缓慢热作用下PBX-9炸药的响应特性

姚奎光，钟　敏，代晓淦，吕子剑

(中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳621900)



缓慢热作用下PBX-9炸药的响应特性

姚奎光，钟敏，代晓淦，吕子剑

(中国工程物理研究院化工材料研究所，四川绵阳621900)

摘要：为研究RDX基PBX-9炸药的热响应规律，分别采用1.5、3.0、4.5、8.0℃/min的升温速率对PBX-9炸药药柱进行了烤燃试验。用热电偶测试了药柱表面的温度变化，通过测量冲击波超压和收集试验弹残骸，分析了药柱的反应程度，获得了不同升温速率下的响应规律。结果表明，升温速率为1.5~8.0℃/min时，对PBX-9炸药的响应温度没有明显的影响，试验弹响应时药柱温度约为140~150℃，均为燃烧反应。烤燃过程中黏结剂的分解对PBX-9炸药响应特性影响较大，使其反应程度一致。采用FLUENT软件对该烤燃试验过程进行了数值模拟，得到PBX-9炸药反应的活化能和指前因子分别为184.2×103J/mol和7.24×1018s-1。

关键词：爆炸力学；PBX-9炸药；升温速率；烤燃试验；数值模拟；响应特性

behavior

引言

烤燃是研究固体炸药热感度的一种方法，主要模拟炸药在制造、运输、贮存和使用过程中遇到火灾而发生化学反应的程度，对炸药安全性评估具有重要意义。目前，国内外开展了大量关于炸药安全性的烤燃试验以及数值模拟研究。Victor等[1]对烤燃试验进行了数值模拟，认为含能材料热分解和热传导符合Frank-Kamenetskii方程。McCelland M A等[2]对LX-10炸药进行了烤燃试验，并用一维ALE3D烤燃模型进行了数值模拟。Erdǒgan A等[3]对PBXN-10进行了烤燃试验，用TGA测得该炸药的活化能以及指前因子等参数。陈朗、马欣等[4-5]对HMX和TATB基PBX炸药进行了烤燃试验和数值模拟，并获得两种PBX基炸药的点火时间和温度。向梅、代晓淦等[6-7]用烤燃试验研究了不同升温速率下HMX基PBX炸药的响应规律，结果表明，升温速率对炸药的点火时间和温度有较大影响。牛余雷等[8]研究了不同升温速率下RDX基PBX炸药的温度变化情况，研究表明，随着升温速率的降低及点火时间的增加，炸药点火位置由边缘向中心靠近。

目前国内外研究者针对TATB和HMX基PBX炸药，采用烤燃试验并结合数值计算的方式，获得了反应模型参数[3-6]。本研究对RDX基PBX-9炸药进行了不同升温速率下的烤燃试验，研究了PBX-9炸药在缓慢加热作用下的响应规律，并通过数值计算对试验结果进行验证，获得PBX-9炸药反应模型参数，以期为评估分析RDX基热固炸药的热安全性提供参考。

1实验

1.1样品及仪器

PBX-9炸药主要由RDX、123树脂和固化剂等组成[9]，药柱尺寸为Φ50mm×100mm，密度约1.65g/cm3，质量约320g，由中国工程物理研究院化工材料研究所提供。

K型热电偶，重庆川仪金属功能材料分公司；LT-I8000-24温度数据采集仪，中国工程物理研究院化工材料研究所；CY-YD-202型压电式压力传感器、YE5852型电荷放大器、PIC4712多通道数据采集仪，江苏联能电子技术有限公司。

1.2试验装置

慢速烤燃试验弹装置如图1所示[7]。试验弹壳体材料为Q235钢，厚度为4mm ,采用电加热带以一定的升温速率对烤燃试验弹进行加热，热量以热传导的方式通过试验弹体对药柱进行缓慢加热。采用直径约1.5mm热电偶测试炸药边缘的温度，得到药柱表面与试验弹内壁接触处的温度变化曲线。发生突变时的时间和温度分别为试验弹的响应时间和响应温度。

在升温速率分别为1.5、3.0、4.5和8.0℃/min条件下，通过测量温度、超压以及回收的残骸综合判断PBX-9炸药在热作用下的反应程度。

2结果与讨论

2.1升温速率对响应时间和响应温度的影响

不同升温速率(β)下PBX-9炸药的温度变化曲线如图2所示。响应时间(t)和响应温度(T)见表1。

图2　不同升温速率下PBX-9炸药药柱表面的温度变化曲线Fig.2　Surface temperature changing curves ofPBX-9 at different heating rates

β/(℃·min-1)t/sT/℃1.575571453.043111504.527431438.01853151

注：β为升温速率；t为响应时间；T为响应温度。

从图2可知，升温速率为1.5℃/min时，响应时间最长；升温速率为8.0℃/min时，响应时间最短，这说明升温速率对PBX-9炸药的响应时间有显著影响，随着升温速率的升高，响应时间逐渐缩短。从表1可知，升温速率对PBX-9炸药的响应温度没有明显影响，在升温速率为1.5、3.0、4.5和8.0℃/min的热加载条件下，PBX-9炸药响应温度在140~150℃。其主要原因是PBX-9炸药中黏结剂123树脂在100℃以上稳定性较差，热分解产生的气体对RDX有加速分解作用[10]，造成PBX-9炸药的响应温度在一定温度范围内变化。

2.2升温速率对反应程度的影响

4种升温速率下PBX-9炸药烤燃试验残余物照片见图3。从图3可以看出，在不同升温速率下试验弹端盖略微变形，壳体被撕裂，均有未燃烧的PBX-9炸药。升温速率为4.5℃/min时，PBX-9炸药药柱完好，但在其他升温速率下，PBX-9炸药药柱有明显的燃烧产物，表明发生了燃烧，说明PBX-9炸药对热反应均较温和。

图3　4种升温速率下PBX-9炸药烤燃试验残余物照片Fig.3　Photographs of scrap in cook-off test of PBX-9at four heating rates

在4种升温速率下，均未测到PBX-9炸药的反应超压。综合图3试验结果，认为PBX-9炸药在慢速烤燃试验中的反应程度为燃烧，且1.5~8.0℃/min的升温速率对PBX-9炸药的反应程度没有明显的影响。

123树脂和PBX-9炸药的TG曲线如图4所示。从图4可以看出，123树脂在100℃时就已明显出现热失重，100℃左右热失重约为5%。而PBX-9炸药在130~140℃开始出现热失重，190℃左右热失重约为6%，根据其组分含量以及图4中的数据可知，在130℃时123树脂发生分解，随着温度进一步升高，RDX也开始发生分解，在225℃左右时出现拐点，热失重达到77%左右，说明在200~225℃主要是RDX发生分解。

图4　123树脂和PBX-9炸药的TG曲线Fig.4　TG curves of 123 resin and PBX-9 explosive

可见，PBX-9炸药慢烤试验中，随着时间的增加，药柱温度逐渐升高，当达到130℃时，PBX-9炸药开始发生热分解，此时主要是123树脂发生热分解，在烤燃试验弹内逐渐形成高压。随着烤燃弹温度的升高，200℃左右RDX也开始分解，烤燃试验弹内压力更高，最后达到壳体破坏强度，使得壳体破裂而导致压力突然卸载，最终导致炸药的反应不能持续，难以形成高级反应。

3数值计算

为研究PBX-9炸药在不同升温速率下的响应过程，根据烤燃试验装置，建立了炸药烤燃二维数值计算模型，并确定了相关反应模型参数。模型中主要考虑炸药和壳体，其中壳体外壁面为加热边界，并假定：壳体和炸药各项同性；忽略气体产物对传热的影响；在炸药内部的热传递只有导热作用，且不考虑相变。根据假设，计算模型中药柱的反应和热传导遵循Frank-Kamenetskii方程[11]

(1)

式中：ρ为物质密度，g/cm3；c为比热，J/(kg·K)；T为温度，K；t为时间，s；λ为导热系数，W/(m·K)；S为化学反应放热源项，可由Arrhenius方程表示

(2)

式中：Q为反应热，kJ/kg；Z为指前因子，s-1；α为已反应炸药质量分数；n为反应级数；E为活化能，J/mol；R为普朗克气体常数，J/(mol·K)，取8.314。

采用流体力学FLUENT软件对炸药烤燃过程进行数值计算，炸药自热反应源项通过C语言编写为子程序，并以自定义函数的形式加载到软件中。采用升温速率为8.0℃/min的试验数据对计算参数进行了标定，获得了PBX-9炸药的活化能和指前因子等参数，其他参数如表2所示。

不同升温速率下PBX-9炸药烤燃温度计算值(炸药半径处)与试验值对比曲线如图5所示。从图5可以看出， PBX-9炸药的响应时间和温度的计算值与试验值基本一致，炸药半径处的温度变化过程与试验结果基本相符。

表2　数值计算材料参数

图5　不同升温速率下烤燃模拟温度计算值与试验值对比Fig.5　Comparison of the calculated data and the experimentalones for cook-off simulation temperature at different heating rates

PBX-9炸药响应时间和温度试验值与计算值的对比如表3所示。从表3可知，试验结果和数值模拟计算获得的响应时间基本相符，但在升温速率4.5℃/min时误差较大。从图3(c)可见，在该升温速率下药柱未反应，123树脂分解产生的气体冲开试验弹，从而导致响应时间误差较大。然而，试验和数值计算获得的响应温度却随着升温速率的降低而增大，这主要是因为123树脂分解的气体对RDX有加速分解作用，造成试验获得的响应温度在一定的范围内变化，而且升温速率越低，这种作用越明显，但采用的数值计算方法没有考虑到123树脂分解气体对RDX加速分解作用，导致试验与计算所得响应温度误差增大。因此，在今后炸药烤燃数值计算中，对于某些炸药需要考虑黏结剂分解产物对炸药热响应特性的影响作用。

表3　PBX炸药响应时间和温度的试验值与计算值对比

注：β为升温速率；t为响应时间；T为响应温度；ηt为响应时间的相对误差；ηT为响应温度的相对误差。

4结论

(1)采用不同升温速率对RDX基PBX-9炸药进行了烤燃试验及数值计算，结果表明，升温速率为1.5~8.0℃/min时，PBX-9炸药的响应温度范围为140~150℃，反应程度均为燃烧。

(2)在烤燃过程中，PBX-9炸药中的123树脂先发生分解，使不同升温速率下PBX-9炸药的响应温度及反应程度一致。

(3)不同升温速率下，PBX-9炸药的响应时间和温度数值计算结果与试验结果基本吻合，获得了PBX-9炸药Arrhenius反应模型参数，为评估分析不同边界条件下PBX-9炸药的热安全性提供了数据支撑。

参考文献：

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[2]McCelland M A, Maienschein J L, Howard W M, et al．ALE3D simulation of heating and violence in a fast cookoff experiment with LX-10[C]∥The 13th International Detonation Symposium．Norfolk: Energetic Materials Center，Lawrence Livermore National Laboratory, 2006．

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Response Characteristics of PBX-9 Explosive under Slow Thermal Stimulus

YAO Kui-guang，ZHONG Min，DAI Xiao-gan，Lü Zi-jian

(Institute of Chemical Materials, CAEP, Mianyang Sichuan 621900, China)

Abstract:To study the thermal response rule of RDX-based polymer bonded explosive (PBX-9), the cook-off tests of PBX-9 explosive at heating rates of 1.5, 3.0, 4.5, 8.0℃/min were carried out. Temperature changing process of the surface of PBX-9 explosive was measured by thermocouples. The reaction degree of the sample was analyzed and the response rules of PBX-9 explosive at different heating rates were obtained by measuring the shock wave overpressure and the collected test projectile. The results show that the heating rate from 1.5℃/min to 8.0℃/min has no obvious effect on the response temperature of PBX-9 explosive, and the response temperature of grain of test bomb is about 140~150℃. The degree belongs to the combustion reaction. In the process of cook-off test, the decomposition of binder has great influence on the response behavior of PBX-9 explosive and the reaction degree is accordant. The numerical simulation of cook-off test was conducted using FLUENT software. The kinetic parameters such as activation energy and pre-exponential factor for the reaction of PBX-9 explosive obtained from the numerical simulation were 184.2×103J/mol and 7.24×1018s-1, respectively.

Keywords:explosion mechanics; PBX-9 explosive; heating rate; cook-off test; numerical simulation; response

通讯作者:代晓淦(1978-),男，博士研究生，副研究员，从事炸药安全性研究。

作者简介:姚奎光(1987-),男，硕士，研究实习员，从事炸药安全性研究。

基金项目:国防基础科研项目(CB1520132004)

收稿日期:2015-08-25；修回日期:2015-10-15

中图分类号：TJ55; O389

文献标志码：A

文章编号：1007-7812(2015)06-0056-05

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.06.011