CL-20基高爆速压装炸药的落锤冲击响应特性

徐风; 蒋建伟; 王树有; 李梅; 郝泽辉

doi:10.11883/bzycj-2024-0109

CL-20基高爆速压装炸药的落锤冲击响应特性

doi: 10.11883/bzycj-2024-0109

徐风^1,,
蒋建伟^1, ,,
王树有¹,
李梅¹,
郝泽辉²

1.
北京理工大学爆炸科学与安全防护全国重点实验室，北京 100081
2.
山西江阳化工有限公司，山西太原 030041

详细信息

作者简介:
徐　风（1991－　），男，博士研究生，3220215039@bit.edu.cn

通讯作者:
蒋建伟（1962－　），男，博士，教授，bitjjw@bit.edu.cn

中图分类号: O381; TJ55
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出版历程
- 收稿日期: 2024-04-16
- 修回日期: 2024-07-27
- 网络出版日期: 2024-07-19
- 刊出日期: 2025-04-11

Response of CL-20-based high-detonation-velocity pressed explosive to drop-hammer impact

1.
State Key Laboratory of Explosion Science and Safety Protection, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2.
Shanxi Jiangyang Chemical Co., Ltd., Taiyuan 030041, Shanxi, China

摘要

摘要: 针对典型CL-20基高爆速压装炸药（C-1, 94.5% CL-20+5.5%助剂）的发射安全性问题，开展了400 kg大型落锤试验对压装炸药C-1的冲击响应特性进行研究。同时，采用改进的应力率表征法及下限值法、特性落高法分别对该炸药的落锤冲击响应特性进行表征，并与同类压装炸药JO-8和JH-2进行了对比。得到了不同落高下3种压装炸药底部实测应力曲线及表征参数，并讨论了3种炸药撞击感度的差异及C-1炸药撞击感度的影响因素。结果表明，改进的应力率表征法对炸药撞击感度的表征具有一定的有效性和普适性，与其他方法对撞击感度规律的反映具有一致性。C-1炸药的特性落高（H₅₀）为1 m，分别为JO-8和JH-2炸药特性落高的62.50%和50.00%；C-1炸药不发生爆轰对应的后坐应力峰值（σ₀）为748.90 MPa，分别为JO-8和JH-2的85.42%和64.33%；C-1的安全应力率参数（C₀）为344 GPa²/s，分别为JO-8和JH-2的45.87%和39.14%。CL-20的分子结构、C-1药柱的力学性能和热-化特性是造成其撞击感度高于JO-8和JH-2撞击感度的主要因素。
- CL-20基炸药 /
- 冲击响应特性 /
- 抗过载性能 /
- 大型落锤试验 /
- 安全判据
Abstract: For the launch safety problem of the typical CL-20-based high detonation velocity pressed explosive (C-1, 94.5% CL-20+5.5% additive), the impact response characteristics of the explosive were studied by a large-scale hammer test with 400 kg, which has an impact loading curve similar to the loading characteristics of artillery chamber pressure. Meanwhile, the improved stress rate characterization method, the lower limit method, and the drop height method were used to characterize the drop hammer impact response characteristics of the explosive, and compared with the same kind of pressed explosives JO-8 and JH-2. The improved stress rate characterization method is obtained by improving the data processing process based on existing criteria and weakening the sensitivity of the original criterion formula to oscillatory waveforms. The measured stress curves and characterization parameters of the bottom of the three pressed explosives under different drop heights are obtained by tests, and the impact sensitivity differences of the explosives and influence factors of the impact sensitivity of C-1 are discussed. The results show that the improved stress rate characterization method has certain effectiveness and universality for characterizing the impact sensitivity of explosives. Meanwhile, the improved stress rate characterization method is consistent with other methods in reflecting the law. The drop height of C-1 (H₅₀) is 1.0 m, which is 62.50% and 50.00% of JO-8 and JH-2, respectively; the peak stress of the backseat corresponding to non-detonation (σ₀) is 748.90 MPa, which is 85.42% and 64.33% of JO-8 and JH-2, respectively; the safety stress rate parameter (C₀) is 344 GPa²/s, which is 45.87% and 39.14% of JO-8 and JH-2, respectively. The molecular structure of CL-20, the mechanical properties, and the thermal-chemical characteristics of the C-1 explosive cylinder are the main factors that make its impact sensitivity higher than JO-8 and JH-2. The research results can provide a reference for the application and design calculation of CL-20-based high detonation velocity pressed explosives in a high overload environment.
- CL-20-based explosive /
- impact response characteristics /
- anti-overload performance /
- large-scale drop-hammer test /
- safe criterion

HTML全文

炸药的力学性能参数与其反应机理和化爆安全性紧密相关^[1-4]。单质高能炸药由于受到炸药大单晶生长困难的影响，不能直接加工成药柱等构件。目前，炸药力学性能均基于非均质炸药(PBX)为研究对象。研究表明，单质炸药的晶体特性对PBX的性能如感度、安定性、机械强度等有重要影响^[5-12]。

HMX是目前综合性能最好的高能炸药，在武器中应用广泛。HMX 晶体因具有较多晶型以及复杂的相变问题而受到广泛的关注，它具有β、δ、α和γ等4种晶型, 其中β-HMX、δ-HMX和α-HMX 是固体，γ-HMX是液体^[13-15]。这几种晶型具有不同的稳定性和对外界刺激的敏感程度, 不同相之间可以发生相互转变。在常温常压下, 4种晶型的稳定性由强到弱依次为为β、γ、α、δ^[14]。 β-HMX 是在室温下最稳定的晶型^[15]。人们已开始研究HMX在动态加载条件下的非弹性行为^[16]。 Menikoff等^[17]和 Dick等^[18]的实验研究结果表明，β-HMX单晶受平面冲击加载后呈现各向异性的弹塑性波结构。 Dick等^[18]的认为对于这种脆性的分子晶体，其主要作用机制是塑性机制。Jaramillo等^[19]通过分子动力学计算发现，β-HMX 的弹塑性转变机制是位错滑移运动。Sewell等^[20]和Zaug等^[21]也对β-HMX单晶的弹塑性行为开展了冲击加载实验研究。

冲击加载下炸药单晶温升剧烈，由于其动力学响应特性的高感度，很难获得较高压力下的实验结果。利用斜波加载实验技术^[22]，样品压缩过程中获得高压状态的同时依然可以保持样品材料中较低的温升，炸药不易发生化学反应。本研究利用磁驱动加载实验技术，开展了斜波加载下β-HMX两个晶向在15 GPa内的动力学响应研究，目的在于通过双光源外差测速技术（dual laser heterodyne velocimetry, DLHV）测量单晶的速度响应曲线，获得β-HMX单晶不同晶向弹塑性转变信息的同时获得炸药的压力-相对比容关系。

1. HMX单晶炸药的斜波压缩实验

HMX是一种具有各向异性力学性能的单斜晶体，本文中采用的厘米量级大块体样品由中北大学制备，样品如图1所示。

图 1 HMX晶体

Figure 1. An HMX crystal

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HMX晶体斜波压缩实验条件见表1，HMX单晶样品有（011）、（010）两个晶向，实验窗口为LiF单晶，加载电极为高导纯铝材料。单发实验对不同厚度样品进行斜波压缩，利用DLHV测试HMX样品/LiF窗口的界面速度。

表 1 实验条件

Table 1. Experimental condition

实验编号	晶向	样品厚度/mm
1	（011）	1.398
1	（011）	0.984
2	（010）	1.262
2	（010）	0.975
3	（010）	1.253
3	（010）	0.961
4	(010)	0.775
4	(010)	0.913
5	(010)	0.593
		0.664
		0.781
6	(011)	0.510
		0.663
		0.782

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本文进行了2轮实验：第1轮实验完成了1发HMX（011）晶向实验和3发HMX（010）晶向实验；第2轮实验降低了加载压力，2种晶向各完成了1发实验。第1轮实验获得的速度历史曲线见图2～5，4发实验都是两组不同厚度的HMX晶体上下对称布局。第2轮实验获得的速度历史曲线见图6～7。由实验结果得，速度波剖面都是弹塑性双波结构，且在弹塑性转变区出现了明显的速度松弛现象，有十几米每秒的速度降低。实验2和实验3实验结果显示，在厚样品的塑性后形成了冲击波。实验3中厚样品的速度峰值比薄样品的高，这可能是由于冲击波引起样品中有部分化学反应发生。为了避免样品中形成冲击波，减小HMX晶体样品厚度，实验4～6中样品中都没有形成冲击波。

图 2 实验1的速度响应曲线

Figure 2. Velocity profiles in experiment 1

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图 3 实验2的速度响应曲线

Figure 3. Velocity profiles in experiment 2

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图 4 实验3的速度响应曲线

Figure 4. Velocity profiles in experiment 3

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图 5 实验4的速度响应曲线

Figure 5. Velocity profiles in experiment 4

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图 6 实验5速度响应曲线

Figure 6. Velocity profiles in experiment 5

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图 7 实验6的速度响应曲线

Figure 7. Velocity profiles in experiment 6

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基于考虑阻抗失配修正的迭代Lagrange数据处理方法，完成了实验1和实验3两发实验的数据分析，获得了（011）和（010）两个晶向HMX晶体的压力-相对比容和声速-粒子速度曲线。（011）和（010）晶向HMX基于Hugoniot关系拟合的声速-粒子速度关系分别为u_s=2.728+2.234u_p和u_s=2.756+2.249 u_p。由于（011）和（010）两个晶向的p-V/V₀关系参数基本一致，图中只给出（011）晶向的结果。静压实验结果^[23-24]、LASL冲击实验数据^[25]、准等熵加载实验结果^[26]、苏锐等^[27]采用分子动力学的计算结果和本文中结果见图8，本文工作结果与Yoo等^[23]的静高压实验、文献[25]、Daniel等^[26]的准等熵实验以及文献[27]中的计算结果基本吻合，说明15 GPa压力范围内未反应HMX晶体的等温线、准等熵和冲击Hugoniot线在压力-相对比容热力学平面未完全分离。

图 8 p-V/V₀曲线与文献数据结果

Figure 8. p-V/V₀ curve and literature data

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斜波加载实验对应样品一个连续的压缩过程，每发实验结果进行处理可获得压力峰值内连续变化的声速曲线，（011）和（010）晶向HMX晶体的拉氏声速曲线见图9。由实验1获得了(011)晶向HMX塑性段的拉氏声速-粒子速度曲线（图9（a）），线性拟合得到线性关系为c_L=2.728+2×2.234u_p。由实验6获得了(011)晶向HMX塑性段线性关系为c_L=2.765+2×2.226u_p。由实验4获得了(010)晶向HMX弹性段和塑性段的拉氏声速-粒子速度曲线（图9（b）），线性拟合得到弹性段线性关系为c_L=3.022+15.867u_p，塑性段线性关系为c_L=2.756+2×2.249u_p。由实验2获得了(010)晶向HMX塑性段线性关系为c_L=2.713+2×2.255u_p。由实验3获得了(010)晶向HMX塑性段线性关系为c_L=2.713+2×2.255u_p。由实验4获得了(010)晶向HMX塑性段线性关系为c_L=2.741+2×2.242u_p。文献[28]对本文中的实验技术和数据处理不确定度进行了研究，实验得到的拉氏声速不确定度为1.5%。

图 9 Lagrange声速与粒子速度关系曲线

Figure 9. Lagrange sound speed-particle velocity

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由界面连续性条件可得，HMX样品与LiF窗口界面处的粒子速度和应力相等，可用弹塑性转变点处已知物性材料LiF窗口的应力代替HMX单晶的应力弹性极限σ_IEL。表2所示为本文中实验HMX晶体的弹塑性转变特征速度、样品厚度和计算的弹性极限。计算时，LiF单晶物性参数取密度ρ₀=2.638 g/cm³，声速c₀=5.15 km/s，声速对粒子速度的一阶系数 s=1.35。

表 2 HMX晶体的屈服

Table 2. Yield of HMX crystals

HMX晶向	厚度/mm	屈服速度/(m·s⁻¹)	弹性极限 /GPa
(011)	1.398	67.05	0.927
(011)	0.510	77.63	1.076
(010)	0.975	69.80	0.966
	1.262	70.30	0.973
	0.961	63.90	1.263
	1.253	71.50	0.990
	0.775	63.90	0.883
	0.913	67.10	0.928
	0.664	69.78	0.966
	0.781	59.69	0.824

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图10为动态加载下HMX晶体弹性极限与厚度的关系，其中Baeri等^[29]的斜波加载实验数据和Dick等^[18]的冲击加载实验结果作为参考。三方实验数据总体趋势相同：（010）晶向的屈服极限高于（011）晶向的屈服极限；随着样品厚度的增加，HMX晶体弹性极限出现变化。

图 10 弹性极限与样品厚度关系

Figure 10. Relationship between elastic limit and sample thickness

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2. 数值模拟

实验速度波剖面在弹-塑性转变过程中有明显的速度弛豫现象，这是由于有机大分子单晶材料的黏性造成的。为了更好地描述HMX晶体的斜波压缩物理过程，本文中采用Hobenemser-Prager本构关系和弹-黏塑性模型^[30]，高压物态方程采用适用于等熵热力学过程的三阶Birch-Murnaghan模型^[31]。Hobenemser-Prager黏弹塑性本构关系的具体形式为：

${\dot e_{ij}} = \left\{ \begin{array}{l} {\dfrac{1}{{2G}}{{\dot S}_{ij}}+ \dfrac{{1 - \dfrac{k}{{\sqrt {{J_2}} }}}}{{2\eta }}{S_{ij}}\qquad\quad \sqrt {{J_2}} \text{＞} k } \\ {\dfrac{1}{{2G}}{{\dot S}_{ij}}\qquad\qquad\qquad\qquad\;\;\ \sqrt {{J_2}} \text{≤} k }\\ \end{array} \right.$

(1)

式中：G为弹性剪切模量， ${\dot e_{ij}}$ 为偏应变率， $\eta$ 为材料黏性系数， ${S_{ij}}$ 为应力偏量， ${J_2}$ 为应力偏量第二不变量，k为剪切屈服值。

三阶Birch-Murnaghan物态方程的具体形式为：

$p(V) = \frac{3}{2}{K_{T0}}\left[ {{{\left(\frac{{{V_0}}}{V}\right)}^{7/3}} - {{\left(\frac{{{V_0}}}{V}\right)}^{5/3}}} \right]\left\{ {1+ \frac{3}{4}(K_{T0}' - 4)\left[ {{{\left(\frac{{{V_0}}}{V}\right)}^{2/3}} - 1} \right]} \right\}$

(2)

式中：V为比容，V₀为初始比容， ${K_{T0}}$ 为等温体模量， $K_{T0}'$ 为等温体模量对压力的一阶系数。

基于以上物理模型及表3的模型参数（其中K_T0和参考文献[32]并利用本文实验数据对其修正），对HMX晶体的斜波加载实验过程进行了数值模拟，计算和实验结果如图11～12所示。这里以Al/LiF窗口界面粒子速度计算的电极内表面压力历史为输入边界。由图11～12可得，计算结果与实验结果整体上吻合较好，尤其在弹塑性转变部分，计算结果能较好再现弹塑性区域的速度弛豫现象，说明本文中选择的物理模型及参数适用于HMX晶体斜波压缩动力学过程的描述。

表 3 模拟计算所用的模型参数

Table 3. Model parameters used in simulation

晶向	σ_y/GPa	G/GPa	η/(Pa·s)	K_T0/GPa	$K_{T0}'$
（010）	0.55	7	110	9.75	15.0
（011）	0.60	11	90	13.00	10.5

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图 11 （010）晶向模拟计算结果与实验结果对比

Figure 11. Calculated and experimental data of (010) crystal direction

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图 12 （011）晶向模拟计算结果与实验结果对比

Figure 12. Calculated and experimental data of (011) crystal direction

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3. 结　论

利用磁驱动加载装置CQ-4和激光干涉测速技术，开展了15 GPa压力内两种晶向HMX晶体的斜波加载实验，获得了包含弹塑性转变信息的速度波剖面。实验结果显示，HMX晶体两个晶向的动力学参数存在差异，通过数据处理获得了两个晶向HMX晶体的压力-相对比容曲线和声速-粒子速度曲线。结合Hobenemser-Prager弹-黏塑性本构关系和三阶Birch-Murnaghan物态方程对实验过程开展了数值模拟，计算结果可以较好再现HMX晶体斜波压缩下弹塑性转变对应的速度弛豫过程。

感谢吴刚、邓顺益、税荣杰和胥超等在实验运行和测试方面的帮助。

图 1 大落锤试验装置

Figure 1. Large-scale drop-hammer test device

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图 2 单自由度受迫振动模型

Figure 2. Single-degree-of-freedom forced vibration model

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图 3 试验炸药样品

Figure 3. Test explosive specimens

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图 4 样弹组件照片

Figure 4. Photo of simulated specimen assembly

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图 5 不同落高落锤试验回收试样的照片

Figure 5. Photo of recovered specimens of drop-hammer test at different heights

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图 6 不同落高实测应力-时间曲线

Figure 6. Measured stress-time curves at different heights

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图 7 C-1炸药累积加载速率-时间曲线

Figure 7. Cumulative loading rate-time curves of C-1 explosive

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图 8 不同工况对比结果

Figure 8. Comparison results of different testing conditions

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图 9 炸药对比样品

Figure 9. Comparison explosive specimens

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图 10 对比试验回收试样照片

Figure 10. Photos of recovered specimens in comparison tests

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图 11 对比试验的应力-时间曲线

Figure 11. Stress-time curves of comparison tests

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图 12 3种典型炸药冲击特性

Figure 12. Impact characteristics of three typical explosives

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图 13 对比炸药累积加载速率-时间曲线

Figure 13. Cumulative loading rate-time curves of comparison tests

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图 14 3种典型炸药的应力峰值随落高的变化

Figure 14. Stress peaks of three typical explosives varied with drop height

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表 1 不同落高落锤试验结果

Table 1. Results of drop-hammer tests at different heights

落高/m 爆轰概率/% 落高/m 爆轰概率/%

0.8 0 1.1 100

0.9 0 1.2 100

1.0 50 1.5 100

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表 2 C-1炸药冲击响应特性表征

Table 2. Impact response characterization of explosive C-1

特性落高法下限值法应力率表征法

H₅₀/m σ₅₀/MPa H₀/m σ₀/MPa C₀/(GPa²·s⁻¹)

1.0 776.79 0.9 748.90 344

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表 3 其他压装炸药的400 kg落锤撞击感度^[29]

Table 3. Impact sensitivities of drop-hammer test with 400 kg for other pressed explosives^[29]

名称组分 H₅₀/m σ₅₀/MPa

JOF 95.5%HMX+4.5%助剂 1.075 478
P-RDX 95%RDX+5%助剂 1.6 801

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