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典型PBX炸藥動態壓縮及剪切點火機理研究

文章來源:《強激光與粒子束》編輯部   時間:2019-11-18 訪問數:

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在研究PBX炸藥配方安全性時,典型的做法是先開展機械感度研究,進行篩選配方,再進行成型藥柱的安全性試驗研究。目前,傳統的機械感度試驗,如撞擊感度,要求粉狀炸藥藥量僅為30~50 mg,而實際使用的炸藥件為成型裝藥,采用粉狀炸藥的落錘感度、摩擦感度難以表征實際應用時的安全性。而成型藥柱的安全性試驗,如Susan撞擊試驗、槍擊試驗、烤燃試驗等,藥柱直徑在50 mm以上,藥量百克量級,PBX炸藥制備成本高,實際操作復雜而困難。中等尺寸成型藥片的安全性試驗方法可以較好調和這一矛盾。通常,在Susan試驗、Spigot試驗等大型撞擊試驗中,成型藥柱主要受到撞擊壓縮或剪切的作用,導致炸藥點火。因此,設計成型藥片的安全性試驗方法時,主要考慮藥片受到撞擊壓縮、剪切等作用,分析炸藥在撞擊壓縮、剪切刺激作用下的響應行為,實現PBX炸藥配方篩選。為此,本文設計了撞擊壓縮試驗和撞擊剪切兩種試驗方法,對機械點火機理進行解耦,加深理解;并針對LLM-105配方進行安全性評價,以期尋找到能降低其藥柱撞擊感度的方法。

1  建立了炸藥壓縮刺激及剪切刺激的加載方法

結合高速錄像、沖擊波超壓測量及撞擊壓力測量,建立了炸藥藥片的壓縮、剪切試驗(如圖1所示),實現了對復雜撞擊過程刺激方式的初步解耦工作。

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采用高速錄像拍攝落錘撞靶過程,觀察落錘撞靶姿態,觀測炸藥反應情況,試驗錄像機幀速可達50 000/s。用自由場沖擊波超壓傳感器測量炸藥反應超壓。傳感器距離撞擊點約1 m、高度約0.5 m位置。在鋼座中心與鋼片表面間安裝PVDF壓力計,測量擊柱撞擊壓縮樣品過程中形成的撞擊壓力。試驗后對樣品殘骸進行了SEMXPS測試,獲得更多試驗信息。

2  針對典型LLM-105PBX炸藥開展了動態壓縮及剪切試驗,獲得規律認識

PBX藥片撞擊試驗高速錄象典型結果如圖2所示。從圖中可以看出,對于LLM-A炸藥,落高為3 m時,落錘與撞擊壓縮試驗裝置垂直撞擊,落錘撞擊試驗裝置后,作用一段時間,落錘反彈,未出現火光和黑煙,表明炸藥未發生點火反應;在落高為4 m,落錘撞擊試驗裝置后,裝置中有大量黃色煙霧及氣體噴出,表明此時炸藥發生了反應。

3是不同LLM-105PBX藥片撞擊壓縮試驗回收樣品殘骸照片。從圖可以看出,對于LLM-A炸藥,落高為2 m、3 m時,樣品被壓縮,樣品中無明顯可見裂紋;落高為4 m時,炸藥碎裂,仍回收有大量樣品,裝置表面有明顯反應痕跡;落高為6 m時,未回收有樣品,裝置表面有明顯反應痕跡。對于LLM-B炸藥,落高為3 m、4 m時,樣品被壓縮,樣品邊緣有可見裂紋,樣品與鋼片表面均有發黑現象,表明炸藥發生了輕微分解反應。

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對撞擊壓縮試驗回收的LLM-105PBX炸藥樣品進行SEM測試,結果見圖4。對于LLM-A、LLM-C、LLM-R、LLM-H炸藥,反應后炸藥表面均出現很多細孔,為炸藥表面材料出現反應氣化后留下;而對于未反應樣品,未見明顯變化。

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一共開展了五種配方的試驗,發現不同的配方在動態壓縮或剪切安全性方面有不同的表現。此外,獲得了含高品質與普通品質LLM-105主炸藥及氟橡膠、FOX-7、PEW等不同粘結劑的LLM-105PBX炸藥的點火響應規律及其影響因素。本研究獲得的相關規律對炸藥的研制具有重要的指導價值。

3  采用XPS技術分析試驗后樣品殘留物中F元素的含量變化,發現F元素含量變化與試驗結果密切相關

采用XPS技術分析撞擊壓縮、剪切后的LLM-105炸藥殘藥樣品。X射線光電子能譜(XPS)分析可以獲得材料表面的元素組成和化學態分布信息,能夠有效地分析試驗后炸藥表面的組分變化,為炸藥是否發生反應提供有力的證據。所研究的PBX炸藥主要含有C、H、O、N、F等元素。由于特定原因,主要需要關注F元素的含量變化。撞擊前后LLM-105PBXF元素的含量變化如圖5所示。從圖中可以發現F元素含量變化與試驗結果密切相關。

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