王 碩，盧芳云，陳 榮

(國防科技大學(xué) 文理學(xué)院，湖南 長沙 410000)

引 言

含能材料作為戰(zhàn)斗部裝藥的核心部件，在受到意外刺激時(shí)可能發(fā)生點(diǎn)火，炸藥點(diǎn)火后傳導(dǎo)燃燒，甚至可進(jìn)一步發(fā)展為對(duì)流燃燒[1]。對(duì)流燃燒產(chǎn)生的局部高壓足以驅(qū)動(dòng)炸藥中的裂紋高速擴(kuò)展，進(jìn)一步提高燃燒比表面積，驅(qū)使反應(yīng)升級(jí)并向高烈度轉(zhuǎn)化，甚至演化為爆轟。

對(duì)密實(shí)炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)演化的研究仍主要依托于實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)階段針對(duì)對(duì)流燃燒的縫隙增壓實(shí)驗(yàn)[2-8]關(guān)注于炸藥預(yù)制間隙中反應(yīng)產(chǎn)物的對(duì)流過程及表面燃燒行為。為了觀測(cè)密實(shí)炸藥內(nèi)部點(diǎn)火后的燃燒反應(yīng)演化，Dickson等[9]采用可視化的約束烤燃實(shí)驗(yàn)直接觀察PBX9501在烤燃之后的反應(yīng)傳播過程。基于該約束烤燃實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的Cindy實(shí)驗(yàn)[1]則被用來研究約束PBX9501中心點(diǎn)火后的反應(yīng)，該實(shí)驗(yàn)采用電熱絲加熱進(jìn)行點(diǎn)火，通過高速攝像機(jī)直接觀察點(diǎn)火后的燃燒反應(yīng)過程。Holmes 等[10-11]則進(jìn)一步采用激光點(diǎn)火研究了不同預(yù)應(yīng)力條件下藥柱中心點(diǎn)火后的反應(yīng)演化，結(jié)果表明后續(xù)的反應(yīng)響應(yīng)受到加載預(yù)應(yīng)力的影響，預(yù)應(yīng)力對(duì)點(diǎn)火氣體的密封限制作用是對(duì)流燃燒反應(yīng)早期演化的主控因素之一。

在炸藥事故反應(yīng)中，炸藥變形和斷裂行為特性以及氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物壓力均顯著依賴于周邊結(jié)構(gòu)的約束狀態(tài)[12]。不同約束狀態(tài)下的燃燒反應(yīng)演化特征也不同[13-15]，現(xiàn)有的研究尚未精細(xì)地分析約束作用對(duì)反應(yīng)烈度和演化過程的影響，因此本研究擬開展不同約束作用下的PBX炸藥點(diǎn)火后反應(yīng)演化實(shí)驗(yàn)研究，通過拍攝點(diǎn)火后反應(yīng)演化圖像并進(jìn)行深入分析，獲取約束條件對(duì)反應(yīng)演化的影響規(guī)律，揭示其影響反應(yīng)演化過程的作用機(jī)制，為進(jìn)一步開展裝藥意外點(diǎn)火后的安全性研究提供技術(shù)支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣 品

實(shí)驗(yàn)所用炸藥樣品為某HMX基PBX，由西安近代化學(xué)研究所提供，各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為：HMX 95%、黏結(jié)劑5%；其理論最大密度為1.887g/cm3，實(shí)測(cè)密度為1.760g/cm3；樣品直徑為(19.97±0.02)mm，高度為(2.03±0.02)mm，藥片試樣如圖1所示。炸藥片試樣細(xì)觀光學(xué)顯微形貌及斷面掃描電鏡圖如圖2所示。

圖1 HMX基PBX炸藥片試樣的宏觀形貌Fig.1 Macro-morphology of HMX based PBX

圖2 炸藥片試樣細(xì)觀和微觀形貌Fig.2 The micro and macro morphology of an PBX sample

由圖1和圖2可以看到粒徑為毫米量級(jí)且形狀各異的大顆粒，該大顆粒由許多細(xì)小的晶體小顆粒和較少的包覆黏結(jié)劑構(gòu)成，大顆粒之間存在清晰的顆粒交界面。由于大顆粒粒徑形狀有一定隨機(jī)性，不同藥片試樣、同一藥片不同位置處的細(xì)觀形貌略有不同，部分區(qū)域大顆粒間交界面不明顯。由圖2(b)可以看到，基體中暴露出的炸藥晶體顆粒粒徑在10μm量級(jí)；晶體顆粒之間相互擠壓，部分顆粒內(nèi)部存在微裂紋；黏結(jié)劑對(duì)晶體顆粒的包覆程度較好，晶體顆粒交界處和晶體表面存在細(xì)密的黏結(jié)劑。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Diagram of the apparatus

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖4所示，通過上下端蓋、鋼化玻璃底座、窗口、聚四氟乙烯墊片和金屬圓環(huán)組合形成的密閉空間來約束炸藥片。通過6個(gè)12.9級(jí)強(qiáng)度的M8螺栓對(duì)裝置進(jìn)行緊固，聚四氟乙烯墊片高度為(1.15±0.02)mm，直徑為(19.98±0.03)mm；炸藥片高度為(2.03±0.02)mm，直徑為(19.97±0.02)mm。金屬圓環(huán)高度為(3.0±0.03)mm，略低于聚四氟乙烯墊片和炸藥片高度之和，螺栓預(yù)緊力能直接作用在炸藥片上，進(jìn)而保證炸藥片上下端面具有一定的氣密性，不會(huì)在尚未發(fā)生劇烈反應(yīng)前發(fā)生大面積泄壓。在炸藥片中心預(yù)制0.85mm的通孔，通孔內(nèi)設(shè)置Cr20Ni80電熱絲，通過直流電源對(duì)電熱絲進(jìn)行通電加熱，進(jìn)而點(diǎn)燃電熱絲附近的炸藥。

圖4 3種金屬約束圓環(huán)Fig.4 Metal rings for restraints

采用如圖4所示的3種不同的金屬圓環(huán)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)炸藥片徑向方向變形進(jìn)行不同程度的約束。3種約束圓環(huán)的高度均為(3.0±0.03)mm，內(nèi)徑為(19.98±0.02)mm，該約束圓環(huán)內(nèi)徑尺寸保證了約束圓環(huán)與藥片、聚四氟乙烯墊片之間具有極小的裝配間隙；在軸向螺栓預(yù)緊力的作用下，藥片發(fā)生一定程度的徑向變形，以保證其與約束圓環(huán)之間進(jìn)一步緊密貼合。3種約束圓環(huán)具有不同的外徑，其中，外徑為22.0mm(寬度1.0mm)和外徑為28.0mm(寬度4.0mm)的約束圓環(huán)材料為黃銅，外徑為33.0mm(寬度6.5mm)的圓環(huán)材料為鋼。3種約束圓環(huán)分別代表不同強(qiáng)度的約束條件，寬度1.0mm銅環(huán)代表弱約束強(qiáng)度；寬度4.0mm銅環(huán)代表中等約束強(qiáng)度；寬度6.5mm鋼環(huán)代表強(qiáng)約束強(qiáng)度。

1.3 測(cè)試方法

實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，將其置于爆炸罐內(nèi)進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試設(shè)備的防護(hù)。爆炸罐罐口設(shè)置有鋼化玻璃觀察窗口；通過該觀察窗口，采用高速相機(jī)拍攝炸藥點(diǎn)火后的反應(yīng)演化過程，拍攝幀頻為2×105s-1；采用補(bǔ)光燈對(duì)炸藥片進(jìn)行補(bǔ)光。高速相機(jī)、補(bǔ)光燈及設(shè)備防護(hù)的設(shè)置情況如圖6所示。

圖5 實(shí)際實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.5 Experimental apparatus

圖6 高速相機(jī)和防護(hù)裝置實(shí)物圖Fig.6 High speed camera and protection device

2 結(jié)果及分析

2.1 不同約束下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 弱約束點(diǎn)火反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

在弱約束下，炸藥反應(yīng)演化圖像見圖7。

圖7 1.0mm銅環(huán)約束作用下PBX炸藥中心點(diǎn)火反應(yīng)演化過程Fig.7 Evolution process of central ignition reaction of PBX explosive under 1.0mm copper ring constraint

由圖7可見，在電熱絲加熱的作用下，炸藥中心在0μs發(fā)生點(diǎn)火并發(fā)出可見的亮光；35μs后點(diǎn)火處的火光明顯變亮，并初步發(fā)出4條放射狀裂紋。在燃燒火焰的驅(qū)動(dòng)下裂紋在30μs內(nèi)持續(xù)傳播約5.4mm，其中3條裂紋的傳播在65μs時(shí)發(fā)生停滯，可以觀察到在炸藥邊緣與放射狀裂紋尖端之間存在點(diǎn)亮的徑向分支裂紋；95μs時(shí)，各分支裂紋內(nèi)部接近主裂紋處也分別被點(diǎn)燃，火焰沿分支裂紋內(nèi)部向約束邊界傳播，并在155μs時(shí)先后達(dá)到炸藥與圓環(huán)約束接觸界面，接觸間隙也初步被點(diǎn)燃。隨著各主裂紋和分支裂紋之間的裂紋尖端緩慢地?cái)U(kuò)展，最終在195μs時(shí)先后發(fā)生貫通，且燃燒反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)入炸藥與圓環(huán)的接觸面內(nèi)。

隨著反應(yīng)持續(xù)演化，可以觀察到在410μs時(shí)刻反應(yīng)劇烈程度達(dá)到高峰，火光明顯增強(qiáng)，約束接觸間隙內(nèi)的反應(yīng)面積顯著增大；在接下來的85μs內(nèi)反應(yīng)又逐漸減弱，約束接觸間隙內(nèi)的反應(yīng)面積減小，裂紋內(nèi)的火光明顯弱于裂紋剛貫通時(shí)。隨后，反應(yīng)烈度又逐漸恢復(fù)并升高，并在640μs時(shí)刻又一次達(dá)到高峰，約束接觸間隙內(nèi)的反應(yīng)面積和裂紋內(nèi)的反應(yīng)火光均大于第一次；反應(yīng)持續(xù)195μs后又顯著降低，約束接觸間隙和各分支裂紋內(nèi)的燃燒火焰近乎完全熄滅，僅在主裂紋中仍存在暗淡的火光，被分割為4塊的炸藥基體中存在數(shù)條放射狀徑向裂紋。反應(yīng)烈度在其后的60μs內(nèi)又迅速增大，環(huán)形的約束接觸間隙在895μs時(shí)刻幾乎被完全點(diǎn)燃，炸藥基體內(nèi)更多的徑向裂紋被點(diǎn)燃，反應(yīng)劇烈程度超過前幾次高峰；劇烈反應(yīng)持續(xù)40μs，隨著燃燒火焰逐漸貫通和交匯，炸藥基體被進(jìn)一步地切割為大小不一的十幾塊，圓環(huán)解體而不再起到約束作用，部分炸藥碎塊逐漸被拋出。隨著約束圓環(huán)解體和泄壓，反應(yīng)在55μs內(nèi)迅速下降并徹底熄滅。

2.1.2 中等約束點(diǎn)火反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

在中等約束作用下，炸藥反應(yīng)演化圖像見圖8。由圖8可見，在電熱絲加熱的作用下，炸藥中心在0μs發(fā)生點(diǎn)火并發(fā)出可見的亮光；在點(diǎn)火發(fā)生35μs后，炸藥中心點(diǎn)火處的火光明顯增強(qiáng)并初步顯現(xiàn)出5條放射狀裂紋。在150μs時(shí)刻，放射狀裂紋在燃燒反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)下部分到達(dá)炸藥與圓環(huán)約束接觸界面；在30μs后(180μs時(shí)刻)5條裂紋均達(dá)到約束接觸面，接觸間隙被大面積點(diǎn)燃，裂紋內(nèi)部反應(yīng)火光也進(jìn)一步增強(qiáng)，被切為5塊炸藥基體局部發(fā)生了“角裂”式的破碎。隨著反應(yīng)持續(xù)增強(qiáng)，圓環(huán)發(fā)生極速擴(kuò)張，炸藥基體進(jìn)一步破碎，反應(yīng)在220μs時(shí)刻達(dá)到高峰；在接下來的120μs內(nèi)，各裂紋內(nèi)部的燃燒反應(yīng)逐漸熄滅，反應(yīng)烈度逐漸下降，在340μs時(shí)刻反應(yīng)徹底熄滅。

圖8 4.0mm銅環(huán)約束作用下PBX炸藥中心點(diǎn)火反應(yīng)演化過程Fig.8 Evolution process of central ignition reaction of PBX explosive under 4.0mm copper ring confinement

2.1.3 強(qiáng)約束點(diǎn)火反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

在強(qiáng)約束作用下，炸藥反應(yīng)演化圖像見圖9。由圖9可見，在電熱絲加熱的作用下，炸藥中心在0μs發(fā)生點(diǎn)火并發(fā)出可見的亮光；持續(xù)引燃100μs后，炸藥中心點(diǎn)火處的燃燒區(qū)域面積顯著增大，并逐步開始向外傳播；在125μs時(shí)刻，燃燒反應(yīng)驅(qū)動(dòng)數(shù)條裂紋向外傳播。在220μs時(shí)刻裂紋內(nèi)部反應(yīng)烈度進(jìn)一步增加，裂紋及點(diǎn)火處發(fā)出劇烈的火光，反應(yīng)演化圖像顯示左下方存在大面積的火焰，其原因可能是該區(qū)域炸藥片和玻璃窗口之間氣密性不良，導(dǎo)致左下方裂紋內(nèi)部氣體大量溢出。在240μs時(shí)刻，反應(yīng)驅(qū)動(dòng)裂紋到達(dá)約束接觸界面，且在裂紋與界面交匯處發(fā)出多道強(qiáng)烈的火光，在之后的20μs內(nèi)，反應(yīng)烈度急劇增加，鋼化玻璃窗口破碎；這也說明反應(yīng)烈度升級(jí)的主要原因是圖像中3條裂紋內(nèi)的反應(yīng)演化，而不是圖像中左下方大面積的燃燒火焰。在315μs時(shí)刻，隨著鋼化玻璃的破碎噴出，反應(yīng)火光逐漸熄滅。

圖9 6.5mm鋼環(huán)約束作用下PBX炸藥中心點(diǎn)火反應(yīng)演化過程Fig.9 Evolution process of central ignition reaction of PBX explosive under the constraint of 6.5mm steel ring

2.2 約束條件對(duì)反應(yīng)烈度的影響

為了定性分析PBX炸藥片中心點(diǎn)火后的反應(yīng)烈度，本研究對(duì)拍攝得到的反應(yīng)演化圖像進(jìn)行處理，提取能夠反映反應(yīng)烈度的特征量?；贛ATLAB進(jìn)行圖像處理，得到非黑即白的二值化圖像。假定該圖像中白色區(qū)域代表高光區(qū)域，表示該區(qū)域正在發(fā)生燃燒反應(yīng)或存在爆炸、燃燒火焰；而黑色區(qū)域則表示該區(qū)域當(dāng)前時(shí)刻未發(fā)生反應(yīng)或不存在爆炸、燃燒火焰。選定將二值化圖像中白色像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)作為表征反應(yīng)烈度的特征量。考慮初始未點(diǎn)火時(shí)圖像背景可能存在部分高光區(qū)域，對(duì)該特征量進(jìn)行零初始化，并將不同時(shí)刻的白色像素點(diǎn)個(gè)數(shù)除以總像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，進(jìn)而將該特征量進(jìn)行無量綱化。對(duì)各個(gè)時(shí)刻的反應(yīng)演化圖像重復(fù)上述過程，得到能夠定性表征反應(yīng)烈度演化的特征量曲線如圖10所示。

圖10 不同約束下的反應(yīng)演化特征量曲線及相應(yīng)反應(yīng)階段Fig.10 The characteristic curves and associated reaction stages of the reaction under different constraints

由圖10可以看出，弱約束條件作用下的反應(yīng)烈度最低，反應(yīng)火光相較于中、強(qiáng)約束條件下則明顯暗淡，僅在各裂紋和約束界面上發(fā)出明顯火光；最終炸藥的基體破碎為相對(duì)較為完整的十幾塊；反應(yīng)升級(jí)過程經(jīng)歷了3次明顯的反應(yīng)增長-降低-增長，從反應(yīng)傳播階段的主裂紋貫通到第一次反應(yīng)烈度高峰共計(jì)歷時(shí)約215μs，到第4次反應(yīng)烈度高峰則共計(jì)歷時(shí)約685μs。中等約束條件作用下的反應(yīng)烈度則明顯高于弱約束情況，尤其是約束界面被點(diǎn)燃后發(fā)出強(qiáng)烈的火光；炸藥基體破碎為許多小碎塊；且不同于弱約束條件下圓環(huán)解體時(shí)部分炸藥碎片被拋擲，中等約束條件下的圓環(huán)始終保持完整，這表明最終反應(yīng)熄滅時(shí)缺失的部分炸藥可能是在數(shù)十微秒內(nèi)被快速消耗；反應(yīng)升級(jí)過程從反應(yīng)傳播階段的主裂紋貫通到反應(yīng)烈度高峰則共計(jì)歷時(shí)約70μs。強(qiáng)約束條件作用下的反應(yīng)烈度最高，約束界面被點(diǎn)燃后發(fā)出劇烈的火光，并瞬間布滿整個(gè)視場(chǎng)；鋼化玻璃窗口完全破碎；從反應(yīng)傳播階段的主裂紋貫通到反應(yīng)烈度高峰僅歷時(shí)約40μs。

2.3 約束條件對(duì)反應(yīng)演化影響的機(jī)制分析

本研究將炸藥中心點(diǎn)火后的反應(yīng)演化過程分為如下4個(gè)階段，并基于該4個(gè)階段對(duì)約束強(qiáng)度影響反應(yīng)演化過程的機(jī)制進(jìn)行分析。反應(yīng)烈度演化的特征量曲線按該4個(gè)階段進(jìn)行劃分，如圖10所示。

(1)階段一：裂紋擴(kuò)展及燃燒火焰?zhèn)鞑ァ?/p>

以炸藥片中心出現(xiàn)明顯可見的亮光為初始點(diǎn)火時(shí)刻，經(jīng)過一段時(shí)間的累積后，點(diǎn)火區(qū)域反應(yīng)明顯增長，初步形成以點(diǎn)火區(qū)域?yàn)橹行臄?shù)條向外發(fā)散的放射狀主裂紋。如圖10所示，強(qiáng)約束條件下的點(diǎn)火過程持續(xù)時(shí)間更久；隨著約束強(qiáng)度減弱，反應(yīng)演化更快地進(jìn)入階段一。這是由于約束條件改變導(dǎo)致中心點(diǎn)火處生成初始裂紋需要的壓力也相應(yīng)改變，裂紋在弱約束條件下更容易生成。

放射狀主裂紋出現(xiàn)后，燃燒火焰沿著裂紋內(nèi)部傳播并驅(qū)動(dòng)該主裂紋向前擴(kuò)展。不同約束條件下的燃燒火焰尖端在徑向方向傳播的位移時(shí)間曲線如圖11所示。其中，弱約束條件下的火焰尖端傳播速度最快；隨著約束強(qiáng)度的增加，燃燒火焰尖端的傳播速度逐漸變慢。分析火焰尖端傳播速度隨約束強(qiáng)度增強(qiáng)而減慢的原因，可能是由裂紋傳播和火焰?zhèn)鞑ナ芟迌煞矫鎸?dǎo)致的。

圖11 不同約束下的燃燒火焰尖端傳播位移時(shí)間曲線Fig.11 Displacement-time curves for flame tips under different constraints

對(duì)于裂紋傳播過程，根據(jù)斷裂力學(xué)理論可知放射狀裂紋為二維張開型(I型)裂紋，其裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力主要為垂直于裂紋面內(nèi)由高壓氣體產(chǎn)生的拉應(yīng)力。當(dāng)裂紋尖端拉應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于炸藥材料的止裂韌度時(shí)，裂紋發(fā)生擴(kuò)展；而應(yīng)力強(qiáng)度因子小于止裂韌度時(shí)，裂紋擴(kuò)展停滯。隨著約束強(qiáng)度的增強(qiáng)，反應(yīng)演化過程中的炸藥片在徑向方向的變形被約束，炸藥片內(nèi)部在周向方向受到更強(qiáng)的壓應(yīng)力。在裂紋尖端處，強(qiáng)約束導(dǎo)致的壓應(yīng)力部分抵消了裂紋尖端拉應(yīng)力，使得應(yīng)力強(qiáng)度因子減小，相應(yīng)的裂紋更難以擴(kuò)展。

對(duì)于火焰?zhèn)鞑ミ^程，強(qiáng)約束條件也限制了裂紋內(nèi)部燃燒火焰的快速傳播。由于強(qiáng)約束導(dǎo)致的高周向壓應(yīng)力限制了裂紋的開度，而狹窄縫隙內(nèi)壁面的摩擦效應(yīng)和黏性約束效應(yīng)更加明顯，狹窄裂紋內(nèi)部氣體流動(dòng)受限，導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ズ腿紵磻?yīng)傳播速度降低。這種現(xiàn)象與炸藥縫隙燃燒演化實(shí)驗(yàn)[3,6]觀測(cè)結(jié)果相一致，該實(shí)驗(yàn)表明：隨著裂縫寬度的增加，縫隙內(nèi)對(duì)流燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣群头磻?yīng)波陣面速度均逐漸增加。

由上述分析可知，強(qiáng)約束下的縫隙開度較小，且縫隙上下端面受到更大的周向壓應(yīng)力作用，縫隙內(nèi)氣體流動(dòng)受限，這些都導(dǎo)致強(qiáng)約束下狹窄縫隙內(nèi)的氣體壓力高于弱約束下縫隙內(nèi)的氣壓；而更高的氣體壓力和溫度使得縫隙壁面燃燒反應(yīng)速度迅速增加，相應(yīng)反應(yīng)演化速度更快、反應(yīng)烈度更高。

此外，反應(yīng)傳播驅(qū)動(dòng)放射狀主裂紋迅速穿透炸藥基體，導(dǎo)致基體細(xì)觀結(jié)構(gòu)差異性對(duì)裂紋傳播過程的影響較小。中等約束實(shí)驗(yàn)回收得到的部分藥片碎塊如圖12(a)所示，紅色箭頭所示為主裂紋面，可以觀察到主裂紋面穿透了由許多晶體小顆粒和較少包覆黏結(jié)劑構(gòu)成的大顆粒。如1.1節(jié)所述，不同藥片細(xì)觀結(jié)構(gòu)的差異主要源于大顆粒的粒徑和形狀具有一定隨機(jī)性，而快速穿透基體的裂紋并非沿大顆粒之間的界面?zhèn)鞑?，其傳播路徑上發(fā)生大量的穿晶斷裂，如圖12(b)所示。因此，本研究認(rèn)為各藥片細(xì)觀結(jié)構(gòu)差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。

圖12 回收藥片試樣形貌Fig.12 Morphology of recovered sample

(2)階段二：火焰達(dá)到約束界面并沿界面?zhèn)鞑ァ?/p>

隨著放射狀裂紋內(nèi)的火焰尖端傳播到達(dá)約束界面后，縫隙內(nèi)的高壓氣體直接作用在約束圓環(huán)上。弱約束條件下，約束圓環(huán)更容易發(fā)生變形，導(dǎo)致圓環(huán)與炸藥片之間產(chǎn)生間隙。燃燒火焰進(jìn)入該界面，幾乎整個(gè)圓環(huán)-炸藥片接觸間隙均發(fā)生對(duì)流燃燒。而隨著約束強(qiáng)度的增加，圓環(huán)抵抗變形的能力增強(qiáng)。中等約束條件下，較小的圓環(huán)局部變形導(dǎo)致火焰進(jìn)入界面的面積顯著小于弱約束條件下的情況。

對(duì)比弱、中等約束條件下的反應(yīng)演化過程，弱約束條件下的大面積界面反應(yīng)傳播雖然有助于增加反應(yīng)面積，但是整體的反應(yīng)烈度明顯低于中等約束條件，相應(yīng)的反應(yīng)演化速度也較慢，如圖10所示。分析其原因，接觸界面的氣體流動(dòng)一定程度上可以視為是對(duì)炸藥主裂紋內(nèi)氣體進(jìn)行泄壓；而燃燒反應(yīng)類似于熱分解，具有自加速的特征，且燃燒速度強(qiáng)烈地依賴于氣體壓力；因此，氣體流入接觸間隙將導(dǎo)致主裂紋內(nèi)的增壓速度降低、反應(yīng)演化速度變慢。強(qiáng)約束條件下幾乎不發(fā)生界面火焰?zhèn)鞑?，反?yīng)演化速度則極快，當(dāng)火焰尖端接觸到圓環(huán)接觸界面后，該處的反應(yīng)烈度迅速增大，反應(yīng)演化過程直接到達(dá)階段三。

(3)階段三：基體破碎、燃燒反應(yīng)面積和反應(yīng)烈度迅速增大。

隨著主裂紋、約束接觸界面內(nèi)的反應(yīng)演化和壓力迅速增長，炸藥基體進(jìn)一步發(fā)生斷裂和破碎。弱約束作用下，主裂紋、約束接觸界面內(nèi)氣體壓力差距不大，炸藥基體內(nèi)應(yīng)力梯度較低，炸藥基體主要以宏觀裂紋傳播和貫通的方式破碎為較為完整的幾大塊。強(qiáng)約束作用下，接觸間隙內(nèi)的對(duì)流燃燒被限制，局部區(qū)域反應(yīng)達(dá)到更高的壓力，在該高壓力的作用下炸藥基體破碎為細(xì)小碎塊，反應(yīng)面積迅速增大導(dǎo)致反應(yīng)烈度急劇增高。

(4)階段四：燃燒火焰熄滅。

在高壓下約束圓環(huán)變形、斷裂或鋼化玻璃解體導(dǎo)致泄壓；燃燒火焰熄滅。

3 結(jié) 論

(1) 點(diǎn)火后的反應(yīng)演化過程可以分為4個(gè)階段：裂紋擴(kuò)展及燃燒火焰?zhèn)鞑?；火焰達(dá)到約束界面并沿界面?zhèn)鞑?；基體破碎、燃燒反應(yīng)面積和反應(yīng)烈度迅速增大；約束解體，火焰逐漸熄滅。

(2) 在裂紋擴(kuò)展及燃燒火焰?zhèn)鞑ルA段，圓環(huán)約束作用主要通過影響炸藥內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)而影響裂紋擴(kuò)展和燃燒反應(yīng)傳播的速度。弱約束強(qiáng)度作用下的對(duì)流燃燒驅(qū)動(dòng)火焰尖端傳播速度明顯快于強(qiáng)約束中火焰尖端的傳播速度。

(3) 在火焰達(dá)到約束界面并沿界面?zhèn)鞑ルA段，約束圓環(huán)變形進(jìn)而引導(dǎo)燃燒火焰反應(yīng)進(jìn)入圓環(huán)與炸藥的界面。弱約束下，大面積界面被點(diǎn)燃，但相應(yīng)的反應(yīng)升級(jí)速度較慢、烈度較低；強(qiáng)約束下，圓環(huán)抵抗變形能力更強(qiáng)，界面氣體流動(dòng)減小，炸藥主裂紋內(nèi)的反應(yīng)烈度升級(jí)速度更快。

(4) 炸藥基體斷裂和破碎是導(dǎo)致反應(yīng)烈度進(jìn)一步升級(jí)的關(guān)鍵機(jī)制。強(qiáng)約束下，主裂紋端部迅速增壓導(dǎo)致的基體局部破碎進(jìn)一步加劇了反應(yīng)烈度的升高。