“原位”合成銅疊氮化物的爆速測試

李 兵，曾慶軒，李明愉，吳興宇

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“原位”合成銅疊氮化物的爆速測試

李 兵，曾慶軒，李明愉，吳興宇

（北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京，100081）

為了測試銅疊氮化物的爆速，采用多層疊片裝藥方式制成長藥柱，將鍍在約束殼體表面的細(xì)金屬線用作特殊的探針，測試了兩種裝藥直徑(0.8mm、1.0mm)下的爆速。測試結(jié)果表明：采用該特殊探針測試銅疊氮化物裝藥爆速的結(jié)果一致性好；當(dāng)裝藥厚度達(dá)到0.9mm時，銅疊氮化物已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定爆轟狀態(tài)；裝藥直徑為1.0mm時的平均爆轟速度為5 317 m·s-1，大于裝藥直徑為0.8mm時的平均爆轟速度5 229 m·s-1。

銅疊氮化物；爆速；探針法；多層疊片裝藥

銅疊氮化物由于具有極高的摩擦與撞擊感度，其應(yīng)用受到了極大的限制[1]，其爆轟性能也未得到系統(tǒng)的研究。然而，細(xì)顆粒的銅能夠與氣體疊氮酸在干燥的條件下直接原位反應(yīng)生成銅的疊氮化物[2]，這樣避免了銅疊氮化物在裝藥與壓藥過程中可能產(chǎn)生的危險，使得銅疊氮化物有了應(yīng)用的可能。2008年，Gerald Laib[3]通過“原位”反應(yīng)的方式合成了線性尺寸小于1 mm的銅疊氮化物裝藥，進(jìn)而起爆下一級裝藥。2009年，Daniel Jean[4]提出可將多孔銅與氣體疊氮酸“原位”合成銅疊氮化物裝藥，用于子母彈和40mm手榴彈等常規(guī)性彈藥中。隨著銅疊氮化物的應(yīng)用被重視，其爆炸性能（如爆速、爆壓等）需要更深入的了解，而目前很少見到報道。

爆速是表征炸藥的一個重要參數(shù)，無論在實踐上或是理論上爆速的測定都具有重要意義。爆速的測試方法可分為兩大類[5]：一類是利用各種類型的測試儀器或裝置測定爆轟波從一點傳播到另一點所經(jīng)歷的時間間隔，然后去除兩點間的距離，這樣就可得到爆轟波在兩點間的傳播平均速度，如探針法。第二類為高速攝影方法，即利用高速攝影機，借助于爆轟波面的發(fā)光現(xiàn)象將爆轟波沿裝藥傳播過程的軌跡連續(xù)地拍照下來，因此這種方法可以測得爆轟波通過任一點的瞬時速度。

無論采取何種測試方法，都必須將炸藥制成一定長度的藥柱，而由于銅疊氮化物的敏感性，制備一定長度的單一藥柱會存在很大風(fēng)險，所以本文采用多層疊片裝藥方式制成一定長度的藥柱，以降低爆速測試的危險性。

1 實驗部分

1.1 測試樣品的制備

實驗中，將塊狀多孔銅壓入聚碳酸酯約束殼體中，通過“原位”反應(yīng)的方式合成了銅疊氮化物單片裝藥，具體見參考文獻(xiàn)[6]，然后將多片裝藥疊起制成一個長藥柱。一般探針法測量炸藥的爆速是將探針插入所測試炸藥的內(nèi)部，但是由于銅疊氮化物的高度敏感性，將探針插入銅疊氮化物的內(nèi)部是不切實際的。圖1為測試樣品的實物圖。在約束殼體表面鍍上一層金屬薄膜，中間斷開的細(xì)金屬線作為探針用于測量銅疊氮化物的爆速，其厚度約為20μm，其間距即為裝藥直徑的長度。實驗中，制備了兩種裝藥直徑（0.8 mm、1.0 mm）的銅疊氮化物，用于測量不同裝藥直徑下銅疊氮化物的爆速。

圖1 測試樣品的實物圖

此外，裝藥密度是一個影響炸藥爆速的重要因素，一般來說，爆速隨著裝藥密度的增加而增加。裝藥密度的計算見式（1）~（2）：

式（1）~（2）中：為裝藥密度；2為帶有聚碳酸酯約束殼體的裝藥質(zhì)量；1為聚碳酸酯殼體的質(zhì)量；為裝藥體積；為裝藥直徑；為裝藥厚度。計算本實驗中所使用的銅疊氮化物的裝藥密度為2.29 g·cm-3。

1.2 銅疊氮化物的爆速測量

本實驗采用探針法測量爆速，測試原理見圖2。

圖2 爆速測量的原理簡圖

2 實驗結(jié)果與分析

不同裝藥直徑的銅疊氮化物裝藥在不同階段的平均爆轟速度如表1~2所示。

表1 0.8mm裝藥直徑下不同階段的平均爆轟速度

每一種炸藥在達(dá)到穩(wěn)定爆轟之前都有一個爆轟成長過程，即爆速隨著藥柱的長度增加而增加，最后達(dá)到一個穩(wěn)定值。因此，本實驗中改變起爆端至第1對探針之間的藥柱長度AB（0.3mm，0.6mm，0.9mm以及1.2mm），以使爆速的測試達(dá)到一個穩(wěn)定值，而這一個穩(wěn)定值即為銅疊氮化物裝藥的爆轟速度。從表1~2可以看出，隨著AB的增加，銅疊氮化物裝藥的爆速不斷增加，然而，當(dāng)AB從0.9 mm增加至1.2 mm時，銅疊氮化物裝藥的爆速基本不變。這表明，在AB為0.9 mm時，銅疊氮化物裝藥的爆轟已經(jīng)達(dá)到一個穩(wěn)定狀態(tài)，再增加AB的長度，銅疊氮化物裝藥的爆速基本不再增加。因此，可以得到0.8 mm和1.0 mm裝藥直徑的銅疊氮化物爆速分別為5 229m·s-1和5 317 m·s-1。圖3顯示了兩個快速上升的電壓信號。這表明，探針具有很好的靈敏度，這也說明該探針法測試銅疊氮化物爆速是合理的。圖4為0.8 mm和1.0 mm裝藥直徑銅疊氮化物的爆轟成長曲線。

圖3 示波器記錄的電信號

圖4 不同裝藥直徑銅疊氮化物的爆轟成長曲線

從圖4中可以看出，1.0 mm裝藥直徑的銅疊氮化物爆速要大于0.8 mm裝藥直徑的銅疊氮化物爆速。這是因為，爆轟波傳播與化學(xué)反應(yīng)的能量釋放速度與側(cè)向膨脹引起的能量耗散速度之比有關(guān)，而由側(cè)向膨脹引起的能量損失又隨裝藥直徑的減小而增大。即直徑越小，能量損失越大，因此1.0 mm裝藥直徑的銅疊氮化物爆速要大于0.8 mm的爆速，但增加值并不大，這說明0.8mm裝藥直徑大于該銅疊氮化物的臨界直徑。

3 結(jié)論

通過“原位”合成的方法制備銅疊氮化物可大大提高銅疊氮化物的使用安全性。采用探針法測試得到了銅疊氮化物的爆速，銅疊氮化物的爆速隨著直徑的增大而增大。因此可以通過增加銅疊氮化物直徑的方式提高銅疊氮化物的爆速。1.0mm裝藥直徑下的爆速達(dá)到5 317m·s-1，遠(yuǎn)大于相同密度下疊氮化鉛的爆速，也說明銅疊氮化物的爆轟性能要優(yōu)于疊氮化鉛。此外，該裝藥的臨界直徑小于0.8mm，說明該方法合成的銅疊氮化物可作為小尺寸裝藥。因此，通過“原位”合成方法制備的銅疊氮化物極有可能成為一種主流的微裝藥應(yīng)用于MEMS系統(tǒng)中。

[1] Matyá?, R. and P. Ji?í.. Primary Explosives[M]. Berlin: Verlag, 2013.

[2] Fair, H. D. and R.F.Walker. Energetic materials, physics and chemistry of inorganic azides[M]. New York: Plenum,1977.

[3] Laib Gerald. Integrated thin film explosive macro-detonator: US, 7739953[P]. 2010-06-22.

[4] Jean Daniel. MEMS micro-detonator based fuzing [C]//The 53rd Annual Fuze Conference.Coronado Springs Resort, 2009.

[5] 張寶坪,張慶明,黃風(fēng)雷.爆轟物理學(xué)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2001．

[6] Bing Li, Mingyu Li, Qingxuan Zeng, et al. In-situ fabrication of monolithic copper azide[J]. Journal of Energetic Materials，2016(34):123-128.

Measurement of Detonation Velocity of Copper Azides Prepared by ‘In Situ’ Method

LI Bing，ZENG Qing-xuan，LI Ming-yu，WU Xing-yu

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology，Beijing，100081 )

Aimed at measuring the detonation velocity of copper azides, the long grain was fabricated by piling up multi-charges, the thin metal wire deposited in confinement surface was used for a special probe, and the detonation velocity of charges with two diameter was tested. The results indicate that the measurement results are of good consistency through using this special probe, and copper azides have reached the stable detonation state when the charge length is 0.9 mm. The average detonation velocity of 1.0 mm charge diameter is larger than that of 0.8mm charge diameter, which are 5 317 m·s-1and 5 229m·s-1respectively.

Copper azides；Detonation velocity；Probe method；Piling up multi-charges

1003-1480（2016）02-0037-03

TQ560.72

A

2016-03-01

李兵（1987 -），男，在讀博士研究生，主要從事微裝藥研究。

總裝預(yù)研基金項目（批準(zhǔn)號：9140A05070111BQ0107）