李玉斌，李金山，向 永，徐瑞娟

（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳621900）

引 言

苏珊试验是一种弹丸撞击试验，用于评价装在弹丸中的炸药与靶面撞击时的安全性，对于实际应用时着靶时刻引信仍处于保险状态的情况来说，苏珊感度是一个十分重要的使用安全性项目。因此研究PBX 炸药在苏珊撞击中的响应，对于全面评估炸药部件的撞击安全性、指导装药与弹体设计，具有实际应用价值。

目前，对炸药粒度与撞击感度的关系尚存在不同观点。Albert Van Der Steen［1］采用苏珊试验考察了单质炸药的粒度与PBX 感度的关系，指出采用细颗粒单质炸药会降低PBX 炸药的感度，但未阐明其中的机制。国内外研究表明［2-3］，炸药的感度随着其粒度的变化尽管存在一定的趋势性，但并不完全遵循粒度减小、感度升高的规律。此外，炸药粒度分布范围以及分布峰形的差异也会直接影响炸药的感度［4-6］。

为了进一步从苏珊撞击感度角度认清炸药颗粒特性对撞击感度的影响规律，本实验研究了3种HMX 基PBX 的苏珊感度，比较了HMX 粒度级配对苏珊撞击感度的影响。

1 实 验

1.1 材 料

C-HMX，工业级，甘肃银光化工公司，形状不规则，粒度分布较宽，平均粒径29μm；D-HMX，高品质，由工业级HMX 经重结晶而得，形状规整，表面光滑，颗粒分布较窄，平均粒径分别为20、105μm。HMX 的颗粒特性见图1和表1。

图1 C-HMX和细颗粒D-HMX折光光学显微图Fig.1 Optical microscopic images with matching refractive index of C-HMX and fine D-HMX

表1 不同HMX 的颗粒特性Table 1 Particle character of several different HMX

1.2 样品的制备

将HMX、钝感剂及黏结剂按一定的质量比（94∶6）用溶液水悬浮法制成HMX 基PBX 造型粉（编号见表2）。将造型粉热压，制成相对密度为98.5%的药柱。

表2 HMX 基PBX 中HMX 的颗粒状态及力学性能Table 2 HMX particle character and mechanical property of several HMX-based PBX

1.3 感度测试

按照GJB772A-1997 方法610.1 进行。试验时，将炸药装入苏珊试验弹中，用炮将弹丸水平发射出炮口，并在弹丸飞行的正前方3.7m 处垂直竖立一装甲靶板。试验过程中可用空气炮通过调节大小气室及充气压力来调节弹丸的发射速度，可以实现从低速到高速的较大范围的撞击测试。

用高速摄影记录弹丸着靶姿态以及撞靶后挤压变形直至点火爆炸的过程；通过数据采集系统可以测量炸药爆炸后形成的空气冲击波超压，然后转换成相对释放能。根据测试结果，对药柱的撞击感度进行综合分析评价。

图2 HMX 晶体品质及颗粒尺寸对PBX 苏珊感度的影响Fig.2 Influence of crystal quality and particle size of HMX on the Susan sensitivities of HMX-based PBX

2 结果与讨论

2.1 HMX 晶体品质对PBX 苏珊阈值速度的影响

图2是不同品质、不同颗粒度的HMX 基PBX的苏珊感度曲线。

从图2可以看出，由不同品质HMX 晶体制成的PBX，在不同撞击速度下的感度曲线有明显差别。由于高品质HMX 晶体内部缺陷更少，低速撞击时产生的热点少，因而不易引起反应，撞击的阈值速度较含普通品质HMX 的高。但当撞击速度增大到一定值后（如120m／s），含高品质HMX 的PBX因颗粒不易破碎而产生大量摩擦生热，其反应程度大于含普通品质HMX 的PBX。

在苏珊试验中炸药的起爆机理属于热点起爆机理，起爆过程可分为点火和爆轰成长两个阶段。对撞击阈值速度起决定性作用的是点火阶段的影响因素［8］。炸药受撞击或摩擦时，并不是全部遭受机械作用的物质平均受热，而只是其中的个别部分，例如炸药内部的空穴、间隙等。外加的机械能集中在这些局部区域，形成热点，进而引起周围炸药颗粒表面燃烧而释放能量，燃烧逐渐发展成为爆轰。颗粒间的摩擦、晶体的缺陷、炸药塑性流变效应［9-10］等均可能导致热点的形成。由图1可以发现，普通品质HMX的晶体表面含有较多尖锐棱角，这些区域具有较高的表面能，性质比较活泼，容易形成导致反应发生的活性中心［11］，成为炸药在撞击作用下的热点来源；另外，普通品质HMX的晶体密度低于高品质HMX，其颗粒内部的缺陷明显高于后者，这两方面的因素结合起来，就使得含普通品质HMX 的PBX 炸药表现出更低的苏珊撞击反应阈值。

另一方面，炸药苏珊撞击感度也会受到爆轰成长过程的因素影响而产生不同的反应激烈程度。炸药颗粒在冲击波作用下发生塑性变形的难易对爆轰成长有重要影响。在试验过程中，弹撞击靶后，试样在弹与靶板之间受到强烈的撞击、摩擦以及粘滞流动等作用，炸药之间的相对运动距离大，在炸药的边缘部位往往会出现很大的剪切变形、剪应力和粘塑性功的耗散，就可能引起剪切起爆，进而成长为爆轰。在较高弹速时，由于高品质HMX颗粒晶体更为完整，药柱的模量更大，颗粒间更易产生强摩擦和剪切作用，生热量更大，相应地就更易发生后续反应而成长为爆轰。

2.2 HMX 粒度与PBX 苏珊撞击响应的关系

一般来说，压装PBX 炸药在其压制成型过程可能会出现晶体颗粒的破碎，但从回收的晶体粒度分析结果看，含细颗粒的PB-D-J0中HMX 的粒径分布基本上没有发生变化，而含大颗粒的PB-D-J5回收的HMX 的粒度分布变化很小，因此，可认为两种PBX 中HMX 的颗粒度在成型后没有变化。

从图2可以看出，尽管PBX 的配方相同，但HMX 的状态差异对苏珊试验的结果有一定的影响，颗粒级配的装药比细颗粒装药的反应程度略小一些，其反应阈值速度（59m／s）也要高于后者（47m／s）。这些差异主要与弹丸中炸药撞靶时的受力情况有关。撞击作用会引起炸药晶体破碎、挤压，在晶体间形成相当高的应力，而这种应力会在炸药内的缺陷处形成热点，进一步发展为剧烈反应。在该过程中，形成高应力的时间即应力形成的延滞期起重要作用。炸药的粒度不同，在受到摩擦和剪切作用时形成的内应力大小和持续时间也不同。细颗粒晶体因为不易破碎，高应力的持续作用较长，摩擦形成的热点一旦形成就易累积发展为剧烈反应，如PB-D-J0；而粗颗粒的割线模量比细颗粒小约100MPa，因此粗颗粒晶体相对于细颗粒则更易破碎，这会消耗一部分撞击能量，导致用于摩擦生热的能量相应就会小一些，如PBD-J5。

PBX 炸药在撞靶过程中的响应还受到药柱内部空穴大小的影响。药柱中颗粒间的微小空穴也是形成热点的主要原因。采用粗细颗粒级配，有利于进一步减小颗粒间空穴的尺寸，使得潜在热点的尺寸变小。由于热点大小与爆炸的临界温度呈反比，热点半径越小，爆炸临界温度越高，因此粒度级配炸药在苏珊撞击中的反应阈值速度较全为细颗粒的炸药更高些，反应的程度也要略低一些。

2.3 撞靶速度与PBX 响应程度的关系

由于苏珊试验条件本身的限制，虽然高速摄影能记录撞靶时刻的变形，但图像比较模糊，且因反应很快便会发出亮光与烟雾，因此现有的摄影技术手段几乎无法分辨出烟雾包裹下的铝壳及炸药撞击变形差异，因而主要依靠反应超压及残留炸药样品来区别。从图2及表3结果看出，在不同弹速下炸药的反应程度比较复杂。不同状态的炸药在弹速100m／s附近撞靶时的反应程度比较接近，相对释放能均在25%左右。

表3 3种PBX 炸药的苏珊试验结果Table 3 Results of several PBX in Susan test

不同撞靶速度会产生不同程度的响应，这与试验弹内炸药的受力状态发生变化有关。当试验弹撞靶时，其飞行的机械能几乎全部转化为内能作用在炸药上，引起炸药变形、生热以及后续反应。撞靶速度越大，作用在炸药上的能量也越高。

从试验结果看，可以认为在苏珊试验中存在一个撞靶的临界速度（约100m／s），低于该速度，则撞击时PBX 将会受到挤压作用，内部产生剪切变形，且挤压作用的持续时间较长，弹体的动能一部分被PBX 吸收后使PBX 温度升高、产生热点，进而产生化学反应直至出现爆燃或爆轰；在达到该速度后的一段区间内（100～150m／s），撞击作用产生的高应力使PBX 药柱迅速破碎，撞击能量被分散，作用时间很短，PBX 来不及发生强烈的化学反应，3 种炸药所产生的超压值基本在同一水平。而当撞靶速度更高时（约150m／s），弹内的PBX 药柱会迅速被挤出并撞靶，炸药颗粒间摩擦作用十分强烈，大部分发生分解反应，产生较高的超压值。当撞击速度增大到一定程度后（如120m／s），含高品质HMX的PBX反应程度大于含普通品质HMX 的PBX，分析其原因可能是高品质HMX 基PBX 模量大于普通品质HMX 基PBX，在高速时产生的颗粒间摩擦作用更强，生热更多，分解反应更强所致，但因目前表征药柱撞靶变形的手段不足，尚需进一步研究。

3 结 论

（1）压装PBX 炸药的苏珊撞击感度与所用炸药晶体颗粒的品质及粒度有关。使用高品质HMX，可以获得撞击阈值速度更高的压装HMX 基PBX；适宜的颗粒级配有利于提高PBX 的苏珊撞击起爆阈值，降低反应的程度。

（2）苏珊试验中存在一个撞靶临界速度（约100m／s），低于该速度，含高品质HMX 的PBX 反应程度小于含普通品质HMX 的PBX；高于该速度，含高品质HMX 的PBX 反应程度则大于含普通品质HMX 的PBX。

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