔洞塌缩机制的热点模型主要是Kim提出的弹黏塑性单球壳塌缩热点反应模型(见图3)[73]和段卓平提出的双球壳模型(见图4)[74]。

图3 Kim的弹黏塑性单球壳塌缩热点反应模型[73]Fig.3 Hot spot reaction model for collapse of elastic-visco-plastic single spherical shell proposed by Kim [73]

图4 DZK模型[74]Fig.4 DZK model [74]

弹黏塑性单球壳塌缩热点反应模型[73]是Kim在将弹性阶段和弹性到塑性转变阶段也考虑在内的基础上提出来的。炸药受到冲击压缩时,在孔洞周围会发生整体力学变形。但是,该模型并没有考虑力学变形的具体形式(剪切带、摩擦、射流冲击等),认为所有热点都是相似的,从而通过研究一个热点来代表炸药所有热点的特征。

基于Kim的弹黏塑性单球壳塌缩热点反应模型,大量的关于炸药热点点火的研究工作被报道。1994年,张振宇等[75]考虑了炸药的熔化效应,建立了多孔炸药黏塑性孔洞塌缩热点模型,研究了多孔低熔点TNT炸药的热点生成过程。把整个物质分成各含一个孔隙的相同空心球胞元,然后根据胞元的行为来研究整个多孔炸药的行为。该项研究工作忽略了密实材料本身受冲击压缩时造成的整体温升,但是当加载压力较大时,这部分温升并不能忽略。2008年,Whitworth等[76]考虑了孔洞弹黏塑性作功产生的温升,建立了弹黏塑性空心球孔洞塌缩模型。但是,该模型并没有将热传导对温升的影响考虑在内。2016年,成丽蓉等[77]考虑了孔洞在持续压缩、拉伸以及压缩交变两种不同外力等复杂受力的运动模式下的热点生成特点,建立了复杂受力环境下非均质炸药孔洞塌缩热点模型。前面提到的基于孔洞塌缩机制的模型都是基于固体基质不可压缩假设的基础上提出的,但是雨贡纽曲线表明,在高冲击条件下,固体材料的密度变化会对炸药温升有很重要的影响。因此,2017年,Li等[78]在Kim模型的基础上,基于广义胡克定律描述材料的可压缩性,求解了可压缩偏微分方程以及初始条件和边界条件的控制方程,提出了能够模拟“热点”形成的解析型可压缩弹黏塑性孔洞塌缩模型。

以上提到的模型均忽略了黏结剂效应,不能描述黏结剂在热点形成和点火阶段的力学影响。但实际上黏结剂炸药在实际中应用非常广泛,其在热点形成和热点点火过程中的力学影响是不能忽略不计的。于是,段卓平等[74]提出了含有黏结剂的双球壳塌缩热点反应模型。

基于双球壳塌缩热点反应模型,该团队做了大量的有关炸药点火的研究工作。2011年,该团队[79]假设黏结剂为刚塑性材料,炸药为弹黏塑性材料,建立了刚塑性黏结剂的双球壳塌缩热点反应模型。该模型能够解释了黏结剂强度对冲击起爆过程的影响,但是不能反映黏结剂含量的影响,也没有体现在冲击作用下炸药颗粒之间的摩擦、剪切等其他机制引起的热点点火。接着,他们假设黏结剂和炸药均为弹黏塑性材料,建立了弹黏塑性双球壳塌缩热点反应模型(即DZK模型)[80]。该模型不仅能够描述黏结剂强度对炸药起爆过程的影响,也能描述黏结剂含量对冲击起爆过程的影响。控制炸药整个反应过程的反应速率模型由点火项、Kim的低压慢反应项[81]和张振宇提出的高压快反应项[82]构成。2012年,该团队[23]采用原位锰压阻式压力测量技术进行了冲击起爆实验,研究了HMX颗粒尺寸对PBXC03炸药(组分质量分数为:87% HMX、7% TATB以及6% 氟橡胶)冲击起爆过程的影响。结果发现,由于精细的颗粒炸药具有更大的比表面积,使得热点成长更快,即精细颗粒炸药具有更好的敏感性。笔者也基于DZK模型进行了数值模拟,精细颗粒炸药的模拟结果能够与实验结果很好,但是中等颗粒和粗颗粒炸药的模拟结果与实验吻合地并不好,这可能是因为DZK模型只将一种点火机制考虑在内,使得模型太简单以至于不能准确地描述较为复杂的情况。2013年,该团队[83]建立了二元混合PBX炸药孔隙塌缩热点模型。该模型对每种组分建立了一个双球壳胞元模型,忽略了两种炸药组分在塌缩过程中的相互作用,假设两种炸药组分各自做球对称一维变形运动而互不影响。通过对两种炸药组分热点反应速率按照体积配比进行加权就得到了整个二元混合PBX炸药的热点反应速率。2014年,他们从理论和实验出发,验证了DZK热点反应速率模型能够很好地描述初始温度对炸药冲击起爆过程的影响[84]。2016年,该团队利用加权平均的思想,建立了适用于多元混合PBX炸药冲击点火的热点反应速率方程[85]。2019年,该团队对DZK模型的反应速率方程进行了修正,使该模型能准确描述平均颗粒尺寸对炸药冲击起爆过程的影响[24]。

3.2 剪切摩擦机制

在冲击作用下,含能材料的密度不连续处会迅速发生塑性变形。当冲击波进入含微孔洞的炸药时,在微孔洞正面的炸药可能会产生剪切,当冲击波冲入微孔洞后在其两边形成剪切带[1],剪切带内的摩擦生热使得温度升高,形成热点。很多文献已经报道了剪切摩擦是热点形成的有效机制[86-88]。在低温条件下,剪切摩擦被认为是复合推进剂热点形成的重要机制[89]。Dienes等[90]通过量级分析发现,对于颗粒填充聚合物类型的含能材料,如复合推进剂等,裂纹摩擦是在其内部产生热点的最可能机制。

大量的关于复合推进剂的点火机制被相继报道。1998年,Dienes等[90]首先提出使用统计裂纹力学(SCRAM)方法,探究HMX炸药的冲击点火问题。此项工作的一个不足之处是只考虑了张开型裂纹扩展,但是裂纹摩擦作为热点产生机制的前提条件是在裂纹闭合时裂纹之间产生滑移摩擦。基于此,2004年,陈广南等[91]将滑移型和张开型两种类型的裂纹扩展都考虑在内,建立了微观热点模型,分析了推进剂内部初始裂纹在机械冲击载荷作用下的扩展以及与反应气体产物的相互作用。通过数值计算模拟了不同压应力和剪应力以及裂纹扩展速度对推进剂内部热点形成的影响。结果表明,当作用在裂纹面上的压力一定时,其局部的温升随裂纹面的滑移速度增加而增加。但是,如果继续增加滑移速度,温升将随滑移速度增加的幅度变小。并且发现,裂纹间气相产物的存在以及外界压力对气体做功都会对推进剂内部热点的形成产生重要影响。2006年,陈广南等[92]分两阶段建立了裂纹摩擦的热点模型,对推进剂裂纹摩擦进行了分析探讨。第一阶段是无独立气层的开始阶段,此阶段的气体产物不会对上下裂纹之间的摩擦产生影响;第二阶段是有独立气层以后使得裂纹上下表面不再存在有效摩擦。但是,其计算结果表明,即使在第二阶段不再存在有效摩擦,由于气相与固相之间质量和能量的交换,裂纹面局部位置的温度还会继续上升,形成热点,从而使得推进剂着火燃烧。同年,该团队基于动力有限元方法,计算分析了机械撞击下发动机壳体与装药结构变形、推进剂内部细观裂纹滑移、扩展和热点的形成过程[93]。结果发现,当撞击速度增加到一定值时,推进剂初始裂纹将滑移和扩展,裂纹摩擦使表面温度升高。当撞击速度进一步增加,裂纹表面温度在短时间内迅速上升,此时装药内部形成高温热点,从而导致发动机着火燃烧。2013年,成丽蓉等[94]基于Dienes理论,建立了耦合宏观力学变形与微裂纹损伤演化的黏弹性炸药本构关系以及裂纹摩擦生热细观模型。利用数值模拟,分析了战斗部装药在不同侵彻条件下的损伤及热点生成机理。2016年,张家希[95]基于有限元方法,探究了摩擦刺激对固体推进剂温升的影响,发现由摩擦引起的温升并不能使炸药达到点火条件,化学反应放热才是导致炸药点火的主要热源。并且从实际出发,探究了管形自由装填炸药3种可能的危险高温热点。

3.3 气泡绝热压缩机制

一般情况下,材料在装药时会在其内部产生气泡。由于气泡的比热比固体炸药的低,在冲击作用下,气泡的温度会更高,从而在材料内形成热点。Bowden和Yoffe[6]也认为气泡绝热压缩是影响液体炸药感度的重要因素。Starkenberg[96]用活塞压缩含有空气隙的炸药,实验结果表明,空气隙的温度在绝热压缩时会上升,进而形成热点。根据理想多方气体绝热压缩后的温度表达式[1],可得出气隙内的初始压力越大,绝热压缩后的温度就越低。但是,该实验观察到的是炸药的感度随气隙初始压力的增加而增加。因此,Starkenberg认为不能仅用绝热压缩机制来解释非均相凝聚炸药的热点点火过程。Chaudhri等[97]发现该热点形成机制只适用于低冲击压缩速度且大气泡尺寸的情况。

3.4 裂纹尖端加热机制

在冲击作用下,炸药内部裂纹发生传播,由于在裂纹尖端处有较强的应力场,使得炸药材料发生塑性形变,从而形成热点[98]。Field[89]探究了炸药在冲击作用下的点火机理,并且提出裂纹尖端加热并不能使炸药达到点火条件。Yu等[99]对复合材料在不对称加载下的超音速剪切裂纹传播过程进行了模拟,结果发现,如果给裂纹尖端足够的能量,裂纹的传播速度可以达到超音速,并且在裂纹尖端通过的区域形成一连串的热点。该热点产生机制并不能解释单质晶体炸药的点火,只适用于具有一定颗粒尺寸的含能材料或者增强型复合含能材料的点火过程[98,100]。

3.5 晶体形变产生热点机制

晶体形变总是伴随着位错的增长。在平面滑移发展的同时,强剪切应变区域可能会出现具有相反帕格斯矢量的位错对。当它们相互作用时,会产生完整的结构并放出位错带有的能量[1]。但是,只有当含能材料层面压实,剪切应力值较高时,该热点形成机制才起主导作用[89]。

综上所述,可以发现,目前建立的有关“热点”形成的物理模型与实验还有一定差距,解决这一问题的根本是建立一个能够准确描述含能材料点火过程的多尺度多场耦合的热点反应速率模型。再者,目前有关含能材料“热点”形成并存机制的相关理论研究较少,但是在实际的含能材料中,热点的形成原因并不只是局限在一种形成机制中。例如,含有气体微孔洞炸药的热点形成至少应该由孔洞塌缩和气泡绝热压缩两种机制共同主导,而且还应该考虑炸药热分解反应的气体产物对热点形成的影响。因此,建立一个多元的热点形成微观机制是未来的一个重要研究方向。

4 结论与展望

含能材料发生爆炸的因素、条件和原因一直是含能材料起爆机理的重要研究内容[101-102]。由于热点的尺寸小,形成时间极短,且一般情况下含能材料都是光学不透明的,对于实验而言,跟踪和检测热点的形成、长大、点火和燃烧或爆炸过程是一项巨大的挑战。尽管有关热点的理论数值模拟工作已经取得很大进展,但是在完善热点理论的过程中仍面临许多重大挑战,具体表现在以下几个方面:

(1)目前的研究工作中大多都是基于一种热点形成微观机制建立的数值模型,这与实际中含能材料热点的形成并不相符。因此,建立一个多元的热点形成微观机制是非常有必要的。

(2)含能材料中热点的形成、长大、点火和燃烧或爆炸过程是一个多尺度变化、多场耦合的复杂过程,因此,建立一个关于含能材料多尺度多场耦合的本构方程也将是未来研究中的重要挑战。

(3)从热点形成的微观机制出发建立一个可靠的数值模型是理论和计算领域对含能材料热点研究的重要内容。从目前的研究成果来看,尽管已经取得很多研究进展,但是建立一个能够准确描述含能材料点火的热点反应速率模型还需要进一步深入研究。