含能材料机械撞击感度判据的认识和发展.pdf

2 0 0 6 年 1 0 月含能材料机械扭击感度判据的认识和发展金韶华等 含能材料机械撞击感度判据的认识和发展 金韶华 ① 王 伟② 松全才 ① . ①北京理工大学材料科学与工程学院 北京， 1 0 0 0 8 1 ②中国北方化学工业总公司 北京， 1 0 0 8 2 1 〔 摘要〕 搜击感度“ 判据” 的发展进程经历了上百年时间， 由“ 爆炸概率” 、 “ 特性落离” 到“ 姗炸的临界压力， 炸药 层的临界厚度” 共经过了三个阶段. 姗炸概率粗犷地区分各类炸药的搜击感度， 特性落高可辨别每类炸药的搜击感 度， 尤其是高感度的炸药， 如硝胺类化合物， 而爆炸的临界压力和炸药的临界厚度则反映了在搜击作用下炸药发生 快速反应的机理， 可以更细微地分辨每种炸药的 搜击感度。 爆炸概率和特性落高适用于炸药搜击感度的常规检测， 爆炸的临界压力和炸药的临界厚度适用于炸药撞击感度的理论研究。 〔 关键词〕 搜击感度 爆炸概率特性落高Hs o 姆炸的临界压力炸药的临界厚度 [ 分类号〕 T Q 5 6 0 . 7 ; 0 6 2 6 1 引盲 撞击感度是含能材料的一个重要性质， 撞击感 度判据发展的历史过程表明人们对于撞击感度机理 认识的发展过程。 1 0 0 多年来， 可以认为撞击感度的 判据发展经历了下列三个阶段 1 一定试验条件 如落锤质量、 落锤高度 下的爆炸概率， 2 特性落 高Hs o ， 相应于爆炸概率5 0 呱的落高值; 3 在爆炸 时， 炸药层内形成的临界压力 P Q 和临界厚度 h Q 。 在 1 9 0 5年前后， 德国科技工作者 Wi l l 和 K a s t [ 1 7 分别发表了测试炸药安全性的文章， 使用了 直至目 前仍使用的落锤仪〔 2 “ s ] o 1 9 1 2 年国际应用化 学会接受该仪器为通用标准， 为炸药界公认。 该法是 采用爆炸概率作为判据。1 9 7 0 年左右， 出现了用特 性落高 Hs o 表示撞击感度的方法， 且很快地为国 际含能材料界公认〔 3 -9 ] ， 涌现了大量以Hs 。 为判据， 研究分子结构与撞击感度关系的 研究者〔 7 - 2 0 ] 。 在研 究撞击感度的化学物理机理方面， 前苏联科学家 X o n e s o H . 发现了炸药的 撞击感度和测定时使用的 工具 撞击仪器 形状有关[ 2 1 2 3 7 ， 而A b a ci a c a e s I . [ 2 1 ] 和g y 6 O B H x A . [ 2 2 〕 则深人 地 研究了 在 撞击 作用 下， 炸 药形成的动态应力以及随后出现的化学物理现象， 于2 0 世纪末提出了表达含能材料撞击感度的另一 种判据， 即炸药在撞击作用下， 发生爆炸时的临界压 力 p a 和临界厚度 h a . p , , h 。 不但精细地 h e., 值可 准确到士。 . 0 1 m m 表达了炸药的撞击感度的特性， 而且还具有确切的物理意义、 理论意义。 2 浮炸概率 用爆炸概率作为撞击感度的判据已有百年的历 史， 尽管其具体表达方法有所不同， 但是原理是相 同的。 这个判据可将常见炸药区分开来， 如当落锤为 1 0 k g ， 落高为2 5 c m条件下， 特屈尔的爆炸概率约 为 5 0 0 0 ， 高感度的硝胺类炸药 R D X约为 8 0 0 o H MX为1 0 0 纬; 而大部分的工业粉状、 浆状、 乳化炸 药的爆炸概率为零。作为撞击感度判据的爆炸概率 将常见炸药予以粗犷地分类， 即分为钝感、 中等感 度、 敏感三类， 对于中等感度炸药， 如特屈尔、 苦味酸 可以较明显地区分， 但对于敏感炸药【 如H MX 、 双 三硝基乙基一 氮硝基 乙二胺〕 ， 其爆炸概率均近于 1 0 0 0 o ， 则不能有效区分。这就是爆炸概率判据的不 足之处。 用爆炸概率为判据， 测定撞击感度的过程 服从概率规律， 在一定的置信度范围内 例如 9 5 0 0 的置信度 评价测试结果的平行性 准确度I s ] 。 以 特屈尔为例， 根据国 军标规定C a l ， 其爆炸概率范围为 2 8 0 0 - 4 8 0 o ， 变化范围竟达2 0 0 o ， 低于T N T的钝感 炸药的爆炸概率则更难于确定。这意味着， 作为判 据， 爆炸概率只是粗略地区分炸药的撞击感度， 不能 确切地、 具体地表达炸药感度的区别。 3 特性落高 特性落高法是以固定落锤质量为前提， 测定爆 炸概率为 5 0 写时的相应落锤高度 Hs o 、 以该值表 示炸药的撞击感度[[ 2 ,6 ,9 , 2 4 。 这个方法在最大程度上 体现了炸药的特性， 减少了在测定爆炸概率时可能 有的 统计性误差.由 于落高的变化范围 较大[ 2 4 1 ， 可 . 通讯联系人. .1 2.爆 破 器 材 E x p l o s i v e M a t e r i a l s第 3 5 卷第 6 期 以测出不同类炸药的感度排列顺序， 确切而具体地 体现某个炸药的撞击感度。关于Hs o 值测定的误差 问题， 郑孟菊[ 2 1 曾做过详尽的研究。 决定H。 值偏差 的因素是调整落高时的步长 d 。 在实际测定中， 步 长和标准偏差 S 的关系应为。 . 5 S d 2 S ， 而S 值则由测定时所取发火数或不发火数的性质决定。 所以， 决定Hs o 测定的精度是步长， 在实际工作中， 步长常取对数落高值的0 . 1 或。 . 0 5 ， 因之， 相应的 标准偏差值的对数值就在。 . 0 6 -0 . 1 8 。精度相当 高。 美国的L o s A l a m o s 研究所曾发表过系列炸药 的特性落高值。分析其中的数据发现， 3 4 个单体炸 药的Hs o 值有2 6 个的1 g s 值小于。 . 1 , 1 4 个浇铸混 合炸药中有1 0 个样品的1 g s值小于。 . 1 , 6 0 个塑 料粘接炸药中 有5 8 个样品的1 g s 值小于。 . 1 。 在表 1 中列出了美国某些有关炸药的Hs o 数据， 可供分析 测定 Hs 。 的误差。 表 1某些炸药的Hs o 及相对误差 样品伽1g s S / c m / cm 相对误差 / P BX9 0 1 1 9 4 0 4 9 0 0 1 9 4 0 7 8 3 HMX / 1 7 T e f l o n 7 4 R D X / 2 0 A 1 - 5 . 4 蜡 1 2 . 5 1 6 . 2 2 3 . 7 2 7 . 9 4 4 . 8 3 3 . 0 4 8 . 3 3 9 . 1 3 7 . 0 6 1 . 4 5 0 . 3 0 . 0 2 0 . 0 5 0 . 0 7 0 . 0 9 0 . 0 1 0 . 0 2 0 . 0 6 0 . 0 5 0 . 0 3 0 . 1 0 0 . 0 4 1 . 0 5 1 . 1 2 1 . 1 7 1 . 2 3 1 . 0 2 1 . 0 5 1 . 1 5 1 . 1 2 1 . 0 7 1 . 2 6 1 . 1 0 8 . 4 6 . 9 4 . 9 4 . 4 2 . 3 3 . 2 2 . 4 2 . 9 2 . 9 2 . 1 2 . 2 表1 的数据表明， 利用特性落高法评价炸药的 撞击感度时， 相对误差较小。对于太安来讲， 由于它 的Hs 。 绝对值小， 误差会达到7 写, . ., g o o ; 对于R D X 讲则误差已降到约5 0 0 ; 对于P B X来讲， 则相对误 差只有 2 0 o -3 0 0 。因此， 利用Hs o 值评价P B X的撞 击， 炸药的钝感程度是适当的， 具有相当的准确程 度。 美国和苏联的众多科研人员也发表了大量的相 关数据[C } .s .u ] ， 为广泛研究化合物结构对于 撞感的 关 联提供T资料依据， Wi l s o n [ 8 〕 曾批评K a m l e t D 〕 的 H。 数据， 但是他的出发点不是认为Hs 。 值不准确， 而是批评 K a m l e t 所测样品的某些不确定性， 例如 Wi l s o n 将 T N T分为2 , 4 , 6 - T N T , 2 , 3 , 4 - T N T, 3 , 4 , 5 - T N T ， 分别测出T其HS 。 值， 而不是如K a m l e t 只笼统地测了一种T N T ， 且没标明其具体结构。 4 爆炸的临界压力， 炸药层的临界厚度 炸药撞击感度判据的下一步发展则是在撞击作 用下， 炸药发生爆炸时的临界压力P c r 和层厚h e., . P a 和h a 值与在撞击作用下， 炸药发生快速反应 热爆 炸， 燃烧， ⋯⋯ 的机理有关。 早在5 0 年代， 苏联学者X O J I e B o H . 就发现炸药 爆炸概 数和 所使用的 撞击仪器有关[[ 2 3 1 , A H A p e e e K . 大力宣传了X o n e e o H . 的发现。 此后， 在苏联科学院 化学物理所感度实验室主任 A H A p e e e K . 推动下， A 中 a a a c b e B I . uz i 〕 和及 y 6 o B H ‘ 人 . [， ， 〕 利 用 拉 力 应 变 仪 ， 详尽地研究了撞击作用下， 不同相态炸药的物理、 力 学变化， 炸药颗粒或液层间的动态应力， 这种动态应 力 压力 和样品厚度与发生爆炸概率有关系。炸药 样品受撞击作用后， 样品内部形成的动态压力和时 间关系图表明， 样品受撞击作用后， 首先出现压力上 升， 到某一值P o ， 稍后则出现爆炸; 然后压力急剧下 降， 之后又上升。 由压力P 。 到曲线的低谷处， 时间间 隔很少， 只有1 0 JA S , 爆炸就出现在这瞬间。 爆炸反应 服从热爆炸规律， 而由样品的层厚 h 与发生爆炸的 关系可以看出， 当层厚值较大时， 爆炸概率为 0 ; 只 当h 值到达某一临界值h a 时， 爆炸概率为1 ， 而后h 值如再减少， 则爆炸概率保持为1 即发生爆炸 。 h a 的值对应着某个压力值p a o h 。 值可用螺旋测微计精 确到士0 . 0 1 m m 。 不同样品具有不同的P - , h c r 组合。 P 二 值由 样品自 身的物理、 力学性质和h a 值决定。 不 同 类炸药的P U 值区别相当明显。 在表2 中列出了某些常见炸药的P 二 和h a 值的 测定结果[ 2 5 1 。 表 2 某些炸药的P a . h c r 值 凡 / mmp a / G P a 0山口匕乙︸门了 ，上9曰0曰勺‘ . 0000 芳香 硝基 化合物 硝胺、 硝酸醋 TNT 苦味酸 P . A T e t r y l RDX HMX P ETN 0 . 0 8 0 . 1 1 1 . 1 0 0 . 9 5 0 . 9 4 0 . 6 4 0 . 7 1 0 . 4 9 表2 的数据表明， 不同类炸药的临界压力p 二 值 差别相当明 显， 可达2 倍之多。 只有同 类样品 即p “ 值相近 才能依据其h , 值对比其感度， 而h u , p 。 的 组合则表示不同类炸药的撞击感度。 凡值可由理论上进行计算[[ 2 5 1 ， 这点非常重要。 C c N h e r 测定时需要相当复杂的仪器和记录系统， 测 定程序也较为复杂， 不适用于常规测定， 只用于科学 研究、 理论探索。 2 0 0 6 年 1 0 月含能材料机械挂击感度判据的认识和发展金韶华等.1 3. 由粗犷的、 只能大致区别炸药感度的判据 爆炸概率， 发展为可以较精细划分每类炸药， 尤其是 高敏感度炸药的判据Hs o ; 再由Hs o 发展到判据 组 p e K A y C T p o e H mm “M y C T B H T e n b H o c T b w ‘y A a p y H H T p 0 0 0 e A H H e H H A 口 〕 . I X A H C C C P . 1 9 9 5 , 3 4 4 6 4 6 - 6 4 9 1 9 J I H T B a H o e B B . C o n K a H B H, D a A H 3 H n b 6 e p r A A .”A p y r x e , P a c v e mb M M c T o A o l l e H K H 4 y c T B H T e n b H o e T N B B x M e x a H H y e c x H M s o 3 A e A c T 6 31 A M [ J ] . Z A H C C C P . 1 9 9 5 , 3 4 1 4 8 7 - 4 9 0 2 0 B e n H K A B , C n y K C H, I I O T e M K H H B A . P a c v e T 4 y w m H T e n b H o c T H o p r a H H 4 e c x H x B B‘Y A a P Y [ J ] . D H 3 H K a r O p e H H A”B 3 p b e a . 1 9 9 9 , 3 5 1 0 7 -1 1 2 2 1 A d a H a c b e e I T , B o 6 o n e B B K . Y I H H U t p o B a H H e T H e p A b i x B B . ‘ y u a p y [ M] . M o c K B a H a y x a . 1 9 6 8 , 8 x 2 2 , 3 2 - 3 9 2 2 J [ y 6 O B H K A B , B o 6 o n e B B K . i i y e c T 6 H T e n b H O O T b IK H A K M X B 3 p b n w a T b ix c 二 二M x y A a p y [ M] . M o c x s a H a y x a . 1 9 7 8 , 7 - 2 1 2 3 X o n e s o H .T e o p H A B B , c 6 o p H H 1C c T a T e A [ M] . M o c x e a .1 4爆 破 器 材 E x p l o s i v e Ma t e r ia l s 第 3 5 卷第 6 期 r o c y A a p c T B e H H o e H a y M H OH 日 月 a T e 月 b e T 日 O, 0 6 o p o r H 3 . 1 9 6 3 , 5 - 2 0 国防科学技术委员会. G J B 7 7 2 A - 9 7 验方法， 搜击感度， 特性落高法〔 S ] . ， 感度和安全性实 北京 国防科工委 军标出版社. 1 9 9 7 2 5 及 y 6 O B H x A B . O g e x x a r r a p a m e T p m p a 3 p y w e H H J I “ H H H I w p o R a H H e w p b rB m a m ix m a w p H a l lo B y A a p o m [ J ] .。 。 。 r O p e H H H“wp b m a . 1 9 9 9 , 3 5 2 8 8 - 9 5 U n d e r s t a n d i n g a n d D e v e l o p m e n t o f C r i t e r i a o f I m p a c t S e n s i t i v i t y o f E n e r g e t i c Ma t e r i a l s J i n S h a o h u a m , W a n g W e i O , S o n g Q u a n c a i m l S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , B e ij i n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y B e i j i n g , 1 0 0 0 8 1 ②C h i n a N o r t h C h e m i c a l I n d u s t r y C o m p a n y B e i j in g , 1 0 0 8 2 1 [ A B S T R A C T ] T h e d e v e l o p m e n t o f c r i t e r i a o f im p a c t s e n s i t i v i t y I S o f e x p l o s i v e s c o n t i n u e d a b o u t h u n d r e d y e a r s . T h e r e a r e t h r e e s t e p s o f t h is d e v e l o p m e n t f r o m c r it e r i a “ e x p l o s i o n p r o b a b il i t y “ , “ c h a r a c t e r i s t i c h e i g h t “ t o “ c r i t ic a l p r e s s u r e p a o f i n i t ia t i o n a n d c r i t ic a l t h ic k n e s s h . o f e x p l o s i v e s “ . E x p l o s io n p e r c e n t r o u g h l y r e f l e c t t h e I S o f g r o u p o f e x p l o s i v e s , m o r e e x a c t l y r e f l e c t t h e I S o f e x p l o s i v e s w i t h m i d d l e I S . C h a r a c t e r i s t i c h e i g h t Hs o m a y i n d e t a i l a n d p r e c i s e l y d i s t i n g u i s h t h e I S o f e x p l o s i v e s w i t h h i g h I S , f o r e x a m p l e , t y p e n i t r a m i n e s . Wh i l e p a a n d h a o f e x p l o s i v e s r e f l e c t t h e p r o c e s s a n d m e c h a n i s m o f i n it i a t i o n o f f a s t r e a c t i o n s o f e x p l o s i v e s u n d e r i m p a c t . T h e d e v e l o p - m e n t o f I S c r i t e r i a s h o w s t h e p r o g r e s s o f h u m a n k n o w l e d g e a n d u n d e r s t a n d i n g t o t h e e s s e n c e o f i m p a c t s e n s it i v i t y o f e x p l o s i v e s . E x p l o s i o n p r o b a b i l i t y a n d c h a r a c t e r i s t i c h e i g h t H6 o , a s c r i t e r i a , a r e u s e d f o r r e g u l a r t e s t a n d p a , 凡 f o r s c i e n t i f i c i n v e s t i g a t i o n . [ K E Y WO R D S ] i m p a c t s e n s i t i v i t y o f e x p l o s i v e s , e x p l o s io n p r o b a b i l i t y , c h a r a c t e r i s t i c h e i g h t H6 o , c r i t i c a l p r e s s u r e p a ， c r i t i c a l t h i c k n e s s h . , 1 影响乳化炸药热性能的参数 P r o c . A n n u . C o n f . E x p l o s . B l a s t i n g T e c h . 炸 药和添破技术年会文集 2 0 0 0 , 2 6 t h V o l . 2 , 2 1 5 - 2 2 4 英文 在过去若千年， 国际上已有许多例子在泵送乳 化炸药时发生了事故。 很明显是在此条件下， 炸药的 热感度增加了。炸药工业中的关健问题是 1 影响 乳化炸药感度的参数是什么 2 这些不同的参数如 何相互作用。 对于影响乳化炸药感度的参数， 已 进行 了一项使用加速速率童热计 a c c e l e r a t i n g r a t e c a l o r i me t e r 和热流童热计 h e a t f l u x c a l o r i me t e r 的研究。已经浏定了加入多孔杜状峭酸按和招粉对 乳化炸药热性质的影响。 此外， 对改变压力、 大气〔 情 性大气或氧化性大气 和样品客器的材料对热感度 的影响也作了 评佑。 加入多孔杜状峭酸按、 细杜铭粉 或喷雾铝粉不影响放热分解的开始温度。 因此， 对含 有这些加入物的乳化炸药的最大安全温度是类似 的。 但自 加热速率有差别， 多孔拉状峭酸按降低了自 加热速率， 而喷雾铝粉则增加了自 加热速率。 含喷雾 铝粉的乳化炸药会在钦容器中生成小孔， 在哈斯特 洛伊C H a s t e l l o y C 耐蚀棣基合金容器中不发生这 种现象。这一点提醒我们用于制备或处理乳化炸药 的装里的结构材料必须仔细地考虑。加速速率全热 计和热流贵热计的实脸， 两者在空气中比在氛气中 得出较低的开始温度， 这归因于油相被空气氧化之 故。这一结果对干式运转泵运送乳化炸药是值得注 意的， 因为在那种情况下， 乳化炸药在过剩空气的存 在下被加热。压力对乳化炸药热分解的影响是复杂 的， 取决于所在的大气为空气或为惰性气体， 以及实 验装里的有效自由容积。 2 表面改良的撅酸钾的感度和燃烧性质 P r o c . I n t . P y r o t e c h . S e m i n 国际烟火技术讨论 会会议录 2 0 0 0 , 2 7 居, 1 7 5 - 1 7 9 英文 为了更好地了 解表面改进的氛酸钾的感度和燃 烧 性质对汾 石 粉包 及的 氛酸 钾 t a l c c o a t e d p o t a s s i - u m c h l o r a t e 以下简称T C P 和蔗糖混合制成的 药荆进行了对不同*，激作用的感度试脸、 热分析和 密闭弹燃烧试脸。试脸结果与那些未包及的氛酸钾 和蔗糖混合的药荆的数据作比较， 也和圣氮化纳/ 二 氧化锰药荆作比较。 T C P / 蔗特药荆与未包 及的药剂 相比有校低的机械感度。 表面用滑石粉包 及的对降 低感度有大的效果。另一方面， T C P / 蔗糖药剂的燃 烧性能与未包及氛酸钾/ 蔗糖药荆有相同的等级， 但 优于圣氮化钠/ 二氧化锰药剂， 因之表面改良 是一种 降低烟火荆感度有用的技术。 钟一鹏译自 美国 化学文摘 Vo l . 1 3 3 , No . 2 1 2 0 0 0