炸药在运输、贮存、使用等过程中可能会发生燃烧、爆炸等重大事故，造成不可挽回的损失，为此针对撞击、摩擦、静电、热等作用方式，建立了相应试验方法进行研究^[1]。

摩擦是引发炸药反应的一个重要刺激源，现已建立了摩擦系数测试^[2]、摩擦感度实验^[3]、滑道试验^[4]等方法。摩擦感度的实验对象为30 mg粉状炸药，主要用于研究炸药原材料的摩擦感度；滑道试验用药量约1 kg，主要用于研究大型炸药试件的斜撞击与摩擦共同作用时的安全性。为了研究克量级成型炸药的摩擦安全性，近来化工材料研究所参考美国IHE标准^[5]摩擦感度鉴定试验方法，对HMX与TATB基炸药开展了摩擦感度测试研究，建立了一种小型炸药试件(药量约3g)的摩擦安全性试验方法——药片摩擦感度试验方法^[6]。

为了评价炸药在摩擦作用下的安全性，Chidester等^[7]研究获得了LX-04炸药点火摩擦功约为1.55 J·cm^-2，并利用摩擦功计算预测了该炸药在机械刺激下的响应阈值；国内孙宝平^[8]、林文洲^[9]等开展了相关的理论与计算研究，采用摩擦生热的方式数值计算分析了炸药的摩擦点火。目前，由于缺乏诸如摩擦功/功率等的量化数据支撑，且滑道试验、摩擦感度试验等标准方法中炸药的点火机制有待进一步明确，无法校验现行的摩擦生热引发炸药点火的计算模型^[10]，因此需要在克量级炸药摩擦感度试验方法基础上，深入研究成型炸药的摩擦点火机制，掌握不同PBX的摩擦响应规律。

为此，本研究采用药片摩擦感度试验方法，进行了PBX在摩擦作用下的安全性研究，估算了两种炸药摩擦作用下发生反应的摩擦功阈值，分析了不同炸药的反应程度，对比了不同摩擦条件下PBX的点火机制。

对PBX-923和PBX-2两种炸药开展摩擦作用下的响应特性研究，炸药尺寸均为Ф25 mm×3 mm。其中，PBX-923炸药^[11]主要由RDX、粘结剂等组成，密度约1.65 g·cm^-3，样品质量约为2.4 g；PBX-2炸药^[11]主要由HMX、TATB、粘结剂等组成，密度约1.85 g·cm^-3，样品质量约为2.7 g，两种炸药均由中国工程物理研究院化工材料研究所提供。

试验过程主要在距离摩擦点约55 cm处用冲击波超压测试系统测量炸药反应超压，其中，冲击波超压测试系统包括CY-YD-202型压电式压力传感器、YE5852型电荷放大器以及PIC4712多通道数据采集仪；采用MEMRECAM GX-1高速录像机拍摄摩擦过程，测量摩擦速度。

药片摩擦感度试验原理与实物装置^[6]如图 1所示。锤体在预定高度释放，下落撞击滑板，滑板运动带动摩擦板摩擦刺激炸药样品，样品受到摩擦作用，可能发生燃烧、爆炸等不同程度的反应。根据空气冲击波超压、试验回收样品等综合评价炸药的摩擦感度。

图 1(Fig. 1)

图 1 药片摩擦感度试验原理示意图与实物装置 1—水泥基础, 2—滑板, 3—压头, 4—活塞杆, 5—气缸, 6—支架悬臂, 7—摆绳, 8—锤体, 9—释放装置 Fig.1 Schematic diagram of friction sensitivity test for explosive tablet and its set-up 1—cement, 2—slider plank, 3—press assembly, 4—piston pole, 5—cylinder, 6—bracket cantilever, 7—cord, 8—drop hammer, 9—release assembly

试验用摩擦组件示意图如图 2所示。为了研究不同摩擦条件下炸药的点火机制，本研究采用了两种摩擦板：光滑的钢板和带喷砂的钢板(见图 3)。其中，带喷砂的钢板是由250~380 μm石英砂用环氧树脂粘接于钢板上制成，简称砂靶。

图 2(Fig. 2)

图 2 摩擦组件示意图 1—压头, 2—套筒, 3—炸药, 4—摩擦板, 5—滑板 Fig.2 Schematic diagram of friction assembly 1—press assembly, 2—sleeve, 3—explosive, 4—friction board, 5—slider plank

图 3(Fig. 3)

图 3 摩擦板与试验样品照片 Fig.3 Photograph of friction board and sample

采用缸径为Φ200 mm的气缸通过压头对药片进行压力加载，通过气缸压力调节药片加载力。试验中，将气缸压力控制在0.05~0.70 MPa，使加载在药片上的加载力在1.57~21.99 kN间可调节。摆锤下落撞击滑板，带动滑板及摩擦板以一定速度滑动，实现对药片的摩擦作用。

参照GB 10006-1988塑料薄膜和薄片摩擦系数测定方法，测试得到砂靶与炸药的摩擦系数约0.46，光滑钢板与PBX-2和PBX-923炸药的摩擦系数分别为0.26、0.23。

气缸压力0.70 MPa、作用于样品上的加载力为21.99 kN下两种PBX与光滑的钢板摩擦作用后的回收样品如图 4所示。从图 4可以看出，PBX-923剩余药片完整，PBX-2剩余药片出现轻微开裂，两种炸药受摩擦作用后，钢靶上均有明显摩擦痕迹，无反应痕迹，没有测到冲击波超压，表明两种炸药均未发生反应。

图 4(Fig. 4)

图 4 气缸压力0.70 MPa时两种PBX与光滑钢板摩擦作用后的回收样品 Fig.4 Recover samples of PBX after friction with slippery steel at chamber pressure of 0.70 MPa

图 5和图 6为不同气缸压力加载下两种PBX与砂靶摩擦作用后的回收样品。从图 5和图 6可以看出，对于PBX-2药片，在0.10 MPa和0.13 MPa气缸压力下，摩擦作用过程后炸药均匀涂在砂靶上，尾端有大量药粉残留，表明炸药未有反应；在气缸压力0.20、0.50 MPa下，砂靶上有明显反应痕迹。对于PBX-923药片，在0.10 MPa和0.20 MPa气缸压力加载下，炸药均匀涂在砂靶上，仍有剩余药片；在0.25 MPa和0.40 MPa气缸压力加载下，砂靶表面有烧蚀痕迹，表明PBX-923炸药发生了轻微反应。

图 5(Fig. 5)

图 5 PBX-2炸药与砂靶摩擦作用后的回收样品 Fig.5 Recovery samples for PBX-2 after friction with the abrasive strap

图 6(Fig. 6)

图 6 PBX-923炸药与砂靶摩擦作用后的回收样品 Fig.6 Recovery samples for PBX-923 after friction with the abrasive strap

表 1为炸药与砂靶摩擦作用的试验结果。从表 1可以看出，同一种样品在相同的加载力加载下摩擦刺激的响应一致，具有很好的重复性。依据表 1结果，结合图 5和图 6可知，PBX-2炸药所受加载力大于3.14 kN时均发生了反应，其中，4.08~9.42 kN时，发生了燃烧反应，15.70~21.99 kN时，发生了爆燃反应；当PBX-2炸药所受加载力小于3.14 kN时未反应，表明该装置条件下PBX-2炸药摩擦反应压力阈值为3.14~4.08 kN。PBX-923所受加载力大于7.85 kN时都发生了燃烧反应，当压力小于6.28 kN时未反应，表明在该装置条件下PBX-923炸药的摩擦反应压力阈值为6.28~7.85 kN。

表 1(Tab. 1)

表 1 两种PBX与砂靶摩擦作用的试验结果 Tab. 1 Results of the friction test between explosive and abrasive strap sample cylinder pressure/MPa press on sample/kN over pressure /kPa reaction degree PBX-2 0.70 21.99 9 deflagration 0.50 15.70 7 deflagration 0.30 9.42 combustion 0.20 6.28 combustion 0.15 4.71 no over pressure combustion 0.13 4.08 combustion 0.10 3.14 No reaction 0.05 1.57 No reaction PBX-923 0.70 21.99 combustion 0.40 12.57 combustion 0.40 12.57 combustion 0.30 9.42 combustion 0.30 9.42 no over pressure combustion 0.25 7.85 combustion 0.20 6.28 no reaction 0.10 3.14 no reaction

表 1 两种PBX与砂靶摩擦作用的试验结果 Tab.1 Results of the friction test between explosive and abrasive strap

由于摩擦作用下炸药的点火，可假设主要是由于摩擦功转化为热量，即摩擦加热引发炸药升温，使炸药发生反应。因此，为分析不同摩擦条件下PBX的点火机制，可通过估算摩擦作用下的摩擦功和摩擦功率，对比不同边界条件下摩擦功和摩擦功率的变化，分析其对点火的影响。

对任意两个给定表面，摩擦力f^[12]可近似为：

式中，f为摩擦力，N；μ为滑动摩擦系数；F为加载力，N。

根据作用功的经典计算公式，摩擦功可近似为：

式中，W为摩擦功，J；S为位移，m。

摩擦功率可表示为：

式中，P为摩擦功率，W；W为摩擦功，J；ν为摩擦速度，m·s^-1。

由于目前尚无法测试炸药具体的反应位置，因此，采用全行程(摩擦距离)来代替位移S(取值102 mm)，通过式(2)估算得到炸药发生反应的摩擦功阈值。由于试验装置设计时保证摩擦运动过程速度较为均匀，可简单以摩擦全行程平均速度计算平均摩擦功率。表 2为两种PBX摩擦功和摩擦功率计算结果。炸药与光滑的钢板摩擦时，PBX-923炸药发生反应的摩擦功阈值大于515.9 J、摩擦功率大于10.12 kW，PBX-2炸药发生反应的摩擦功阈值大于583.2 J、摩擦功率大于11.44 kW；炸药与砂靶摩擦时，PBX-923炸药发生反应的摩擦功阈值为294.7~368.3 J、摩擦功率为7.80~9.75 kW，PBX-2炸药发生反应的摩擦功阈值为147.3~191.5 J、摩擦功率为3.90~5.07 kW。

表 2(Tab. 2)

表 2 两种药片摩擦功和摩擦功率计算结果 Tab. 2 Friction work and friction power calculated for two PBX in friction test sample testcondition press on sample/kN friction velocity/m·s-1 friction work/J friction power/ kW reaction degree PBX-923 slippery steel 21.99 2 515.9 10.12 no reaction PBX-2 21.99 2 583.2 11.44 no reaction PBX-923 abrasive strap 6.28~7.85 2.7 294.7~368.3 7.80~9.75 combustion PBX-2 3.14~4.08 2.7 147.3~191.5 3.90~5.07 combustion

表 2 两种药片摩擦功和摩擦功率计算结果 Tab.2 Friction work and friction power calculated for two PBX in friction test

从表 2可看出，两种炸药与钢板摩擦时的摩擦功和摩擦功率均显著高于与砂靶摩擦时的对应值。从摩擦试验条件可知，炸药与钢板摩擦时，炸药受力主要为摩擦力作用，而不用考虑砂靶摩擦试验中砂粒剪切作用，可近似为单纯的摩擦作用，表现为摩擦功/功率引发炸药点火。对比图 4、图 5与图 6中炸药与钢板、砂靶的试验结果，发现炸药与砂靶摩擦时，炸药受力不仅有摩擦力，还有较强的剪切力，因此，表 2中估算的反应摩擦功阈值明显低于炸药与钢板摩擦的摩擦功阈值。

PBX-923、PBX-2炸药与砂靶摩擦时，发生反应的摩擦功阈值分别约为与光滑的钢板摩擦时的一半和1/3，摩擦功率也远低于与光滑的钢板摩擦时对应值, 对比分析PBX-923、PBX-2两种炸药在砂靶、光滑钢板等不同摩擦条件下的试验结果，可以发现，仅以摩擦功/功率难以解释这一现象，需要从引发炸药点火的机制上进行分析。从试验后回收的样品来看，钢板摩擦条件下未发生反应的样品基本完整，仅有少量药粉散落在靶面上，而砂靶摩擦条件下未发生反应的样品则大量散落在砂靶上，表明砂靶摩擦时石英砂对炸药有强剪切作用，致使炸药从药片表面脱落。因此，炸药与钢板摩擦时光滑表面的摩擦热(摩擦功及摩擦功率)难以使PBX发生点火，而炸药与砂靶摩擦时炸药的点火机制应为剪切与摩擦共同作用，其中剪切占主导因素。对此，我们下一步的工作重点将是结合具体的点火机制，研究开发摩擦引发的剪切效应计算模型，实现摩擦作用下PBX响应过程的模拟，为评价不同边界条件下装药的摩擦点火奠定基础。

(1) 在药片摩擦感度试验中，PBX-2炸药反应程度高于PBX-923炸药，在炸药与光滑的钢板摩擦时，PBX-923炸药发生反应的摩擦功阈值大于515.9 J、摩擦功率大于10.12 kW，PBX-2炸药发生反应的摩擦功阈值大于583.2 J、摩擦功率大于11.44 kW；炸药与砂靶摩擦时，PBX-923炸药发生反应的摩擦功阈值为294.7~368.3 J、摩擦功率为7.80~9.75 kW，PBX-2炸药发生反应的摩擦功阈值为147.3~191.5 J、摩擦功率为3.90~5.07 kW。

(2) 摩擦试验中摩擦作用难以加热PBX发生点火，炸药与砂靶摩擦的点火机制是剪切与摩擦共同作用，其中剪切占主导因素。