火炸药摩擦感度装置不确定度的评定

火炸药摩擦感度装置不确定度的评定

刘雷 ¹ 李家国 ¹ 刘懿能 ¹ 谢雄刚 ²

1. 贵州天安科技有限公司 贵州 贵阳 550000 2. 贵州大学 贵州 贵阳 550025

摘要：火炸药的感度高低是衡量其稳定性的一个重要标准，其中摩擦感度是检测火炸药安全性的最主要的项目之一。摩擦感度的测试方法是通过限制在两光滑硬表面的试样，在恒定的挤压压力与外力的作用下经受滑动摩擦作用而发生爆炸的百分率，由于用药量少、操作简单，所以在炸药配方的研制中普遍被采用，其对火炸药在生产、包装、运输和加工等工序中的安全性都有重要意义。

关键词：火炸药；摩擦感度；不确定度评定

引言

摩擦感度是检测火炸药安全性的最重要的项目之一，是研制、生产、使用各种型号的火炸药首先必须鉴定的特性之一，世界各国对此非常重视，并研究制定了多种不同的测量方法和仪器，国际上曾多次召开标准化会议寻找统一标准方法，直到1996年联合国“危险货物运输委员会”推荐前苏联的测量仪器与方法，作为测量火炸药摩擦感度的测量方法之一，并建议各国政府在建立标准时予以采纳。火炸药摩擦感度标准装置是在前苏联测量仪与方法的基础上根据20世纪90年代初国内外发展情况提出的，目的在于统一我国国防系统内火炸药感度量值并实现准确传递与国际间比对。

1炸药的摩擦点火机制

炸药在不损伤高能量的同时，确保安全性是研究重点。在炸药的实际生产、使用过程中，摩擦刺激最普遍且难以消除，因此必须研究炸药在摩擦刺激下的点火机制。

迄今为止，学术界广泛认可的炸药起爆的经典理论为热点理论。热点理论指在外界能量加载下，内部装药被不均匀加热，导致局部升温并发生化学反应释放热量，并且化学反应速率和温度升高相互促进，最终使得炸药整体分解发生爆炸。在炸药摩擦过程中，热点的主要产生方式是含能晶体表面或杂质的微凸体之间的摩擦生热。

众多理论和实验研究了摩擦形成热点的过程。早期，Dinies等建立了PBX在冲击载荷下引发点火的微裂纹统计模型(SCＲAM)，模型表示含能晶体内部的裂纹在冲击加载下会导致显著的摩擦生热效应，剪切裂纹周围形成了热点导致起爆，说明由裂纹引起的界面摩擦加热是主要点火机制。Hooks等针对单晶炸药提出位错作用点火机制，认为晶体间摩擦导致位错，位错堆积和滑移形成热点。An采用ＲeaxFF力场研究PBXN-106炸药在冲击波作用下的热点形成机制，在密度不连续的界面处微凸体由于冲击导致剪切弛豫，且剪切弛豫使能量沉积，此区域的局部剪切形成热点，最终伴随化学反应导致体系爆炸。值得关注的是，此机制提出了一个关键的降感策略———减小粘结剂的密度(约为炸药密度的1/3)能抑制热点产生。Cai等用分子动力学模拟了粗颗粒炸药的冲击响应特性，指出颗粒间相互摩擦和颗粒内部之间的剪切形变均能产生热点，并且颗粒之间的剪切滑移方向显著影响摩擦生热效率。近年，Ｒichard等使用爆炸驱动变形测试和弹道冲击室研究了ＲDX晶体缺陷结构对PBX药柱机械响应的影响，认为以剪切速率阀值作为单一参数反映感度的公式还需修正，应当与ＲDX晶体的摩擦系数联系起来，且认可常压下基于晶粒间滑动摩擦的点火准则:在接触界面处晶粒间滑动摩擦产生机械功，功转化为局部沉积热，从而发生热化学扩散和分解导致起爆。

2不确定度评定方法

2.1试剂

特屈儿感度标准物质，符合标准JBWY45901；太安标准物质，符合标准GJB552-88；AL/RDX，单位自制。

2.2仪器

2台合格的BM-B型摩擦感度仪，BSA224S-CW电子天平，滑柱，滑柱套，定量勺，手套及纱布等。

2.3测定方法

2.3.1试验程序

将下滑柱置于滑柱套内，将上述三种样品每发称取20±1mg并倒入滑柱套内，晃动滑柱套，使试样均匀地分布在整个滑柱面上后再将上滑柱轻轻放入，并轻轻转动1~2圈，如此操作准备待测件10组，每组25发。将准备好的待测件放入摩擦装置内进行摩擦感度试验，观察每个待测件的试验过程，当出现发光、冒烟、爆炸声、出现气味、试样变色等情况则判定为爆炸，当无上述现象时，用丙酮清洗上、下滑柱的表面，观察两个滑柱面有对称的烧蚀痕迹等现象时，也判为爆炸，无上述现象时则判为不爆炸。

2.3.2试剂干燥处理

将试样均匀散布在表面皿内，厚度不超过3mm，将表面皿置于水浴烘箱，40~50℃烘干4h，随后取出在干燥器内于室温下冷却1~2h。

2.3.3摩擦装置准备

调整实验室内温度为10~35℃，相对湿度不大于80%，将摩擦感度仪设备摆角调整到90±1°，检查加压系统操作是否正常。

3摩擦感度的理论预测

炸药分子的结构可决定其性质，所以炸药的感度与分子结构间存在重要的关联性。经过多年研究，形成了几种主要的感度理论预测方法，包括量子化学方法(QM)、定量构效关系(QSPＲ)、分形理论、电子结构、电荷值、带隙能、电子激发能、静电势、声子相互作用、引发键键长、引发键键级、双原子作用能、爆炸性基团的活性和个数、摩尔活性指数、理论最大爆热、热分解活化能、内聚能密度、分子晶体填充系数、晶内自由体积、晶体的分子间相互作用等分子或晶体特征描述参数;反应速率常数、酸碱相互作用、氧平衡等热稳定性参数;还有粒度分形维数、表面分形维数等颗粒群分形特征量化参数都可能与感度存在必然联系。

目前，国内外的研究主要集中于对含能硝基化合物的撞击感度进行理论预测，关于摩擦感度的研究相对较少。对于摩擦感度，研究者发现分子结构、粒径和粒度分布、微观形态以及装药密度与摩擦感度具有明显相关性。例如，HMX的摩擦感度是粒径的函数，且变化趋势明显受微观形态的调控，HMX的d50减小时，对球形样品其摩擦感度增加，针状样品则降低。Wang等通过制备不同微观形貌的HMX微粒来研究机械感度和分形特征的相关性，颗粒群表面的复杂程度可量化为表面分形维数(DS)，DS影响颗粒群在受到摩擦刺激时的热导率。实验结果表明，摩擦感度随着DS的增加而近似线性增加。根据热点学说，粒子之间的界面摩擦会引发爆炸，而爆炸又归因于热传导和热点形成。HMX的DS值越高意味其颗粒群表面越粗糙，当颗粒之间相互摩擦时，摩擦热比热传导辐射的能量要大得多，导致热量不能及时消散而过度积累，从而容易引发爆炸，所以，采用DS这个参数预测HMX的摩擦感度是可行的。

结语

以美俄为代表的大国愈来愈注重研发新型高能炸药配方，期望其具有高能量密度化、全面钝感化、更强环境适应性等优良性能。同时，致力于将新型炸药配方应用到钝感弹药武器系统中，并进行安全鉴定和评估，从而确保未来战场武器的本质安全性和使用安全性。因此，对炸药配方进行降感研究，意义重大且十分迫切。

摩擦是导致炸药点火的主要方式，炸药的摩擦感度研究已取得很多积极成果，为降低摩擦感度提供了理论基础和实验探究。随着高技术和新工艺的发展，必然会更深入认识高能炸药的摩擦点火响应机制;建立更精确和实用的理论预测模型;采用更有效的加工处理工艺来降低炸药的摩擦感度，满足它在弹药应用领域的不敏感特性。

参考文献

［1］严启龙，宋振伟，安亭．含能材料物理化学性能预估研究进展．火炸药学报，2016，39(5)

［2］JJF1059.1－2012.测量不确定度评定与表示[S].北京：中国质检出版社，2012．

［3］黄琛鸿，刘玉存，袁俊明．炸药摩擦感度与活性指数的关系研究．科技信息，2013(16)

［4］杨志剑，刘晓波，何冠松，等．混合炸药设计研究进展．含能材料，2017，25(1)