爆炸沖擊波在酚醛層壓材料中衰減特性的實驗研究

侯海周，彭金華，胡毅亭

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爆炸沖擊波在酚醛層壓材料中衰減特性的實驗研究

侯海周，彭金華，胡毅亭

（南京理工大學化工學院，江蘇 南京，210094）

為研究藥柱爆炸沖擊波在酚醛層壓材料中的衰減特性，利用錳銅壓阻傳感器，測量了藥柱爆轟輸出沖擊波經(jīng)不同厚度酚醛層壓材料隔板衰減后的沖擊波壓力，并計算得到?jīng)_擊波波后質(zhì)點參數(shù)。結(jié)果表明：藥柱爆轟輸出沖擊波經(jīng)酚醛層壓材料隔板傳播時，其峰值壓力隨隔板厚度增加呈指數(shù)型衰減，通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合，得到酚醛層壓材料中的沖擊波衰減規(guī)律。

爆炸力學；沖擊波衰減；酚醛層壓材料；錳銅壓力計

酚醛層壓材料是以酚醛樹脂（PF）為粘合劑，以棉布填料為基材，經(jīng)過加熱加壓層壓處理后，固化成層壓板、管材、棒料等制品，具有耐沖擊、耐磨損、減振吸熱、抗損傷等性能，且密度適中，越來越多地受到航空航天、包裝運輸、軍事防護等各領域的重視。

爆炸沖擊波在介質(zhì)中傳播時，由于受波后和邊側(cè)的稀疏作用，或者由于波陣面熵增、粘性阻尼損耗以及與應變率有關的本構關系等原因，會不斷衰減，波速和波陣面壓力逐漸下降，并最終衰減為應力波或甚至聲波[1]。關于介質(zhì)中爆炸沖擊波的衰減規(guī)律，國內(nèi)外學者做了大量的工作。蔡軍鋒等[2]運用實驗的方法，研究了超高分子量聚乙烯纖維增強聚氨酯泡沫對爆炸沖擊波的衰減性能。王永剛等[3]通過實驗和數(shù)值模擬對泡沫鋁中沖擊波傳播特性進行了研究，結(jié)果表明沖擊波在泡沫鋁中傳播時顯示出明顯的衰減特性。姜夕博等[4]用錳銅壓力計法測量了藥柱沖擊波在不同厚度有機玻璃隔板中的壓力，并分析討論了沖擊波壓力在隔板中的衰減特性。Miyake等[5-6]研究了沖擊波在直徑為50mm的有機玻璃隔板中的衰減特性。但對于沖擊波壓力在酚醛層壓材料中傳播的衰減規(guī)律目前尚未見到公開報道。沖擊波感度是從事爆炸以及防護等工作的研究人員非常關心的問題，而沖擊波壓力是描述炸藥近距離作用的主要參數(shù)之一，是沖擊波研究的重要內(nèi)容。在彈藥典型的傳播序列中，上下級火工品之間常采用不同厚度的密實介質(zhì)作為隔板，以實現(xiàn)準確的傳爆或隔爆效果，提高傳爆序列的可靠性和安全性。在炸藥、雷管的儲存、生產(chǎn)中，安全防護距離的確定等，都離不開對爆炸沖擊波壓力的研究。

本文采用錳銅壓阻傳感器直接測量爆轟波作用下酚醛層壓材料中傳播的壓力波形，并通過對所得數(shù)據(jù)（，）進行曲線擬合，來研究沖擊波在厚度小于40mm的酚醛層壓材料中的衰減規(guī)律。

1 實驗

1.1 實驗原理

錳銅壓阻傳感器是利用錳銅材料在動高壓下的壓阻效應，來測量沖擊波的壓力，其所使用的錳銅材料的電阻系數(shù)大，電阻隨壓力的增大而增大，電阻值的溫度系數(shù)又很小，甚至在熔點溫度附近，其阻值的溫度系數(shù)幾乎為零，因而可以認為在沖擊波作用時錳銅材料的電阻率只受壓力影響。

錳銅壓阻傳感器是一種有源壓力探測器，和脈沖恒流源一起組成使用。在恒流源向傳感器提供恒流的條件下，當傳感器受到外界壓力作用時，電阻變化和電阻上的電壓變化存在如下關系：

式（1）中：△/0為傳感器電阻變化率；△/0為電壓變化率；為恒流源提供的恒定電流。

在實驗時只需要用示波器精確測量傳感器的電壓變化△/0，就可以計算出沖擊波壓力峰值。該方法的使用需要預先標定錳銅傳感器的壓力與電壓的關系曲線——△/0，本實驗使用的錳銅壓力傳感器的標定公式為：

在實際測量過程中，錳銅傳感器與恒流源連接，其標定公式為：

1.2 測試系統(tǒng)和裝置

測試系統(tǒng)如圖1所示，用雷管引爆鈍化RDX藥柱，探針被激發(fā)，并發(fā)出信號使脈沖恒流源給錳銅壓阻傳感器提供恒流，同時示波器開始采集數(shù)據(jù)。沖擊波在酚醛層壓材料隔板中傳播，當沖擊波傳播至錳銅傳感器處，傳感器受壓后電阻發(fā)生變化，在示波器中就表現(xiàn)為電壓變化。波形存儲器記錄電壓變化過程，并測取電壓峰值max和基準電壓0，則△/0=(max–0)/0，代入錳銅壓阻傳感器標定公式即可求得對應的爆炸沖擊波壓力峰值。測試裝置中采用的恒流源最大電流9A；波形存儲器為HP54615B，頻響范圍為500Hz，取樣速率為1G/s；探針采用0.2mm漆包線制成。

圖1 沖擊波壓力測試系統(tǒng)示意圖

爆炸裝置如圖2所示，錳銅壓阻傳感器與酚醛層壓材料隔板緊密貼合，以減少側(cè)向稀疏波的影響，確保錳銅傳感器的敏感中心與酚醛層壓材料隔板的中心在同一軸線上；為減小爆炸沖擊波反射對測試結(jié)果可能產(chǎn)生的影響，在錳銅傳感器下面放置一塊相同材質(zhì)的酚醛層壓材料墊板，厚度為50mm。起爆采用8#電雷管，主裝藥為鈍化RDX藥柱，Φ40×50mm，密度1.604g/cm3。實驗所用試樣由3723酚醛層壓棒料經(jīng)機械加工而成，加工時保持試樣兩個端面間良好的垂直度和平行度，隔板直徑為40mm，厚度分別為0mm，1mm，3mm，5mm，7mm，10mm，15mm，20mm，25mm，30mm，35mm，40mm。

圖2 爆炸裝置示意圖

為便于傳感器的安裝和導線的連接，錳銅壓阻傳感器選用H型結(jié)構，見圖3。所選傳感器的敏感部分面積為0.5mm×1mm，厚度為10μm，由絕緣膜封裝。

圖3 H型錳銅壓阻傳感器結(jié)構示意圖

1.3 實驗結(jié)果與討論

由實驗所得的典型波形見圖4，由圖4可見，采集基線在1處出現(xiàn)干擾信號，這是脈沖恒流源收到探針的觸發(fā)信號后，開始工作時在錳銅壓阻傳感器上產(chǎn)生的干擾信號；示波器在2～3間采集的為錳銅傳感器的初始電壓，此電壓與基線之間的電壓差為0，在3～4間采集的是錳銅傳感器受爆炸沖擊波作用時的壓力值，此電壓與初始電壓的差值為△，根據(jù)式（3），將實驗測得的電壓變化率換算成沖擊波峰值壓力。實驗測量爆炸沖擊波在不同厚度酚醛層壓材料隔板的壓力峰值見表1，沖擊波壓力數(shù)值均為2次有效測量的平均值。

圖4 示波器采集到的典型波形

表1 實驗測得的沖擊波峰值壓力

研究表明[7]，爆炸沖擊波在密實介質(zhì)中的傳播行為呈指數(shù)衰減規(guī)律，衰減系數(shù)取決于介質(zhì)的Hugoniot參數(shù)，與沖擊強度無關。因此采用如下的指數(shù)函數(shù)衰減來進行擬合。

式（4）中：0為爆炸沖擊波進入酚醛層壓材料隔板時的初始壓力，GPa；為沖擊波進入酚醛層壓材料隔板傳播距離處的壓力，GPa；為酚醛層壓材料隔板中沖擊波壓力衰減系數(shù)。

為了便于實驗數(shù)據(jù)（，）關系曲線擬合及擬合精度的提高，對式（4）取自然對數(shù)：

ln=ln0-（5）

得到一個直線關系式，待定參數(shù)為直線截距l(xiāng)n0和斜率-。根據(jù)表1數(shù)據(jù)得到（ln，）的散點圖，擬合出ln——曲線，如圖5所示。由圖5可見，參量ln與呈直線關系。

圖5 擬合的lnp和x關系曲線

擬合的直線方程為：

其線性相關系數(shù)為-0.994 64，具有很好的線性相關。這說明，爆炸沖擊波壓力在酚醛層壓材料中的衰減規(guī)律符合理論模型。

把參數(shù)ln0=3.165，=0.045 84帶入式（4）得：

2 沖擊波波后質(zhì)點參數(shù)的計算

通過測量爆炸沖擊波波后質(zhì)點的速度，研究固體介質(zhì)中沖擊波壓力是最常用的方法。由于上文已經(jīng)通過錳銅壓阻傳感器直接測量了沖擊波壓力，此處根據(jù)沖擊波壓力來計算沖擊波波后質(zhì)點的參數(shù)。

在凝聚介質(zhì)中爆炸沖擊波速度與其波后質(zhì)點速度之間，在相當寬的速度范圍（或壓力范圍1.7～200GPa）內(nèi)存在著線性關系[8]，即在酚醛層壓材料中沖擊波速度與波后質(zhì)點速度的關系式為：

式（8）中：為沖擊波速度，km/s；c0和λ為常數(shù)，c0＝2.81km/s，λ＝1.45；u為波后質(zhì)點速度，km/s。

沖擊波質(zhì)量、動量守恒的基本關系式如下[1]：

由實驗已知道鈍化RDX藥柱在不同厚度酚醛層壓材料隔板處的沖擊波壓力，根據(jù)式（8）、式（9）和式（11）可以計算得到?jīng)_擊波波后質(zhì)點的其他參數(shù)，計算結(jié)果見表2。

表2 沖擊波波后質(zhì)點參數(shù)

對沖擊波速度、波后質(zhì)點速度和密度數(shù)據(jù)也分別按照指數(shù)衰減模型：=0e-進行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果分別是：沖擊波速度的衰減模型為（0≤≤40mm），衰減系數(shù)0.012 03；波后質(zhì)點速度的衰減模型為（0≤≤40mm），衰減系數(shù)為0.028 69；波后質(zhì)點密度的衰減模型為（0≤≤40mm），衰減系數(shù)為0.007 01。比較沖擊波壓力、速度、波后質(zhì)點速度和密度的衰減系數(shù)可知，沖擊波壓力的衰減系數(shù)最大，波后質(zhì)點密度的衰減系數(shù)最小，表明隨著沖擊波在酚醛層壓材料隔板中的傳播距離的增加，沖擊波壓力衰減最快，而波后質(zhì)點密度衰減最慢。

3 結(jié)論

（1） 鈍化RDX藥柱爆轟輸出沖擊波經(jīng)酚醛層壓材料隔板傳播時，其峰值壓力隨隔板厚度增加呈指數(shù)型衰減，其衰減規(guī)律為=23.68e-0.045 84x，衰減系數(shù)為0.045 84。

（2）隨著沖擊波在酚醛層壓材料隔板中的傳播距離的增加，沖擊波壓力衰減最快，而波后質(zhì)點密度衰減最慢。

[1] 李維新.一維不定常流與沖擊波[M].北京:國防工業(yè)出版 社, 2003.

[2] 蔡軍鋒,易建政,續(xù)新宇,等.UHMWPE纖維增強聚氨酯泡沫對爆炸沖擊波衰減性能的影響[J].高分子材料科學與工程,2009,25(4):119-122.

[3] 王永剛,胡時勝,王禮立.爆炸載荷下泡沫鋁材料中沖擊波衰減特性的實驗和數(shù)值模擬研究[J].爆炸與沖擊,2003,23(6): 516-522.

[4] 姜夕博,饒國寧,徐森,郭聳,王建靈,金朋剛,彭金華.沖擊波在有機玻璃中衰減特性的數(shù)值模擬與實驗研究[J].南京理工大學學報,2012,36(6):1 059-1 064.

[5] Miyake A, Mori S, Ogawa T, et al. Shock attenuation behavior in PMMA gap using direct pressure measurement [C]// Twenty-ninth International Pyrotechnics Seminar. Westminster, Colorado, USA,2002.

[6] Mori S, Miyake A. Takahara K, et al. Recalibration of shock attenuation in PMMA gap by direct pressure measurement [C]//4th International Symposium on Impact Engineering. Kumamoto, Japan,2001.

[7] 張春生.凝聚材料中矩形脈沖的衰減[J].爆轟波與沖擊 波,1986(1):43-53.

[8] 張俊秀,劉光烈.爆炸及其應用技術[M].北京:兵器工業(yè) 出版社,1998.

Experimental Study of Shock Wave Attenuation Properties in Phenolic Cotton Fabric Material

HOU Hai-zhou, PENG Jin-hua, HU Yi-ting

(School of Chemical Engineering, NUST, Nanjing, 210094)

In order to study the characteristics of shock wave attenuation in phenolic cotton fabric material, the explosive detonation wave from charge was transmitted through phenolic cotton fabric material with different thickness, and the attenuated shock wave pressure was measured by manganin gauge, as well as the impact of particle parameters after wave was calculated. The results show that the shock wave is obviously attenuated in the transmission process of the phenolic cotton fabric material, and the attenuation law of shock wave is obtained by fitting the experimental data.

Explosion mechanics；Shock wave attenuation；Phenolic cotton fabric material；Manganin gauge

1003-1480（2016）02-0013-04

TJ450.1

A

2016-01-05

侯海周（1979 -），男，工程師，主要從事系統(tǒng)安全研究。