高方方，楊豪杰，陳爾余

彈藥防殉爆包裝技術(shù)研究進(jìn)展

高方方，楊豪杰，陳爾余

（武警士官學(xué)校，杭州 310000）

研究防殉爆相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)性能優(yōu)異的復(fù)合材料，以求推動(dòng)防殉爆包裝技術(shù)的發(fā)展，更好地滿足未來戰(zhàn)爭的需求。從對比國內(nèi)外彈藥包裝的研究進(jìn)展出發(fā)，著重介紹防殉爆包裝技術(shù)原理及應(yīng)用實(shí)例，并介紹相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)性能優(yōu)異的復(fù)合材料，為彈藥防殉爆包裝提供參考。防殉爆包裝的主要原理包括隔爆、泄爆、抗震和緩沖等，因此需要加強(qiáng)對防殉爆包裝材料的阻燃性能、包裝設(shè)計(jì)和抗沖擊性等方面的研究。阻燃防爆材料和防彈抗爆材料的性能均十分優(yōu)異，尤其是由聚合物制成的復(fù)合材料和由石墨烯增強(qiáng)的纖維復(fù)合材料，它將在彈藥防殉爆包裝領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

彈藥包裝；防殉爆技術(shù)；復(fù)合材料

軍用物資包裝是指用于軍事目的并符合要求的物資包裝，其特點(diǎn)主要：需滿足部隊(duì)快速反應(yīng)的要求，需滿足在惡劣環(huán)境中的儲存和使用要求[1]。彈藥作為消耗最多的軍用物資之一，擔(dān)負(fù)著摧毀軍事目標(biāo)和殲滅敵方有生力量的任務(wù)，在戰(zhàn)爭中發(fā)揮著不可替代的作用。在生產(chǎn)到使用的整個(gè)周期中，彈藥大部分時(shí)間都處于儲存狀態(tài)中，彈藥包裝作為彈藥的防護(hù)體，其可靠性直接決定了彈藥的安全性[2]，因此，彈藥包裝的作用至關(guān)重要，不僅要強(qiáng)度高、密封性好，而且應(yīng)便于運(yùn)輸和使用等。另外，隨著作戰(zhàn)環(huán)境越來越復(fù)雜，對彈藥包裝的要求亦越來越高，包裝還應(yīng)具備防電磁、防生化和防殉爆等功能[3-5]。

近年來，我國的彈藥包裝研究領(lǐng)域主要集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、集裝設(shè)計(jì)和防護(hù)設(shè)計(jì)等3個(gè)方面。在防護(hù)設(shè)計(jì)方面，彈藥的防殉爆設(shè)計(jì)逐漸引起了大家的重視[6]。其實(shí)早在20世紀(jì)，國外就開展了防殉爆設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn)[7-8]，然而，我國的彈藥包裝技術(shù)（尤其防殉爆領(lǐng)域）發(fā)展較為落后，且缺乏系統(tǒng)研究[9]。經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，我國彈藥包裝防護(hù)方法、包裝用材也有很大的改變和發(fā)展，當(dāng)前彈藥包裝多選用工程塑料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等。這些聚合物和纖維等復(fù)合材料[10-11]在阻燃和防彈領(lǐng)域性能表現(xiàn)十分優(yōu)異，將這些復(fù)合材料應(yīng)用于彈藥包裝，必將有助于提高彈藥包裝的防殉爆性能，因此，文中從對比國內(nèi)外彈藥包裝研究進(jìn)展出發(fā)，著重介紹防殉爆包裝技術(shù)原理和應(yīng)用實(shí)例，并介紹近年來有關(guān)防殉爆設(shè)計(jì)相關(guān)材料的研究進(jìn)展，以求推動(dòng)彈藥防殉爆包裝技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。

1 國內(nèi)外彈藥包裝研究進(jìn)展

我軍的彈藥包裝歷經(jīng)木箱包裝、鐵皮包裝、集裝籠式包裝和工程塑料包裝等發(fā)展階段。在彈藥包裝的材料使用上，相較于金屬包裝，工程塑料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，但其透濕性、透氧性和防滑性仍需進(jìn)一步地改善，以滿足在運(yùn)輸和儲存方面的要求[12]。有關(guān)研究單位研發(fā)制成的工程塑料彈藥包裝箱有：PVC塑料彈藥包裝箱、聚乙烯塑料彈藥包裝筒和聚丙烯塑料彈藥包裝筒等[13-15]。隨著包裝要求的提高，玻璃鋼材料被研究者們用來制作彈藥包裝箱，如采用玻璃鋼材料設(shè)計(jì)的新型航空炸彈密封包裝箱[16]。除此以外，研究者們還設(shè)計(jì)出了一些具有特殊功能的彈藥包裝箱。如利用導(dǎo)電布等復(fù)合材料制成的電磁屏蔽包裝箱[17]，以及利用塑木復(fù)合材料制成的環(huán)保型包裝[18]等。我軍在彈藥包裝的研究發(fā)展中也存在著一些問題，如：某些彈藥包裝需具有防靜電要求，而目前的包裝技術(shù)還無法滿足；我軍在彈藥包裝的通用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的起步較晚，未形成完善的標(biāo)準(zhǔn)體系。

相較于國內(nèi)，國外更早地意識到了彈藥包裝的重要性，因此，國外的研發(fā)系統(tǒng)更為完整且全面，尤其是美國。國外的彈藥包裝材料經(jīng)歷了從木箱、金屬箱到非金屬箱的發(fā)展，從20世紀(jì)80年代開始，國外就已經(jīng)開始對工程塑料包裝箱進(jìn)行研究，到1999年工程塑料使用比例也逐漸升高至65%左右[19]。國外軍隊(duì)在新型彈藥包裝材料的研究上不斷進(jìn)行探索：通過采用鋁塑復(fù)合膜內(nèi)包裝、涂覆防水涂料來提高防水、防潮性能[20]；在彈藥筒材料上采用聚酰胺（環(huán)氧）玻璃纖維增強(qiáng)塑料來提高抗沖擊性、抗老化性和高低溫適應(yīng)性[21]；在封存炮彈的可剝性塑料中添加增塑劑、緩蝕劑、礦物油等提高其防銹效果[22]。國外軍隊(duì)在彈藥包裝的設(shè)計(jì)技術(shù)上，研制了由筒體和彈性材料密封環(huán)組成彈藥塑料筒，能夠?qū)椝幤鸬奖Ｗo(hù)效果；研制了棉布袋散裝火藥的塑料筒，具有優(yōu)良的強(qiáng)度和抗靜電性能。在彈藥包裝的包裝實(shí)驗(yàn)方面，美軍已形成了一整套規(guī)范化、系統(tǒng)化的軍用包裝標(biāo)準(zhǔn)體系和彈藥包裝試驗(yàn)體系，并且這些標(biāo)準(zhǔn)都有大量支持性文件。隨著高新技術(shù)武器的發(fā)展，美軍將會在智能型包裝、抗電磁包裝、防輻射包裝和防殉爆包裝等方面進(jìn)一步發(fā)展。結(jié)合國內(nèi)外彈藥包裝的發(fā)展趨勢，防殉爆包裝必將是未來彈藥包裝領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要研究方向。

2 防殉爆技術(shù)

殉爆是指某處的炸藥爆炸引起一定范圍內(nèi)的另一處炸藥爆炸的現(xiàn)象。影響殉爆的主要因素有爆炸時(shí)產(chǎn)生的沖擊波、介質(zhì)、爆轟產(chǎn)物、溫度、時(shí)間和感度等[23]。在通常情況下，一般采用數(shù)值模擬分析[24]和殉爆試驗(yàn)來評估彈藥的殉爆危險(xiǎn)性[25-26]。

包裝箱內(nèi)的彈藥一般較為密集，若主發(fā)彈藥在包裝箱內(nèi)，考慮到距離近、空間小和沖擊波壓強(qiáng)大等因素[27-28]，實(shí)現(xiàn)其他彈藥的防殉爆保護(hù)比較困難，因此，在相鄰彈藥之間設(shè)置有效的阻隔介質(zhì)，避免或者減弱對其他彈藥的沖擊作用，才有可能實(shí)現(xiàn)防殉爆的目的。為了應(yīng)對主發(fā)彈藥爆炸產(chǎn)生的沖擊波、爆轟產(chǎn)物（破片）和高溫[29]，阻隔介質(zhì)理應(yīng)具備3個(gè)方面的功能：吸收沖擊波能量、防破片打擊和隔熱。經(jīng)常用作阻隔介質(zhì)的材料有木材、泡沫、金屬及復(fù)合材料等[30-31]。另外，在包裝上設(shè)計(jì)一些泄壓通道，當(dāng)主發(fā)彈藥在包裝箱內(nèi)部發(fā)生爆炸時(shí)，使爆炸能量沿泄壓通道迅速排出，亦可降低其他彈藥發(fā)生殉爆的概率，如某型號火箭彈防殉爆包裝箱（見圖1）[32]。

圖1 某型號火箭彈防殉爆包裝箱

若主發(fā)彈藥處于包裝箱外部，則要求包裝箱應(yīng)具有良好的抗爆能力，即應(yīng)能抵御爆炸產(chǎn)生的沖擊波的破壞和應(yīng)能抵御破片（或子彈）的穿透[33]。另外，為了防止彈藥受到跌落或者撞擊而發(fā)生殉爆，包裝箱還應(yīng)采用高吸能的減震材料，用以吸收受到?jīng)_擊的能量。例如某空運(yùn)型鈍感彈藥防殉爆包裝箱（見圖2）[34]，該包裝箱由鋼制外殼和蜂窩狀吸能材料組成，具有良好的抗爆和減震效果。

圖2 某空運(yùn)型鈍感彈藥防殉爆包裝箱

3 防殉爆包裝材料

針對以上所述的隔爆和抗爆的原理，在彈藥的防殉爆包裝材料大致可以分為2類：阻燃防沖擊抗爆材料和防擊穿抗爆材料。

3.1 阻燃防沖擊抗爆材料

目前，在彈藥包裝領(lǐng)域使用的材料主要有：金屬、塑料、玻璃鋼及復(fù)合材料等，由這些材料組成的包裝可以保障彈藥基本的安全，但由于這些包裝在設(shè)計(jì)之初大多沒有考慮防殉爆的需求，所以不具備防殉爆功能。彈藥爆炸會產(chǎn)生沖擊波、爆轟產(chǎn)物和高溫，所以在設(shè)計(jì)具備防殉爆功能的彈藥包裝箱時(shí)必需用到阻燃防爆材料。阻燃防爆材料能快速傳遞熱量，阻止火焰?zhèn)鞑?，從而防止殉爆事故，其基本原理[35]是用蜂窩結(jié)構(gòu)的多孔材料填充包裝箱，將包裝箱分成狹窄的腔體，該多孔材料具有熄滅火焰和衰減沖擊波的作用，因此它可以抑制火焰的快速蔓延和能量的瞬時(shí)釋放，從而達(dá)到防殉爆的目的。阻燃隔熱材料主要分為金屬和非金屬2類。

蜂窩結(jié)構(gòu)的金屬鋁以其高比強(qiáng)度、高比剛度和良好的吸能能力被廣泛應(yīng)用于防爆領(lǐng)域[36-37]。宋洪鎖等[38]發(fā)明一種阻燃防爆彈藥箱（見圖3），該彈藥箱由輕質(zhì)抗沖擊滾塑外殼和發(fā)泡鋁防爆內(nèi)殼組成，并且內(nèi)外殼之間加裝多層隔熱層，從而使彈藥箱具有良好的隔熱、防爆和防破片能力。發(fā)泡鋁是一種在鋁合金基體（或鋁）中均勻分布大量孔洞的新型多功能材料，其導(dǎo)熱率僅為純鋁的1/5～1/500，并且吸能能力高達(dá)490～3 430 kJ/m3，在1 400 ℃的條件下也不發(fā)生熔解，同時(shí)可降低80%以上的高頻電磁波干擾，是一種優(yōu)秀的彈藥包裝材料。Li等[39]基于生物學(xué)靈感，使用鋁材料設(shè)計(jì)了一種新型的防爆仿生層狀蜂窩結(jié)構(gòu)，主要由犧牲層和承載層組成。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，結(jié)果表明，在爆炸載荷作用下，犧牲層呈層狀交錯(cuò)排列，可以吸收大量能量，表現(xiàn)出良好的綜合性能，具有承受多重爆炸載荷的能力。Nie等[40]通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究得出結(jié)論，泡沫陶瓷既可以抑制火焰的蔓延，又能明顯衰減沖擊波，該材料將成為新一代防爆手段。

圖3 阻燃防爆彈藥箱

雖然金屬材料的性能十分良好，但出于輕量化的考量，一些研究人員對非金屬材料展開了研究。邢志祥等[41]研究了由聚丙烯制成的新型多孔材料的阻燃抑爆性能，其性能優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬材料。魯長波等[42]對自制非金屬材料的防爆性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，相對于金屬防爆材料，非金屬防爆材料可有效吸收大量的沖擊動(dòng)能，在阻攔沖擊波、爆炸破片和火焰方面表現(xiàn)更佳，防爆性能更好。肖蕓蕓等[43]以正硅酸乙酯和苯并噁嗪單體為原料制備聚苯并噁嗪?二氧化硅氣凝膠，該復(fù)合材料具有輕質(zhì)和熱導(dǎo)率低的特點(diǎn)，它在隔熱阻燃領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。Mostafa等[10]研究表明，使用聚氨酯泡沫作阻隔介質(zhì)，可有效減弱沖擊波能量，使殉爆安全距離縮短50%以上。一些研究人員為了實(shí)現(xiàn)多用途的目的，在一種彈藥包裝箱上同時(shí)使用了金屬和非金屬阻燃防爆材料。宜晨虹等[44]發(fā)明了一種多用途彈藥包裝箱，該包裝箱包括支撐骨架和箱體壁2部分，支撐骨架由高強(qiáng)度鋁合金制成，而箱體壁則由玻璃鋼耐磨層、硅酸鋁隔熱層、泡沫鋁緩沖層、碳化硼陶瓷抗侵徹層、聚氯乙烯支撐層、復(fù)合材料溫控層和聚氨酯泡沫層等組成。在爆炸沖擊波和破片共同破壞下，該彈藥箱可實(shí)現(xiàn)對彈藥的有效防護(hù)，并且具有可空投、可控溫和可充當(dāng)掩體等多種功能。

3.2 防擊穿抗爆材料

通常情況下，彈藥外包裝使用較高強(qiáng)度的金屬材料來進(jìn)行防護(hù)。近年來，研究者們已經(jīng)對聚合物涂層在遭受爆炸破壞或穿透時(shí)的性能表現(xiàn)進(jìn)行了一系列研究，結(jié)果表明聚合物涂層提高了金屬材料的防彈性能和防爆性能[45-48]。Dai等[49]采用涂有聚脲的薄鋼板來研究其防爆效果，實(shí)驗(yàn)中，涂覆聚脲后薄鋼板的最大形變量由113.5 mm降低為66.6 mm，形變減少了41.3%。結(jié)果表明，無論是涂在鋼板的正面還是背面，聚脲都可以為鋼基材提供顯著的防爆保護(hù)，聚脲層厚度的增加有助于減少爆破試驗(yàn)時(shí)鋼板的變形程度。隨著技術(shù)的進(jìn)步，研究者們采用數(shù)值模擬的方法對復(fù)合材料的防殉爆性能進(jìn)行評估。Liu等[50]通過理論分析和數(shù)值模擬得到復(fù)合結(jié)構(gòu)材料阻隔炸藥殉爆的反應(yīng)參數(shù)，并且考慮了從側(cè)面鋼殼反射的后續(xù)沖擊波的影響。結(jié)果顯示，材料的種類、厚度和材料的排列順序都會對結(jié)果產(chǎn)生影響。Gour等[51]用有限元模擬的方法研究了以4340鋼為背襯材料和鈦合金、石墨作為緩沖層的碳化硅陶瓷的抗彈性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，背襯材料和緩沖層可以增加界面停留時(shí)間和降低陶瓷上的峰值壓力來提高防彈性能。Pyka等[52]采用模擬方法對聚丙烯復(fù)合材料的防彈性能進(jìn)行研究，其模型模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較吻合。此外，出于輕量化的考量，復(fù)合材料中開始使用天然纖維或者合成纖維。Luz等[11]對超高分子量聚乙烯復(fù)合材料和天然纖維（從菠蘿葉中提取）增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的防彈性能進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，兩者的防彈性能相當(dāng)，都達(dá)到了國際三級保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。天然纖維具有低成本、低密度和高能量吸收等優(yōu)點(diǎn)，基于天然纖維的復(fù)合材料在防護(hù)領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。Filho等[53]評估了用天然棕櫚樹纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的抗彈性能，結(jié)果表明，體積分?jǐn)?shù)為50%的復(fù)合材料性能表現(xiàn)最佳。與合成纖維相比，這些復(fù)合材料質(zhì)量小，生產(chǎn)成本低，并且更加環(huán)保。

近年來，具有優(yōu)異物理性能的石墨烯材料引起了研究者的廣泛關(guān)注，一些研究者開始將該材料用于增強(qiáng)復(fù)合材料的防彈性能。Costa等[54]研究了氧化石墨烯涂層、天然纖維和環(huán)氧樹脂基體制成的復(fù)合材料的防彈性能。結(jié)果表明，由于氧化石墨烯涂層的存在，該復(fù)合材料具有更高的耐熱性，界面剪切強(qiáng)度提高了50%以上，并且它與基體的黏附性較好，測試實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的完整性較好。Vignesh等[55]將石墨烯納米粒子作為層壓材料插入凱夫拉?29纖維層之間，并對該復(fù)合材料進(jìn)行動(dòng)態(tài)彈道沖擊分析。結(jié)果顯示，在凱夫拉纖維層之間插入2.7 mm厚度的納米石墨烯，其等效應(yīng)力從8 825 MPa降低為4 264 MPa，總應(yīng)變從0.249 4 m提高到1.091 m，最大主應(yīng)力從9 644 MPa降低為 1 897 MPa，防彈性能顯著提高。Silva等[56]使用氧化石墨烯溶液在120 ℃下對芳綸纖維進(jìn)行熱處理，增強(qiáng)其防彈性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氧化石墨烯復(fù)合后增加了纖維表面的摩擦力，子彈穿過芳綸纖維時(shí)，會受到更大的阻力，從而有效提高了材料的防彈性能，且與未增強(qiáng)的芳綸纖維相比，增強(qiáng)之后的芳綸纖維的能量吸收量提高了50%。此外，也有研究者用陶瓷[57]、聚氨酯泡沫[58]等制成多層復(fù)合材料，探究復(fù)合材料對防彈性能的影響。

4 結(jié)語

防殉爆包裝是一種防止彈藥殉爆的可靠手段，然而國內(nèi)對于彈藥防殉爆包裝技術(shù)的研究才剛剛起步。若想實(shí)現(xiàn)防殉爆的目的，應(yīng)在隔爆、泄爆、抗震及緩沖等4個(gè)方面進(jìn)行研究。文中著重從隔爆和抗爆兩方面入手，總結(jié)彈藥包裝及相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)大量阻燃防爆材料和防彈抗爆材料的防殉爆性能，它們的性能均十分優(yōu)異，尤其是由聚合物制成的復(fù)合材料和由石墨烯增強(qiáng)的纖維復(fù)合材料，相信這2種材料在彈藥防殉爆包裝領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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責(zé)任編輯：曾鈺嬋

Research Progress of Anti-sympathetic Detonation Packaging of Ammunition

GAO Fang-fang, YANG Hao-jie, CHEN Er-yu

(NCO, Academy of PAP, Hangzhou 310000, China)

The work aims to study composite materials with excellent performance in fields related to anti-sympathetic detonation, in order to promote the development of anti-sympathetic detonation packaging technology, and better meet the needs of future wars. From the comparison of the research progress of ammunition packaging at home and abroad, the principle and application examples of anti-sympathetic detonation packaging technology were introduced emphatically, and the composite materials with excellent performance in related fields were presented to provide references for anti-sympathetic detonation packaging. Main principles of anti-sympathetic detonation packaging included explosion prevention, explosion venting, shock resistance and cushioning, etc. Therefore, it was necessary to strengthen the research on the flame retardancy, packaging design and impact resistance of anti-sympathetic detonation packaging materials. Both flame-retardant explosion-proof materials and bullet-proof explosion-proof materials have excellent performance, especially composite materials made of polymers and fiber composite materials reinforced by graphene, which are believed to have very broad application prospects in the field of anti-sympathetic detonation packaging.

ammunition packaging; anti-sympathetic detonation technology; composite materials

TB484

A

1001-3563(2022)13-0151-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.13.019

2021–10–28

高方方（1989—），女，助教，主要研究方向?yàn)閺椝幇b。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋