落锤下基于力-电耦合方法的HMX/Al含能复合材料冲击响应测试与点火特性

《ACS Omega》：Impact Response Test and Ignition Characteristics of HMX/Al Energetic Composites Based on the Force–Electric Coupling Method under a Drop Hammer

　　

HMX/Al是混合炸药制造与加工过程中形成的含能复合材料，其在力与静电场作用下的安全性已被探索。为研究基于力-电耦合方法的HMX/Al含能复合材料冲击响应与点火特性，研究人员采用自主设计的力-电耦合冲击试验装置，在不同因素影响下开展复合炸药冲击感度试验，建立力-电耦合作用下HMX/Al含能复合材料模型，获得临界点火电压与响应点火机理。结果表明：固定落高时，HMX/Al冲击响应临界点火电压随Al粉含量增加呈先降后升趋势；固定Al粉含量时，外加电场强度越大，HMX/Al含能复合材料冲击点火响应越剧烈；约束壳强度越大，点火响应程度越显著；用于包覆HMX的F2602黏结剂在力-电耦合试验中对炸药点火响应有抑制作用；同配方下复合粉末临界点火电压小于压片。外冲击载荷下炸药内部形成热点，同时外电源产生Joule热效应持续加热，导致热量积累并最终爆炸。因此HMX/Al含能复合材料在力-电耦合下更危险，研究结果为复合刺激下含能材料安全评估提供参考。

研究背景与立项依据：含能材料高能与高稳定性存在固有矛盾，HMX/Al复合材料在混合炸药生产、管道输送、造粒后滑槽及压装前填装等实际工艺中常同时遭受机械冲击与静电积累，接触-分离过程易致静电电位达到空气击穿阈值并产生放电火花，若叠加机械撞击则构成意外点火源。目前将外力与外电场耦合引入炸药感度研究的关键技术仍难突破，单一力刺激或电刺激研究较多，而力-电耦合（force-electric coupling）下冲击点火响应机制不清。为此，研究人员以HMX/Al含能复合材料为例，结合落锤冲击与外加电场（0–250 V），开展实验测试与细观数值模拟互为验证的研究，相关成果发表于《ACS Omega》。

主要关键技术方法：研究人员设计绝缘套筒（有机玻璃与定制钢套）夹持的力-电耦合落锤装置，参照GJB 772A-1997特征落高法以5 kg落锤测HMX/Al不同配比（Al 5%–30%）特征落高H₅₀与冲击能，并在上下击柱间施加法向压力与直流电压闭环；样品包括直接混合粉末、水悬浮包覆F₂₆₀₂（氟弹性体黏结剂）的HMX与Al机械混合样及模压片（直径10 mm厚1 mm）；数值端在COMSOL Multiphysics中建立1 mm×1 mm细观模型（HMX 70%/Al 30%，Al粉均质化为连续基体），耦合固体力学、固体传热与静电模块，代入HMX各向同性硬化弹塑性参数（E=13.3×10³ MPa，σ₀=260 MPa）、Arrhenius分解动力学（E_a=220.5 kJ·mol^–1，A=5.0×10¹⁹ s^–1）及Al导电Joule热（γ=3.77×10⁷ S·m^–1），边界施加图4最大冲击压力（638–816 MPa）与V₅₀电压，网格最细0.005 mm，时长0.6 ms步长0.01 ms。

研究结果

3.1 Al粉含量对冲击点火特性的影响规律：在15/20/25 cm落高下改变HMX/Al配比，力-电耦合临界电压随Al含量增加先降后升，10% Al时临界电压最低、感度最高；机理为低Al含量（<10%）时Al硬度高于HMX，力链集中促热点，且Al降电阻率增介电常数；过高Al使HMX-冲击面接触点减少、受热均匀化反而抑热点。

3.2 电场强度对冲击点火特性的影响规律：固定Al 25%、落高15 cm，20 V时有机玻璃套仅浅划痕无反应，40 V时套管裂、有发光点火，60–80 V套管碎裂、强火光与火药味；电场越强临界电压越低、响应越烈。

3.3 不同约束强度对冲击点火特性的影响：同落高下钢套比有机玻璃套临界电压更低（HMX-Al 30%：70.2 V vs 55.0 V；10%：19.9 V vs 15.4 V），强约束促冲击能转化与热点闭裹。

3.4 F₂₆₀₂黏结剂的影响：钢套15 cm下裸混HMX-Al 10%临界电压15.2 V，F₂₆₀₂包覆样25.2 V；黏结剂比热大、导热低、吸冲击动能并隔颗粒摩擦，抑热点生成。

3.5 试样状态的影响：同包覆同15 cm钢套，未压粉末临界电压25.1 V，模压片40.0 V；压装消除孔隙降热点概率。

3.6 力-电耦合下HMX/Al冲击点火响应模拟：25 cm落高AB区Mises应力Al点652 MPa高于HMX点453 MPa，温升始于粒-基界面，25 cm时HMX粒子点火拐点554 K（初始热分解温度），15/20 cm不燃；电流云图显示0.16 ms孔区局部击穿→Al导电粒子扩散成通道→0.46 ms闭合回路，力链0.3 ms贯通、0.5 ms塑性破坏裂纹。

3.7 力-电耦合冲击点火机理探讨：电场放电于大孔区局部击穿，Al高导粒子受轰击增殖成放电通道，Joule热（Q_V=|J|²/γ）与冲击势能-摩擦热（热点理论）共同积热；Al硬粒使应力聚点接触、径向摩擦增强，HMX达554 K启动分解放热（Q_D=ρq_mA exp(?E_a/RT)），热-力-电三源耦合越临界即烈燃，强约束下转deflagration-to-detonation transition（DDT）。

讨论与结论翻译：研究人员通过“冲击响应测试—细观模拟”互验得出：（1）各落高下HMX/Al随Al含量增感度先升后降，10% Al最敏感；强约束易点燃；F₂₆₀₂抑点火；压片感度低于散粉。（2）细观模型中Al成力链缓冲HMX，载荷增大后力链破断、HMX于应力下成热点分解；外电场成放电通道揭示力-电耦合点火响应机制。（3）建立力-电耦合点火机理模型：外电场下Al导电生Joule热助热点，冲击致HMX/Al粒间摩擦变形局温升，热积累达HMX分解温后反应放热，Al与分解产物能量释放。该研究为复合刺激下含能材料安全评估提供实验依据与技术支撑。