物性對含能材料撞擊起爆感度的影響

李　健，沈　偉，崔　博，于復磊

(1.海軍航空工程學院，山東 煙臺　264001； 2. 91883部隊，山西 長治　046001)

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物性對含能材料撞擊起爆感度的影響

李健1，沈偉1，崔博1，于復磊2

(1.海軍航空工程學院，山東 煙臺264001； 2. 91883部隊，山西 長治046001)

摘要：為了研究物性對含能材料撞擊起爆感度的影響，利用WL-1型落錘儀對含能材料AP 、HMX、RDX進行撞擊感度測試，采用掃描電鏡(SEM)對落錘撞擊前后的樣品細觀形貌進行觀測。結果表明：AP塑性強，HMX、RDX脆性強，同等條件下，AP比HMX、RDX容易爆發(fā)；AP的撞擊感度隨著粒度的增大而減小，HMX、RDX的撞擊感度隨著粒度的增大而增大?？梢?，選取大粒度AP，小粒度HMX、RDX可有效降低撞擊感度。

關鍵詞：含能材料；撞擊起爆感度；掃描電鏡

本文引用格式： 李健，沈偉，崔博，等.物性對含能材料撞擊起爆感度的影響[J].兵器裝備工程學報，2016(7):149-152.

Citation format:LI Jian, SHEN Wei, CUI Bo, et al.Research of Physical Properties on Effects of Energetic Materials Impact Sensitivity[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(7):149-152.

各種形式的含能材料是推進劑、炸藥的主要能量源，其安全性直接影響推進劑、炸藥的安全性，撞擊、沖擊波、摩擦、熱、電、光等外界能量均可能引燃含能顆粒，產(chǎn)生自持的化學反應，形成火炸藥的燃燒或爆炸[1]。顆粒的尺寸等物性都是影響其安全性的關鍵因素，因此含能材料安全特性是國內(nèi)外安全性研究的一個重要內(nèi)容。

當前，國內(nèi)外學者對于推進劑撞擊起爆的研究主要集中在宏觀力學試驗測試和數(shù)值模擬研究。由于一系列戰(zhàn)場事故的發(fā)生，人們加深了對高能推進劑、炸藥沖擊起爆機理的研究[2]。含能材料機械撞擊感度起爆機理的研究經(jīng)歷了上百年的歷史，由“爆炸概率”、“特性落高”到“爆炸的臨界壓力，炸藥層的臨界厚度”共經(jīng)過了3個階段[3]。文獻[4]進行了落錘沖擊試驗，對沖擊前后顆粒進行了掃描電鏡觀測，分析了各類型顆粒受沖擊載荷后細觀層次上的響應。文獻[5]運用GJB77A—97標準中的601.1及602.1試驗方法研究了粒度對AP撞擊感度的影響，發(fā)現(xiàn)小粒度AP撞擊感度高于大粒度AP撞擊感度。文獻[6]中采用B3LYP/6-31G方法對HMX、RDX、CL-20等硝銨類含能化合物進行了計算和分析，發(fā)現(xiàn)硝銨類含能化合物的撞擊感度隨化合物顆粒粒度的增大而增大。

本文以推進劑、炸藥常用的AP、HMX、RDX顆粒為研究對象，運用落錘儀對以上研究對象進行撞擊感度測試，對撞擊前后的樣品進行SEM觀測，分析不同顆粒在沖擊載荷作用下的細觀形貌變化、粒度和塑性對顆粒撞擊感度的影響，為以這些含能顆粒為主要成分的火炸藥安全性分析奠定基礎。

1落錘撞擊試驗

1.1試驗對象

試驗以球磨顆粒AP、HMX、RDX為研究對象，對其進行落錘撞擊試驗，獲得50%爆發(fā)特性高度。試驗所用顆粒于2015年11月份出廠，試驗前經(jīng)過1周恒溫恒濕保存。試驗選擇6種粒度不同的AP，6種粒度不同的HMX，5種粒度不同的RDX。每一種顆粒從中擇優(yōu)選擇兩種粒度進行SEM觀測，其中選擇AP(III)和AP(IV)，尺寸為151μm和7μm；HMX(200目)和HMX(40目)，尺寸為75μm和280μm；RDX(5)和RDX(7)，尺寸為20 μm和60 μm進行電鏡觀測。其粒度如表1所示。

表1　顆粒試驗樣品粒度

1.2試驗設備及試驗方法

撞擊載荷的施加在1.8 m落錘儀上進行，落錘儀用標準炸藥標定合格，錘重1 000±10 g，擊柱、擊套、底座等其他儀器設備按照《QJ1271—87-復合固體推進劑沖擊感度測定方法》要求準備。圖1為WL-1型落錘儀及模擬示意圖。

顆粒撞擊試驗條件：室溫(20±2)℃，空氣濕度(60±5)%，樣品重(50±1)mg。

圖1　WL-1型落錘儀及模擬示意圖

制作好的樣品緩慢植入撞擊裝置中，托住下邊擊柱，輕輕轉動撞擊裝置，使樣品平鋪在下邊擊柱的工作面上，同時輕輕放入上擊柱，使上擊柱憑自重輕輕下滑至樣品表面，裝好的撞擊裝置如圖2所示。

圖2　已裝好藥品的撞擊裝置圖和模擬示意圖

每份樣品制作25發(fā)撞擊試樣，按經(jīng)驗逐步升高撞擊高度，使最高撞擊高度涵蓋樣品爆發(fā)高度，每個撞擊高度做3次沖擊實驗，至出現(xiàn)同一撞擊高度中既有爆發(fā)試樣又有未爆發(fā)試樣，并認為此撞擊高度可導致樣品細觀層次上的較大變化，根據(jù)需求選取撞擊前顆粒樣品、沖擊后未爆發(fā)、爆發(fā)樣品做電鏡觀測分析。

2試驗結果與分析

2.1SEM圖片與物性對顆粒撞擊起爆影響分析

1) AP(III)和AP(IV)的SEM圖片與分析

AP(III)和AP(IV)的SEM圖片與分析如圖3與圖4所示。比較含能材料AP、HMX、RDX顆粒受臨界落高撞擊的前后細觀形態(tài)可知，各種材料在受到機械撞擊時表現(xiàn)出的臨界力學行為差異較大，但爆發(fā)后的細觀形貌存在一定的相似性。

圖3　AP(III)粉體樣品受撞擊前后對比

圖4　AP(IV)粉體樣品撞擊前后對比

顆粒因物性的不同在臨界爆發(fā)點附近的力學行為也有較大的差異。如圖4和圖5所示，未爆發(fā)樣品SEM圖片表明即便承受較高速度的重錘撞擊，顆粒之間也表現(xiàn)出因數(shù)目眾多的顆粒發(fā)生很大的塑性變形而形成的團聚效應，顆粒破碎數(shù)目占比相對很少，受撞擊力下產(chǎn)生“貫穿條形”裂紋。爆發(fā)樣品SEM圖片顯示出顆粒受沖擊、壓縮、燒蝕以及顆粒間相互作用的結果，表面受燒蝕作用留下孔洞，受撞擊力作用導致局部表面平整。圖片顯示爆發(fā)很不完全，有一些樣品材料基本沒有反應。

2) HMX(200目)和HMX(40目)的SEM圖片與分析

HMX(200目)和HMX(40目)的SEM圖片與分析如圖5與圖6所示。與AP顆粒對應的大變形塑性材料不同，大粒度HMX在受臨界落高的重錘撞擊過程中，由于材料脆性大，塑性變形能力小，顆粒表面出現(xiàn)大量的破碎現(xiàn)象，形成眾多的表面裂紋，顆粒團聚不明顯。對比圖6和圖7中未爆發(fā)樣品SEM圖片，試驗結果表明：粗HMX受撞擊后確實容易產(chǎn)生表面裂紋，細HMX聚團后產(chǎn)生的表面裂紋等缺陷也大大多于AP和RDX顆粒。爆發(fā)樣品SEM圖片顯示HMX受燒蝕嚴重，由于脆性強，受力后顆粒破碎居多，更易形成熱點導致爆發(fā)。從爆發(fā)后殘留可以看出HMX的爆發(fā)也不完全，也是局部爆發(fā)，且HMX和AP爆發(fā)過程相似[7-8]。

圖5　HMX(200目)粉體樣品沖擊前后對比

圖6　HMX(40目)粉體樣品撞擊前后對比

3) RDX(5)和RDX(7)的SEM圖片與分析

RDX(5)和RDX(7)的SEM圖片與分析如圖7與圖8所示。RDX原樣品受落高沖擊后，未爆發(fā)樣品SEM圖片表面顆粒呈半壓潰狀態(tài)，即顆粒出現(xiàn)沖擊面，且仍有顆粒形貌存在，撞擊面周圍出現(xiàn)裂紋，基本無大小顆粒形貌，斷面出現(xiàn)分層現(xiàn)象，說明樣品內(nèi)里已被壓實。隨著擊柱下壓的同時，RDX樣品逐漸被壓實，呈薄片狀，樣品受較低落高沖擊后，撞擊表面上顆粒邊緣輪廓明顯，顆粒破碎現(xiàn)象明顯，沿顆粒周緣會出現(xiàn)較大裂紋。爆發(fā)樣品SEM圖片可以看出較大些顆粒破碎，溢出，燒蝕的情形，表面留下被燒蝕后的凹坑，在較大顆粒留下的燒蝕凹坑處容易形成“貫穿裂紋”。

綜上所述，AP、HMX、RDX顆粒在受到臨界落高機械撞擊時表現(xiàn)出的塑性、脆性力學性質差異較大，但爆發(fā)過程和殘留樣品細觀形貌存在一定的相似性。顆粒經(jīng)過臨界落高撞擊后體現(xiàn)出的塑性變形能力越強，表明吸收外來能量激勵的性能越好，AP塑性變形能力明顯高于HMX和RDX。HMX和RDX顆粒過脆，易于形成裂紋，就易于導致高速壓縮和裂紋之間尖點的相互作用，這樣由于摩擦作用形成“熱點”，材料就越不安全[9]。

圖7　RDX(5)粉體樣品撞擊前后對比

圖8　RDX(7)粉體樣品撞擊前后對比

2.2粒度對顆粒撞擊起爆影響分析

在考慮顆粒個性的同時還要考慮顆粒的集合性質。在顆粒種類確定后，顆粒的比表面積、形狀和尺寸就顯得尤為重要。粒度越小，比表面積越大，表面活性就越高，表面能就越大[10]。文獻[10]描述了顆粒種類、粒度對于感度的影響。試驗得到顆粒臨界撞擊感度結果如圖9所示，其中橫坐標表示d50，單位(μm)，縱坐標表示H50，單位(cm)。

圖9　AP、HMX、RDX的撞擊感度隨粒度變化圖

AP的50%爆發(fā)撞擊感度隨著AP的粒度的增大而減小，試驗數(shù)據(jù)表明球形AP直徑在20～40 μm時，撞擊感度隨著AP的粒度的增大而減小，且?guī)缀醭删€性關系；在AP的粒度大于40 μm時，粉體AP對撞擊顯示非常鈍感，爆發(fā)百分比很小。

圖7和圖9(a)表示粉體AP的顆粒尺寸影響還很明顯，只是在短時間內(nèi)受力撞擊下由于熔點高、延伸率高，粉體AP顆粒尤其是大的AP顆粒，更容易發(fā)生塑性變形，而不是產(chǎn)生熱點爆發(fā)，這也能解釋AP顆粒尺寸越大，試驗爆發(fā)百分數(shù)越低。

當HMX顆粒尺寸在0～50 μm時，HMX的撞擊感度升高迅速；在50～75 μm時，撞擊感度升高速度極快；在75～280μm范圍內(nèi)，撞擊感度升高緩慢，近乎緩慢線性增長；粉體RDX顆粒尺寸在0～35 μm時，RDX的撞擊感度升高趨勢緩慢；在35～60 μm時，RDX的撞擊感度升高趨勢迅速，近乎線性增長。

圖8、圖9表示粒度相同的AP和HMX、RDX，HMX、RDX的特性落高明顯低于AP特性落高，但是HMX、RDX的燒蝕程度明顯大于AP，顆粒過脆，延伸率低，導致HMX、RDX顆粒破碎數(shù)目居多，顆粒表面產(chǎn)生眾多淺表裂紋，顆粒更易破碎，產(chǎn)生熱點爆發(fā)，而非塑性變形產(chǎn)生聚團。且顆粒越大，這種規(guī)律性越明顯。

HMX和RDX的撞擊感度幾乎隨著顆粒尺寸的增大而升高，而AP的撞擊感度幾乎隨著顆粒尺寸的增大而減小，HMX、RDX顆粒的微型化，適當選用大粒度AP可以有效達到降低撞擊感度的目的。

3結論

1) AP、HMX、RDX本身物性不同對顆粒撞擊爆發(fā)有影響。AP塑性變形能力強，受撞擊后更易塑性變形產(chǎn)生團聚，而非形成熱點爆發(fā)。HMX、RDX規(guī)律則相反，顆粒脆性強，受撞擊后顆粒大量破碎，易于形成熱點爆發(fā)。

2) AP的撞擊感度隨著粒度的增大而降低，HMX、RDX的規(guī)律則相反。當AP粒度達到40 μm時，特性落高達到70 cm；HMX、RDX粒度分別達到280 μm、60 μm時，臨界落高均為10 cm，且隨著粒度的繼續(xù)增大，臨界落高基本不再變化。

3) AP、HMX、RDX顆粒受臨界落高沖擊后的爆發(fā)過程和殘留樣品細觀形貌存在一定的相似性。AP、HMX、RDX反應不完全，呈現(xiàn)部分顆粒的局部爆發(fā)，而非全部顆粒的整體爆發(fā)。

參考文獻：

[1]陳廣南，張為華.固體火箭發(fā)動機撞擊與熱安全性分析[M].長沙：國防工業(yè)出版社，2008.

[2]曹明川.固體推進劑沖擊響應實驗與數(shù)值模擬研究[D].煙臺：海軍航空工程學院，2014.

[3]金韶華，王偉，松偉才.含能材料機械撞擊感度判據(jù)的認識和發(fā)展[J].爆破器材，2006，35(6)：11-12.

[4]曹明川，邱欣，李慎,等.NEPE含能組份沖擊響應細觀對比分析[J].四川兵工學報，2013,34(11)：133-136.

[5]王彩玲，趙省向.不同粒度AP的機械感度[J].火炸藥學報,2006，29(12)：27-29.

[6]來蔚鵬，尉濤，廉鵬,等.粒度對硝銨類含能化合物撞擊感度影響的理論研究[J].計算機與應用化學，2014，31(7)：33-35.

[7]QJ1271—87,復合固體推進劑沖擊感度測定方法[S].

[8]陳天石，張玉若，張英浩.HMX粒度對其機械感度的影響研究[J].理論與探索，2006(5):33-36.

[9]松全才，楊崇惠，金韶華.炸藥理論[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1997.

[10]鄭劍.高能固體推進劑性能及配方設計專家系統(tǒng)[M].北京：國防教育出版社，2014.

(責任編輯唐定國)

收稿日期：2016-02-14；修回日期：2016-03-05

作者簡介：李健(1991—)，男，碩士研究生，主要從事火箭發(fā)動機使用工程研究。

doi:10.11809/scbgxb2016.07.032

中圖分類號：V435

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)07-0149-04

Research of Physical Properties on Effects of Energetic Materials Impact Sensitivity

LI Jian1, SHEN Wei1, CUI Bo1, YU Fu-lei2

(1.Naval Aeronautical and Astronautic University，Yantai 264001，China；2.The No. 91883rdTroop of PLA, Changzhi 046001, China)

Abstract:To research the physical properties on the effects of energetic particle impact sensitivity, the energetic material AP, HMX and RDX were tested by WL-1 drop weight apparatus, and impact before and after the drop hammer based on scanning electron microscope (SEM) samples of micro-structure were observed. The results show the strong plasticity of AP, and the strong brittleness of HMX and RDX. At the same condition, the AP broke out more easily than HMX and RDX, and the impact sensitivity of AP decreases with the increase of particle size, and the rule of HMX and RDX is the opposite. So the impact sensitivity can efficiently be reduced by selecting large-grained AP and smaller sizes of HMX and RDX.

Key words:energetic material; the impact sensitivity; scanning electron microscopy

【化學工程與材料科學】