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中南大学爆破教程第4章 炸药及爆炸的基本理论概要

归档日期:10-08       文本归类:爆速      文章编辑:爱尚语录

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  第4章 炸药及爆炸的基本理论 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 爆炸和炸药的基本概念 起爆药与猛炸药 炸药的起爆 炸药的感度 炸药的爆轰理论 炸药爆轰产物及氧平衡值 炸药的热化学参数 爆炸功 4.1 爆炸与炸药基本概念 1、爆炸与爆破 2、爆炸的分类 3、炸药爆炸的特征 4、炸药的化学变化形式 1、爆炸与爆破 定义1:爆炸是在某一个“系统”中,其物理和化学 的能量急骤转化的一种过程。 定义2:爆炸是大量能量在有限体积和极短时间内快 速释放或急骤转化的现象。 工程爆破是指利用炸药的能量对介质作功,以达到 预定工程目标的作业。 2、爆炸的分类 (1)物理爆炸 物理爆炸是指在爆炸前后,物质仅发生物质状 态的急剧变化,而物质本身的分子组成并未改变。 蒸汽锅炉爆炸; 液化气瓶爆炸; 火山和地震爆发; 电爆炸; 雷电; 高速物体的碰撞引起的爆炸; (2)核爆炸 核爆炸的能源是核裂变(铀235或钚239的的 裂变)或核聚变(氘、氚、锂的聚变)反应所释放 出的能量。 核爆炸可形成数百万到几千万度的高温,在 爆炸中心可区造成数数百万到几千万个大气压的高 压,同时还有很强的光和热的辐射以及各种放射性 粒子的贯穿辐射。 ; 氢弹; (3)化学爆炸 化学爆炸是通过化学反应将物质内潜在的化学能, 在极短时间内迅速释放出来,转变为强压缩能,使 爆轰产物处于高温(3000~5000 K )、高压(几 MPa甚至上万MPa)状态,并急骤向外膨胀,从而 对外界做功。 炸药爆炸; 可燃气体或粉尘与一定比例空气的混合物; 瓦斯爆炸; 在这门课程里我们只讨论由炸药化学反应过程所引起的 爆炸现象及其规律性。 3、炸药爆炸的特征 (1)反应过程的放热性 炸药爆炸就是将炸药蕴藏的大量化学能(潜能) 以热能形式迅速释放出来的过程。 热的释放是爆炸的 第一个必要条件.没有这个条件,爆炸过程根本不可 能产生.如果反应不伴有热的释放,那么,反应便不 可能自发地进行,因而也不可能出现爆炸的自动传播。 下面各种草酸盐的反应热效应与其爆炸性的关系。 它们的分解是吸热反应,不能发生爆炸。 它们的分解是放热反应,就能够发生爆炸。 同一种化合物,由于激起反应的条件和热效 应不同,也有类似的结果。 硝酸铵,常温到150摄氏度的分解反应为吸热反应。 若迅速加热到400~500摄氏度或利用雷管引爆 的条件下,其反应式为: 由上式可见是能发生爆炸反应的。 ?放出大量的热量是形成化学爆炸的第一个必要条件。 (2)反应过程的高速度 爆炸反应与一般化学反应的一个最突出的不 同点,是爆炸过程具有极高的速度。 表2-1 炸药和普通燃料放热量比较 为什么能量贮藏大得多的燃料中会燃烧而不会 爆炸,相反,能量贮藏少得多的炸药却能爆炸呢? 其根本原因是在于它们的反应过程进行得慢, 没有起码的反应速度。这使得反应产物在反应过程 进行过程中发生相当程度的膨胀,并使放出的能量 通过热传导和热辐射而严重地散失。因此,在燃烧 产物中只能达到相对低的体积浓度或能量密度。 相反地,爆炸过程进行得极快,以致可以认为 全部能量实际上只来得及在炸药本身所占据的体积 范围内放出,这就导致很高的能量密度。 ?反应速度极高是形成爆炸的第二个必要条件。 (3)反应过程必然形成气体产物 炸药在爆炸过程中伴有大量的气态产物,一些 爆炸物在爆炸时产生的气态产物(爆炸气体)的体积 如表2-2所示。 表2-2 某些炸药爆炸后产生爆炸气体的体积 一般来说,爆炸气体的体积要比原始爆炸物的体 积增大上千倍,可是也有例外的情况,例如氢和氧的 爆炸就是这种反应的例子: 由于爆炸的结果,体积减小了近三分之一。但即 使是这样,爆炸时的压力仍可达到10个大气压. 在爆炸过程中形成气态产物这个因素的意义, 可以通过一系列不形成气态产物的反应看出。其中 最简单的例子是铝热剂反应: 尽管反应中产生的热效应可以把最终产物加热到 3000 ℃,而且反应速度也相当的快。但在该温度下它 们仍然处于液体状态,而终究不产生气态产物,因此就 不会出现爆炸现象。虽然,这种反应有时可以看到类似 于爆炸的现象,可是由于不产生气态产物,最终不能认 为是爆炸,而且也不会产生冲击波等爆炸效应。 有些物质在正常条件下形成固态产物,但它却具 有炸药的全部特性。如乙炔银,其反应式如下: 表面上看,此反应形成的都是固态产物,但是由 于在爆炸反应温度下,银发生气化,同时使周围的空气 迅速灼热,因此导致了爆炸。 高速度和生成气体产物是炸药爆炸的三要素。 因此,我们可以把炸药的爆炸现象重新下这样的定义: 炸药的爆炸现象是一种以高速进行的能自动传播的化 学反应过程,在此过程,放出大量的热,以极高的速 度进行反应,并最终生成大量的气体产物。 ?从以上讨论可以得出结论:反应过程的放热性、 4、炸药的化学变化形式 (1)热分解 炸药在常温下会缓慢分解,温度愈高,分解愈显著。 其特点是:炸药内各点温度相同,反应在全部炸药中同时 进行,没有集中反应区;分解时既可以吸收热量,也可以 放出热量,决定于炸药类型和环境温度。但是,当温度较 高时,所有炸药的分解反应都伴有热量放出。 (2)燃烧 同其它可燃物一样,有些炸药在热源(如火焰)作 用下,也会燃烧,其区别仅在于炸药燃烧是不需要外界 供氧。炸药的快速燃烧(每秒数百米)叫爆燃。 其特点: 燃烧不是在全部 物质内同时展开的,而只在局部 区域内进行并在物质中传播。 (3)爆轰与爆炸 炸药爆炸与燃烧的共同点:化学反应都只在局部 区域(反应区)内进行并在炸药内传播。大多数炸药的 爆炸也是氧化反应。 主要区别: ?传递能量和激起化学反应的方式不同。 ?传播速度不同。 ?燃烧产物的压力和运动方向不同。 ?外界条件影响不同。 炸药的三种反应形式是可以相互转换。由于反应 形式的转变,《民爆物品安全管理条例》和《爆破安全 规程》对爆破器材安全管理做了严格规定。 例如: 《民爆物品安全管理条例》规定: 第四十条 民用爆炸物品应当储存在专用仓库内,并按 照国家规定设置技术防范设施。 第四十一条 储存民用爆炸物品应当遵守下列规定: (三)专用仓库应当指定专人管理、看护,严禁无关人 员进入仓库区内,严禁在仓库区内吸烟和用火,严禁把 其他容易引起燃烧、爆炸的物品带入仓库区内,严禁在 库房内住宿和进行其他活动。 例如: 《爆破安全规程》规定: 7.4.3.1 地面爆破器材库硐库的电气照明,应遵守下列规定: —— 库房内不应安装灯具,宜自然采光或在库外安设探 照灯进行投射照明,灯具距库房的距离不应小于 3 m ; —— 电源开关或熔断器,应设在库房外面,并装在铁制 配电箱中; —— 采用移动式照明时,应使用防爆手电筒或手提式防 爆应急灯,不应使用电网供电的移动手提灯。 7.4.3.2 井下爆破器材库的电气照明,应遵守下列规定: —— 贮存爆破器材的酮室或壁槽,不应安装灯具; —— 电源开关或熔断器,应设在铁制的配电箱内,该箱 应设在辅助洞室里; 7.4.4.4 进人库区不应带烟火及其他引火物。 5、炸药的分类 根据燃烧特性,可将炸药分为三大类:起爆药,猛炸 药、火药(发射药)。 起爆药:一旦燃烧,化学反应极迅速,燃烧速度增长很快, 即使在大气压力条件下,燃烧也是不稳定的,很容易转化 为爆炸。用于制作起爆器材。DDNP(目前雷管中常 用),Pb(N3)2 猛炸药:一般都能稳定燃烧。燃烧转变为爆炸的压力由几 个大气压到几百个大气压。用于制造导爆索和雷管的加强 药。 火药(发射药)在一定的外界能量作用下,自身能迅速而 稳定燃烧,同时生成大量高温气体。 黑火药——导火索索芯、炮竹 单基发 射药 现代火药 (发射药) 枪炮发射药 和火箭推进 剂 双基发 射药 三基发 射药 以硝化棉为主 以硝化棉、硝 化甘油为主 以硝化棉、硝化甘 油、硝基胍为主 火药 一般由氧化剂、燃烧剂和能产生热、光、 色、烟等特殊效应的添加剂组成。 烟火药 (烟火剂) 主要用来装填信号弹、照明弹、燃烧弹、 烟幕弹和焰火包、礼花等 4.2 起爆药与猛炸药 1、起爆药 2、猛炸药 §1 起爆药 (1)雷汞 雷汞属起爆药类,化学名雷酸汞(Hg(ONC)2), 结构式如下图,分子量284。 ON = C Hg ON = C ? 雷汞的制得: 它是由汞和硝酸作用生成硝酸汞,然后硝酸汞 再与乙醇(C2H5OH)作用而制得。 3Hg+8HNO3=3Hg(NO3)2+2NO+4H2O 2C2H5OH+4HNO3+Hg(NO3)2=Hg(ONC)2+2CO2+2 NO2+2NO+8H2O ? 颜色 是一种针状结晶体,有白色和灰白色。雷汞有 毒,毒性与水银相似,能使粘膜发痛,长期使用 可使皮肤痛痒,甚至引起湿症等病。 ? 吸湿性 雷汞难溶解于水,但易受潮,受潮后爆炸性 和起爆感度下降,当含水量10%时不能爆炸, 但能燃烧,含水量30%时,不燃烧也不爆炸。 ? 机械感度 雷汞是常用起爆药中感度最大的一种,感度 非常灵敏,遇到轻微的冲击、摩擦都可能引起 爆炸,故在保管使用中要特别注意安全。 ? 热感度 雷汞火焰感度灵敏。遇火焰、火星都能引起 爆炸,爆发点为170-180℃/5。常温下比较安 定。 ? 腐蚀性 雷汞干燥时,不与铜、铁等作用,但能强烈腐 蚀铝,装填雷汞的雷管外壳,只能用铜、纸壳,不 用铝壳。 Hg(ONC)2+3H2O+2Al+O2=Hg+Al2O3+2NH3+2CO2) ? 起爆与爆速 起爆 爆速 雷汞机械感度、热感度灵敏, 故用针刺或火焰等起爆,如雷管、火帽。 ρ0=4-4.3,D=5400m/s。 ? 用途 (1) (2)枪弹底火、火帽击发药 (2)氮化铅(叠氮化铅) 化学式:Pb(N3)2 1891年发明,245-250℃加热不发生爆炸,分解; 350℃爆炸 白色针状晶体,起爆能力大,受潮不失爆炸 能力,可用于水下,热敏感度低。 注:易于铜发生反应,生成对电场极为 敏感的叠氮化铜,用铅、纸壳。 (3) 二硝基重氮酚 分子式:C6H2(NO2)2N2O 英文缩写:DDNP。 黄色或黄褐色晶体,DDNP早 在1858年就可制得,作为黄色 染料。 1916年始用于炸药,其具 有雷汞和氮化铅的所有长处, 原料来源广,生产工艺简单, 安全,成本低,不含重金属, 威力大,起爆性能好。 结构式 §2 单质猛炸药 单质猛炸药指化学成分为单一化合物的猛炸 药,不敏感,要用较大的起爆能。 (1)梯恩梯 (2)黑索金 (3)泰安 (4)特屈儿 (5)硝化甘油 (1)梯恩梯 梯恩梯,代号 TNT(TriNitroToluene) 。分子式 C6H2(NO2)3CH3,它有六种同分异构体,结构式如图, 全称是2-4-6三硝基甲笨,分子量为227.13。 CH3 O2 N NO2 NO2 1863 年,德国 J· 维尔布兰德 (J· Wilbranb) 首 先发明 TNT , 1902年德国将TNT装入炮 (炸弹 ),第 一次世界大战期间,在各种炸药中用量占居首位, 成为炸药之王。 TNT的制得: C6H5CH3+3HNO3 = CH3C6H2(NO2)3+3H2O ? 颜色 淡黄色鳞片结晶体,味道苦、有毒性,吸入TNT 粉尘时,则能刺激粘膜和引起咳嗽。常用的TNT有磷 片状和块状。 ? 吸湿性 吸湿性小,很难溶解于水。块状的TNT可直接 用于水中爆破,但磷片状的 TNT 由于有空隙易被水 浸透,起爆时所需能量大而钝感,使雷管起爆不了, 在水中使用要采取防水措施。 ? 机械感度 对冲击、摩擦感度迟钝,枪弹贯穿通常不爆炸 也不燃烧。所以允许在足够大压力下压装成型。(用 步枪在25m远处射击TNT药包,其爆炸率为5%,有的 0%。) ? 热感度 在空气中点燃时冒浓烟,但不爆炸。销毁 TNT 可 在旷野里分批铺开点燃销毁。如当数量很大 (200kg 以上)并堆积在一起或装在密闭容器中燃烧时,能由 燃烧转为爆轰。爆发点290-295℃/5。 热安定性较好, 130℃加热 100h 不分解,贮存 20 年。 凝固点=溶点=80.2℃。 溶化注装成各种形状装药,如炮炸弹的 TNT 溶化制 成各种装药、地雷; 与RDX制成T/R炸药。 ? 腐蚀性 梯恩梯是中性物质,干燥的TNT不与金属作用。 ? 起爆 起爆与爆速 鳞片状和压制的TNT药块,可用8#雷管 起爆;溶铸的TNT用8#雷管不能直接起 爆,必须用传爆药柱起爆。 (溶铸:用蒸气或热水使其溶化,浇注成型) 爆速 ρ0=0.70-0.85磷片状,D=4000-4500m/s ρ0=1.55(注装),D=6750m/s ρ0=1.60(压制),D=7000m/s ? 用途 (1)各种材料构件的爆破。 (2)装填地雷、炮(炸)弹。 (3)制造混合炸药。 注意:TNT一般不适用于坑道掘进爆破。 (2)黑索今(RDX) 黑索今属破坏药的高级炸药。是Hexogen的译音, 有译成黑索金 、海索根,日本叫硝宁。分子式 C3H6N3(NO2)3,环三次甲基三硝胺,分子量222。 CH2 O2N N H2C N NO2 CH2 N NO2 ? 颜色 外观上是一种白色粉状结晶,无嗅、无味,但 有巨毒,并且RDX毒性很稳定。 ? 吸湿性 黑索今不易受潮,也很难溶解水,也可在水 中使用。 机械感度 机械感度很大,比 TNT 敏感得多,遇到撞击、 摩擦,枪弹贯穿都能爆炸。故不单独使用,是用 5 %石蜡钝化后再使用(钝化黑索今)。 ? 热感度 点燃后燃烧很猛烈,并产生明亮白色火焰,大 量 RDX 在密闭容器内点燃能由燃烧转为爆轰,爆发 点230℃/5。 ? 腐蚀性 不与金属作用。 ? 起爆与爆速 起爆:用8#雷管起爆。 爆速:ρ0=1.7g/cm3,D=8380m/s。 ? 用途 (1) (2) (3)作扩爆药:如地雷、2.5kg或5kg装药中; (4)与其他炸药溶合制成各种混合炸药。 扩爆药 (3)泰安 英文缩写:PENT,季戊四醇四硝酸酯,白色 晶体,几乎不溶于水,与RDX类似,对摩擦 和撞击很敏感。 (4)特屈儿 缩写:CE,是淡黄色晶体,难溶于水。 注:CE有毒,易于硝酸铵发生强烈作用而自燃, 严禁与硝酸铵混合使用。 (5)硝化甘油 缩写:NG,学名:三硝酸酯丙三醇。 淡黄色,带甜味的油状液体,不溶于水,可 用于水下爆破,有毒,应避免皮肤直接接触。对撞 击异常敏感,常用多孔物质如硅藻土或硝化棉吸收 以降低其感度。 在13.2℃时冻结,此时极为敏感。为提高保用 时的安全程度,常将它与二硝酸酯乙二醇混合使用, 降低其冻结点。 4.3 炸药的起爆 1、起爆与起爆能 2、起爆机理 1、炸药的起爆与起爆能 起爆:在外界能量作用下发生爆炸变化过程。 起爆能:使炸药活化发生爆炸反应所需的能量。 起爆能的形式有多种,常见的有: ?机械能起爆:如冲击、摩擦、针刺起爆等; ?热能起爆:如直接加热,火焰起爆,电火花起 爆或电线灼热起爆等。如起爆雷管。 ?爆炸冲能起爆:就是利用炸药的爆炸能来起爆 另外一些炸药。如雷管或起爆药柱(又称起爆弹 或中继起爆药包)起爆,导爆索起爆等。 2 炸药的起爆机理 问题一:爆炸过程的本质是怎样的? 问题二:外界作用是怎样激发炸药爆炸的? 活化能理论——化学反应只是在具有活化能量 的活化分子之间相互接触和碰撞时才能发生。 可见,为了促使炸药起爆,必须有足够的外能 集中作用,使局部炸药分子获得能量,变成活化分 子。而活化分子的数目越多,越有利于加速炸药爆 炸反应的进行。 图3-1炸药爆炸反应能量变化图 图中A、B、C三点分别表示炸药的初态,过渡态(分子活 化,并相互作用的状态)和终态(爆炸反应终了),它们相对 应的分子平均能量级为E1, E2和E3 。 E2能量级是活化分子发 生爆炸反应所必须具有的最低能量。 为了使炸药分子从初态A的能量级E1 增至活化 状态B的能量级E2 ,必须使能量增加E , E就是活 化能。起爆时,外能的作用就在于使处于A状态的 部分炸药分子获得活化能 E ,达到状态B,使足够 数量的活化分子相互接触,碰撞而发生爆炸反应。 爆炸反应后,由能量级 E2至 E3 ,反应过程释放的 能量 ?E ? E2 ? E3 。由于 ?E ?? E ,这部分能量又促使 其它未获得能量的 状态炸药分子继而获得能量, 形成更多的活化分子,加速了爆炸反应的进行。 (1)炸药的热能起爆理论 炸药在热能作用下,都会产生放热分解,但不 一定都导致爆炸。只有在一定的温度和压力下,炸 药放热反应速度大于散热速度,产生热的累积,温 度不断升高,使反应自动加速才能导致爆炸。 例如,起爆药等就是在火花或电热作用下,迅速 产生分解反应,转变为爆炸的。 (2)机械能起爆理论:灼核热理论 灼热核理论认为,① 当炸药受到撞击、摩擦等机械 作用时,机械能转化为热能,②热量来不及均匀地分布 到受作用的各个部分,而只是集中在某一部分或几个极 小点上。如个别晶体的棱角处或微小气泡处,使这些小 点的温度急剧上升,③当个别点被加热到炸药的爆发温 度,促使局部炸药首先起爆,释放热量,然后迅速传播 至全部。 这种温度很高的微小区域,通常被称为灼热核。灼 热核一般是在炸药晶体的棱角处或微小气泡处形成。 对于单质炸药或者含单质炸药的混合炸药来说,其 灼热核通常在晶体的棱角处形成。而对于含水炸药(乳化 炸药、浆状炸药等)来说,一般是在微小气泡处形成灼热 核。这两种形成灼热核的原因是不同的。 ? 绝热压缩炸药内所含的微小气泡,形成灼热核 当炸药内部含有微小气泡时,在机械能的作用下,被绝 热压缩,此时机械能转变为热能,使温度急剧上升而达到足 够高的温度在气泡周围形成灼热核,并引起周围反应物质的 剧烈燃烧或爆炸。 ? 炸药受机械作用,颗粒间产生摩擦,形灼热核 在机械能作用下,炸药质点之间或炸药与掺和物之间发生 相对运动而产生相互摩擦,使炸药某些微小区域首先达到爆发 温度,形成灼热核。 ?由于液态或低熔点炸药(塑性炸药或低熔点炸药)高速 黏性流动,也可形成灼热核。 为提高炸药的敏感度,应当让炸药容易形成热点,这样 就有必要在炸药中掺入一些掺和物。 ① 加入发泡剂,洗衣粉、珍珠岩粉,可以生成大量的 微小气泡。 ② 掺入硬度高有棱角、熔点高的掺合物也有利于摩擦 形成热点。 ③如果掺入像石蜡这样低熔点的掺合物就不利于形成热 点,从而使炸药钝化。 乳化炸药、浆状炸药等含水炸药,比较好地利用了微小 气泡绝热压缩形成灼热核的理论,即引入敏化气泡。如化学 气泡、玻璃空心微球、树脂空心微球、膨胀珍珠岩等,增加 炸药的爆轰敏感度。 (3)爆炸冲击能起爆理论 实践表明,均相炸药和非均相炸药的爆炸冲击能 起爆机理是不同的。均相炸药指质量较密实、结构 均匀、不含气泡或气泡少的液体炸药或单体炸药。 ? 均相炸药的爆炸冲击起爆过程 主发装药爆炸产生的强冲击波进入均相炸药,经过 一定的延迟以后,便开始在其表面形成爆轰波。这个 爆轰波是在强冲击波通过后,在已被冲击压缩的炸药 中发生的,此时爆轰波的传播速度比正常的稳定爆速 大得多。虽然它开始是跟随于强冲击波的后面,但经 一定的距离后,它会赶上冲击波阵面,其爆速突然降 低到略高于稳定的值,往后慢慢地达到稳定爆速。 ? 非均相炸药的爆炸冲击起爆过程 非均相炸药系指物理性质不均匀的炸药。非均 相炸药的爆炸冲击能起爆和均相炸药有很大的不同, 这是由于非均相炸药反应是从局部“热点”处扩展 开的,而不像均相炸药反应那样能量均匀分配给整 个起爆面上,这样非均相炸药所需的临界起爆压力Pk 值要比均相炸药小。实际上,非均相炸药的冲击能 起爆是可以用灼热核理论进行解释的。 非均质炸药 均质炸药 4.4 炸药的感度 1、炸药的感度 2、影响炸药感度的因素 1 炸药的感度 炸药感度——炸药在外界能量作用下,发生爆 炸反应的难易程度。 炸药感度与所需的起爆能成反比,就是说 炸药爆炸所需的起爆能愈小,该炸药的感度愈 高。 同一炸药对不同形式的起爆能有不同的感 度。 按照外部作用形式,炸药感度有热感度、 机械感度和爆轰感度。 研究感度的意义 (1)合理选择使用炸药; (2)保证炸药的使用、保管、运输中的安全。 炸药在使用的时候具有感度大,以保证起爆和 传爆的可靠性:而在生产、贮存、运输等非使用场 合,炸药又具有感度小,以确保安全生产。 (1)炸药的热感度及其测定方法 炸药在热能作用下发生爆炸的难易程度称为炸药 热感度,通常以爆发点和火焰感度等来表示。 ? 炸药的爆发点 爆发点指 使炸药开始爆炸所需加热到的介质的最低 温度。应该注意,这一温度并不是炸药爆炸时炸药本身 的温度,也不是炸药开始分解时本身的温度,而是指炸 药分解自行加速开始时的环境温度。一般把炸药的分解 开始自行加速到爆炸所经历的时间称为爆发延滞期。实 验时,延滞期取5min或5s为标准。 通常采用爆发点测定器来测定炸药的爆发点。 如图3-1所示。 温度计 铜管 炸药 隔热层 电阻丝 合金浴锅 图3-1 爆发点测定器 表3-1 列出一些炸药的爆发点。 表3-1 常用炸药的爆发点 炸 药 名 称 爆发点℃ 炸 药 名 称 爆发点℃ 雷 氮 化 汞 铅 175~180 330 ~340 270 ~280 特 屈 尔 梯 恩 梯 硝铵炸药 195 ~200 290 ~295 250 ~320 斯蒂酚酸铅 黑 太 索 今 恩 230 205 ~215 黑 火 药 乳化炸药 390 ~410 330 ? 炸药的火焰感度 炸药在明火(火焰、火星)作用下,发生爆炸变化的 能力称为炸药的火焰感度。实践表明,在非密闭状态下, 黑火药与猛炸药用火焰点燃时通常只能发生不同程度的 燃烧变化,而起爆药却往往表现为爆炸。 图3-2所示的装置一般用来测量炸药的火焰感度。 其操作步骤是: 准确称取0.05g试样,装入火帽壳内,改变插导 火索的上、下盘之间的距离,以测定100%发火的最大 距离(上限距离)和100%不发火的最小距离(下限距离)。 一般以6次平行实验结果为准。由于导火索的喷火强度 随其药芯的粒度、密度等不同而变化,所以实验结果 通常只能作为相对比较之用。 由上述可知,一个炸药的上限距离愈大,其火焰 感度愈大;下限距离愈小,其火焰感度愈小。一般地 说,上限距离可用来比较起爆药发火的难易程度,下 限距离则往往作为判定炸药对火焰安全性的依据。 导火索 上盘 表尺 下盘 火帽壳 铁座 图3-2 火焰感度测定装置 (2)炸药的机械感度及其测定方法 ? 炸药撞击感度及测定方法 炸药撞击感度指炸药在机械撞 导轨 击下发生爆炸的难易程度,是炸药 最重要的感度指标之一。 测定撞击感度最常用的仪器是 立式落锤仪,如图3-3所示。 重锤 试验时,在击砧之间放入炸药 试样0.05g:然后放下重锤撞击炸 击砧 药,炸药爆炸与否可由声效应来判 断。 钢爪 标尺 图3-3 立式落锤仪 利用该装置测出的感度,表示方法有多种,常用的有 三种: ①爆炸百分数。落高25cm,锤重10kg,撞击25~50 次,求出其爆炸百分率。当爆炸百分率为100%时,改用 5kg或2kg重锤重新试验。②上下限法。上限:百分之百爆 炸的最低落高;下限:百分之百不爆炸的最高落高。③50% 爆炸特性高度。即找出50%爆炸的那一点的高度来表示。 表3-2 几种炸药的撞击感度和摩擦感度 炸药 名称 撞击 感度/% 摩擦 感度/% 2#岩石硝 黑索今 铵炸药 太恩 特屈尔 梯恩梯 梯黑 EL系列乳 50/50 化炸药 70-75 90 20 16-20 100 50-60 4-8 24 0 50 ≤8 0 ? 炸药摩擦感度及测定方法 炸药的摩擦感度系指在机械摩擦作用下炸药发生爆炸 的难易程度。测定炸药摩擦感度的仪器有多种,但大多数 测定误差较大,精度不高。比较精确的方法是摆式摩擦仪, 是目前我国最常用的仪器。 标尺 摆锤 振子 钢砧 图3-4 摩擦仪 千斤顶 上下 击柱 1-摆锤;2-击杆;3-导向 套;4-击柱;5-活塞;6-试 样;7-顶板 摆长2m带有l kg的摆锤,摆用弧形刻度尺可 以固定在规定的高度上,摆落下时摆锤打击加有 静载荷的摩擦击柱。上下击柱之间夹有炸药试样, 在摆锤打击下使上下击柱间发生水平移动,以摩 擦炸药试样,观察爆炸与否。每次试验的药量为 0.01~0.03g,平行试验25次,计算爆炸百分数。 表3-2给出一些猛炸药的摩擦感度。 (3)炸药的爆轰感度及其测定方法 它表示一种炸药在 其他炸药(起爆药、起 爆具等)的爆炸作用下 发生爆炸的难易程度。 一般用极限起爆药 量表示。所谓极限起爆 药量系指1克猛爆炸药完 全爆轰所需的最小起爆 药量,实验测定装置如 图3-5所示。 图3-5 极限起爆 药量的测定仪器 导火索 雷管 铅板 试验过程: 称取0.5g或1.0g炸药试样,以50MPa压力将其压人8号铜 雷管壳中,然后再装入起爆药,扣上加强帽,以30MPa压力加 压,并插入导火索,将制成的这种火雷管直立放在4mm厚的铅 板上起爆。根据铅板穿孔大小来判断测试的炸药是否引爆。 完全爆炸的标准是铅板穿孔直径不小于雷管外径。通过增减 起爆药的药量,经过一系列试验,即可测出它的极限起爆药 量。 炸药的极限起爆药量(g) 名 称 雷汞 0.165 0.17 0.19 0.36 氮化铅 0.025 0.03 0.05 0.09 二硝基重氮酚 0.075 0.09 0.13 0.163 特屈尔 太 恩 黑索今 梯恩梯 (4)炸药的冲击波感度及测定方法 实践表明,一个药包(主发装药)爆炸时,会在某种惰 性介质中(如空气、水、沙土等)产生冲击波,通过这种冲 击波的作用可以引起相隔一定距离处另一药包(被发装药) 的爆炸,这种现象称为炸药冲击波感度,也称殉爆。工业炸 药的冲击波感度,常用殉爆距离来衡量。 主发装药 惰性介质 被发装药 电雷管 R 殉爆示意图 殉爆原因:(1)在介质中形成的冲击波;(2)爆轰产物流的 直接冲击;(3)主发药包外壳碎片或固体颗粒的射击 殉爆距离是主发装药与被发装药之间能发生殉爆的最大距离。 殉爆距离的测定方法如图所示。 试验时先将均匀细砂地整平并适当捣固,再用直径与药卷 相似的木棒在细砂地面上压出半圆形凹槽。尔后将插有8#雷 管的主爆药卷和从爆药卷(试验药卷)置于凹槽中,中心对正, 主发药包的聚能穴与被发药包的平面端相对,量好两药包的距 离,随后起爆主发药包,如果被发药包完全爆炸(不留有残药 和残纸片),改变距离,重复试验,直到不殉爆为止。取连续3 次发生殉爆的最大距离作为该炸药的殉爆距离。 (5)炸药的静电火花感度 炸药在静电火花作用下发生的爆炸,既与热作用有关,也与 冲击波的作用有关。 炸药对静电火花作用的感度,可用使炸药发生爆炸所需最小 放电电能来表示,或用在一定放电电能条件下所发生的爆炸频数 来表示。试验炸药静电火花感度的方法如图3-8所示。 放电电能按下式计算: 1 E ? CV 2 2 式中 C—电容,? F ; V—放电电压,kV。 图3-8 静电火花感度试验 目前,尚无有效方法避免静电产生,但可以采取措施,防止 静电积累,或将产生的静电及时消除和泄漏掉,以免发生事故。 在炸药生产中,通常采用的防静电事故的措施有: ① 工房增湿;② 设备接地、容器壁涂上能减小产生静电的物质 或防静电剂;③ 炸药颗粒包敷导电物质或表面活性剂;④桌面、 地面铺设导电橡胶等。 在爆破地点使用压气装药器装药时,常采用敷有良好导电层 的抗静电聚乙烯软管作为输药管并采取接地等措施,来减少产生 静电,防止静电事故。 2 影响感度的因素 1、温度:随着温度的增高,炸药分子间相对运动 增加,原子键的强度减弱,故炸药的感度增大。 2、密度:随着装药密度的增加,炸药的起爆感度 和火焰感度都会下降。 3 、物理结构:如压制的 TNT 可以用 8 号雷管起爆 , 溶铸的TNT不能用8号雷管起爆。 4、附加物:掺入附加物可以影响炸药机械感度。 钝感剂硬度小、熔点低 ( 石蜡 ) ;敏感剂硬度大、熔 点高(石英砂)。RDX+5%石蜡叫钝化RDX。 4.5 炸药的爆轰理论 1、冲击波的基本概念 2、爆轰波 3、爆轰波的结构 4、爆轰波的基本方程 5、爆轰波参数 6、稳定爆轰条件 7、影响稳定传爆的因素 8、爆速测定方法 1、冲击波的基本概念 (1)压缩波的基本概念 P P P1 P0 x 扰 动 区 未扰动区 P0 x F 在无限长气筒活塞右侧充满压力为P0的气体, 当活塞在压力F的作用下向右运动时,会在活塞 中产生一个自左向右传播的波, 扰动传播后, 使介质状态参数(P、ρ、T)增加,这样的波称为 压缩波。反之,波阵面过后使介质状态参数(P、 ρ、T)降低的波,称为稀疏波。 声波——扰动区内介质质点运动是振动的, dp c? 即有周期性,有压缩也有稀疏, d? 所以既不是压缩波也不是稀疏波。 dp 声速 c ? d? 对于理想气体 c ? kRT 以上提到的压缩波、稀疏波以及声波, 都有一个共同特点:波阵面处的状态参数是 个微分量,未扰动区到扰动区的状态参数是 渐变的,这种扰动称为弱扰动,这些波都称 为弱扰动波。 弱扰动波的波速度均等于该介质中的声速。 (2)冲击波的形成 当活塞从静止状态向右作等加速度运动 时,活塞右侧邻近的介质首先受到压缩,压 力、密度增大,这种状态的变化向右传播开 去,形成一右行弱压缩波。 当活塞再作等加速运动时,则在已经被 第一个弱压缩波扰动过的介质中又有一个新 的弱压缩波传播。 显然,倘若活塞做连续等加速度运动, 便有一系列相应的弱压缩波向右传播,介质 状态发生连续的变化。 可见,当活塞做连续加速运动时,在其右 侧便产生一系列的压缩波,并且后者的波速大 于前者的波速,后波追赶前波,一旦后面的压 缩波都赶上了第一个波,便迭加形成了压力突 跃升高的冲击波,它的波阵面是突跃面,波阵 面上压力、密度、温度和介质运动速度等参数 都突跃升高。 由此得出,冲击波是波阵面过后,介质状 态参数突跃变化的一种强压缩波。 波阵面的传播速度称为冲击波波速。 现分析每道波的波速。 第1道波: D1 ? c0 ? v0 D2 ? c1 ? v1 第n道波: Dn ? cn?1 ? vn?1 第2道波: 根据压缩波特性,显然有: vn?1 ? ... ? v2 ? v1 ? v0 ? c ? kRT ,? cn?1 ? ... ? c2 ? c1 ? c0 所以 Dn?1 ? ... ? D2 ? D1 ? D0 如果这时活塞速度不变,继续向右运动, 则波阵面压力、波速等冲击波参数保持恒定, 即冲击波定常传播。但是,若活塞停止运动, 冲击波的传播不能连续得到外部能量的支持, 即形成冲击波的自由传播。这时,在冲击波 传播过程中,波速即行下降,波阵面压力等 参数相应衰减,直至变成为声波(或应力 波)。 由此得出,冲击波传播过程中要保持其 固定的波速和波阵面的压力,则必须不断从 外部获得能量的补充。 (3)冲击波的基本方程 平面正冲击波的传播 根据质量守恒定律,单位时间内流入与 流出波阵面的物质的质量相等。即: ?0 ( D ? u0 ) ? ?1 ( D ? u1 ) (4-1) 根据动量守恒定律,运动物体动量的变 化等于外力作用的冲量。: P 1?P 0 ? ?0 ( D ? u0 )(u1 ? u0 ) (4-2) 由能量守恒定律:系统内能量的变化应等于 外力所做的功,介质的能量是其内能和动能之和。 1 1 2 ?1 ( D ? u1 )[e1 ? ( D ? u1 ) ] ? ? 0 ( D ? u0 )[e0 ? ( D ? u0 ) 2 ] 2 2 (4-3) ? P0 ( D ? u0 ) ? P 1 ( D ? u1 ) 单位时间内从右边流入波阵面的介质的能量: 1 ? 0 ( D ? u 0 )[e0 ? ( D ? u 0 ) 2 ] 2 向左流出波阵面的介质能量为: 1 ?1 ( D ? u1 )[e1 ? ( D ? u1 ) 2 ] 2 右边的未扰动的介质压力所做的功 P0 ( D ? u0 ) 左边介质压力所做的功 ?P 1 ( D ? u1 ) 整理经变换之后,可得冲击波基本方程: u1 ? u0 ? ( P 1?P 0 )(V0 ? V1 ) D ? u0 ? V0 (P 1?P 0) (V0 ? V1 ) (4-1A) (4-2A) (4-3A) 1 e1 ? e0 ? ( P1 ? P0 )(V0 ? V1 ) 2 其中 V为比容:V ? 1 / ? 如果介质为理想气体,则其状态方程为: PV ? RT 理想气体的内能为: (4-4) 代入(4-3A)得: PV e? k ?1 (4-3B) (k ? 1)V0 ? (k ? 1)V1 P 1 ? P0 (k ? 1)V1 ? (k ? 1)V0 其为理想气体的冲击波绝热方程或Hugoniot 方程。其中绝热指数,k ? c p / cv,一般取1.4. V0 V 将方程(4-3B)绘在P-V图,得到一向上凹的曲线, 称为空气冲击波绝热曲线A)绘在P-V图,得到一直线,称为波速线。 冲击波绝热曲线是不 同强度的冲击波通过同一 介质初态时,所达到的一 系列终态点联成的曲线, 而不是过程线。 冲击波的波速线是相 同的冲击波传过具有同一 初始状态的不同介质所达 到的终点状态的连线 冲击绝热曲线方程和波速线)冲击波波阵面前后介质状态在极小范围 内发生突跃变化,其差值为有限量; (2)冲击波传播速度永远大于未扰动介质中 的声速;对于已扰动介质,其传播速度小于该 介质当地声波速度; (3)冲击波波速与其强度有很大关系,而声 波则不然。 (4)没有外界能量的支持,冲击波传播因消 耗能量而逐渐衰减为音波而趋于消失。 2 爆轰波 反应区 D:爆轰波波速 雷管 已反应的药包 未反应的药包 炸药的爆炸过程 炸药爆炸过程: (1)炸药局部被雷管起爆后,在炸药分子中激发冲击 波; (2)冲击波波阵面所到之处,使炸药分子活化而产生化 学反应;化学反应所释放出的能量用来补偿冲击波传播 时的能量损耗; (3)冲击波得以维持并以固有波速和波阵面压力继续向 前传播,其后紧跟一个炸药化学反应区以同等速度向前 传播。 (4)这种伴随发生化学反应,在炸药中传播的特殊形式 的冲击波叫爆轰波。 (5)前沿冲击波连同后面的化学反应区叫爆轰波波阵面。 (6)所以说炸药的爆炸过程就是爆轰波的传播过程。 1)炸药达到稳定爆轰前有 一个不稳定的爆炸区。 2)在特定的条件下,每种 炸药都会有一个不变的炸 药特征爆速Di。 3) 每种炸药都存在一个 最小的临界爆速Dc。波速 低于Dc后,冲击波将衰减 为音波而导致爆轰熄灭。 不同速度冲击波激发炸药包爆炸过程 3 爆轰波的结构(Z-N-D模型) P P2 P1 1?10?5 cm 0.1 ~ 1cm 2 10 炸药 t 爆轰产物区 反应区 爆轰波的Z-N-D模型 ? 0-0面:右侧,炸药处在原始状态,是未反 应区,左侧,开始有压力作用; ? 1-1面:急剧上升到最高点,炸药在高压作 用下开始反应,0-1部分就是前沿冲击波的波 阵面; ?炸药从1-1面开始反应,到2-2面结束,1-2 部分就是化学反应区; ? 2-2面则是反应终了面,一般称为C-J面。 ? C-J面左侧,炸药全部反应结束,叫爆轰产 物区。 几点说明: ? ZND模型是一个经典的爆轰波模型,然而,并未 完全反应爆轰时发生的实际情况,实际的爆轰有能 量损失,但其对研究爆轰波的物理本质有一定指导 意义。 ?爆轰波只存在于炸药的爆轰过程中,爆轰波的传 播随炸药的爆轰结束而终止。 ?爆轰波阵面的宽度远远大于冲击波波阵面的宽度, 一般0.1~10mm ?爆轰波的参数用C-J面上的参数来表示。 4 爆轰波基本方程 ①质量守恒方程: ?0 D ? ? H ( D ? uH ) (4-5) ②动量守恒方程: pH ? p0 ? ?0 Du H ③能量守恒方程: (4-6) 1 EH ? E0 ? ? pH ? p0 ??v0 ? vH ? (4-7) 2 反应区 爆轰 产物区 PH , ρH , u H ? 2 1 0 波阵面 u0=0, P0 , ρ0 未反应 炸药 2 P H , ρH , 2 2 ? ? ( D ? uH ) 1 0 1 0 D ? ? u0 ? D0 , P0 , ρ0 1 0 波阵面静止(坐标变换) ? 爆轰波以爆速 D 在药卷中传播,当药卷截面积为S 时,在时间 ?t 内进入0-1面的炸药质量为?0 D ? ?t ? S ? 坐标变换后,未反应炸药以 D 进入0-1面,在时间 ?t 内进离开0-1面的炸药质量: ? H ( D ? uH ) ? ?t ? S 因为在爆轰过程中爆热转化为爆炸产物的内能, 而它本来是贮存于炸药中的,故炸药的总内能E0。 可以表示为炸药的内能E0和这部分化学能Qv之和, 而爆炸产物的总内能EH,即为该状态下的内能,故 能量守恒方程可以写为: 1 EH ? E0 ? ? pH ? p0 ??v0 ? vH ? ? Qv (4-7B) 2 公式(4-7B)称为爆轰波的雨果尼奥方程。 β引入未反应物质 的质量百分比 爆轰波和冲击绝热曲线 从图中可以看出,它们都是上凹双曲线,是不同强度 冲击波冲击绝热曲线通过后,介质所达到的终态点的联线。 冲击波冲击绝热曲线、爆轰波冲击绝热曲线与波速线的关系 爆轰波稳定传播条件(C-J条件): 查普曼和朱格认为:当爆轰波稳定传播时,在 爆轰波雨果尼奥曲线上只有一点与爆轰过程相对应, 这一点就是与之相切的点2,2点就是C-J面上的状 态参数,而与冲击波曲线即是前沿冲击 波的波阵面参数。 C-J条件可用下式表示: D ? cH ? uH (4-8B) D 爆轰波传播的速度; u H 爆轰波阵面上产物质点的速度; cH 爆轰波阵面上产物的声速; 在化学反应区后面,炸药爆炸后,气体 质点膨胀,压力下降,说明有一个稀疏波跟 在反应区的后面,稀疏波的波阵面就是C-J面, 稀疏波波速等于爆速,因而爆轰波后面的膨 胀波就不能传入爆轰化学反应区中,而只能 紧接反应区C-J平面传播,因此反应区所释 放的能量不发生损失,而全部用来支持爆轰 波的稳定传播。 5 爆轰波的基本参数 ? 爆轰波的基本方程中共计有5个未知数,有 三个方程,加上C-J条件,共计四个方程; ? 实际应用的炸药,一般凝聚态(固态或液 体),存在一个状态方程: p ? A? ? 通过推导,有 k D uH ? k ?1 1 2 pH ? ?0 D k ?1 k ?1 ?H ? ?0 k D ? 2(k ? 1)Qv 2 C-J面处质点速度 爆轰压力 C-J面处介质密度 爆速 爆轰结束瞬间产物的温度 定容条件下的爆温 2k TH ? Tc k ?1 对于高密度的凝聚炸药(ρ1.5g/cm3)而言, 可以近似的取k=3,那么上式就成为: 1、质点速度: uH D ? 4 cH ? 3 D 4 2、反应区介质音速: 3、爆轰压力: PH ? 1 ?0 D 2 4 4、反应区产物密度: ?H ? 4 ?0 3 5、爆速: D ? 4 QV TH 3 ? Tc 2 6 爆轰结束瞬间产物的温度 从上述公式可知: ? 反应产物质点速度比爆速小,但随爆 速的增大而增大; ? 爆轰反应结束瞬间产物的压力取决于 炸药的爆速和速度; ? 爆轰刚结束时,产物的密度比原炸药 的密度要大; ?爆轰结束瞬间的温度不是爆温,它比 爆温高。 6 稳定爆轰条件 ①反应区化学反应机理 ? 整体均匀灼热机理 适用于不含气泡或其它掺合物的均质炸药。在冲击波 作用下,邻接波阵面的炸药薄层均匀地受到强烈压缩,温 度迅速上升,产生急剧化学反应。 ? 热点局部灼热机理 适用于不均匀的炸药。在冲击波作用下,不均质炸药 中,化学反应首先是围绕热点开始的,然后进一步发展到 整层炸药。 ? 混合反应机理 工业炸药多采用硝酸铵类混合炸药,含有多种不同性 质的成份,这种多种成分带来的不均匀性决定其反应区中 的反应具有多阶段特点。 化学反应分成2个阶段,炸药在冲击波作用下,容易 分解的成分首先分解,为第一次反应;然后,分解产物之 间,或与尚未分解或尚未汽化的成分发生反应,生成最终 的爆轰产物。称为第二次反应。 下图表示混合炸药爆轰压力随时间的变化关系。实验 表明: P2 ? P3 PCJ ? 2 混合炸药的多阶段反应加大了反应区宽度。 P1 压 力 P P2 P3 t1 t2 t3 时间t 混合炸药爆轰波压力随时间的变化 t1—第一次反应时间;t2—第二次反应时间;t0—炸药被压缩时间 ②理想爆轰与稳定爆轰 爆速是爆轰波的一个重要参数,用它可以分析 炸药爆轰波的传播过程。 (1)爆轰波的传播要靠反应区释放出的能量来维持, 爆速的变化直接反映了反应区结构以及能量释出的 多少和释放的快慢; (2)爆速是目前比较容易准确测定的一个爆轰波参 数。 爆速D 非理想爆轰 不 稳 定 爆 轰 理想爆轰 避免不稳定爆 轰,力求达到 理想爆轰。 理想爆速 稳 定 爆 轰 临界 直径 极限 直径 理 想 爆 轰 药卷直径d d极= (8~13) d临 炸药爆速与药卷直径的关系 ③ 侧向扩散对反应区结构的影响 扩散物前锋位置 有效反应区 膨胀波 阵 面 爆轰产物区 ⑤ 冲击波波阵面 ② ⑥ ③ D ④ ① 侧向扩散 影响区 L 反应区宽度 未反应区 t1表示自药包周边至轴线扩散过程所经历的时间; t2表示炸药颗粒开始反应到反应终了所需的时间。 t1 ? t2 反应区中炸药的化学反应过程未受到侧向扩散的影响, 有效反应区宽度大于或等于炸药固有的反应区宽度。爆轰 波在传播过程中能得到足够的能量补充,为理想爆轰。 t1 ?? t2 由于侧向扩散的严重影响,有效反应区宽度大大缩小, 能量损失很大,爆轰波的传播因得不到足够的能量补充而 迅速衰减直至爆轰中断,形成不稳定爆轰。 t1 ? t2 侧向扩散影响到反应区中炸药的化学反应过程,有 效反应区宽度小于炸药固有的反应区宽度。能量损失增 大,反应区释放能量减少,爆速和波阵面压力下降。如 果波阵面压力还足以激起其前沿炸药薄层发生化学反应, 并为爆轰波稳定传播提供足够的能量,那么,爆轰波仍 能稳定传播,但爆速低于理想爆速。 综上,可得出如下结论:对于稳定爆轰来说,扩散时 间越长越好,而反应时间越小越好。 就同一种炸药而言,随着药包直径的减小,有 效反应区宽度也相应缩小。 ? 当dd临时,侧向扩散影响严重,有效反应区大 大缩小,成为不稳定爆轰。 ? 当d临dd极时,侧向扩散仍有明显影响,有效反 应区宽度比炸药固有反应区宽度略小,但有效反应 区释放的能量还足够维持爆轰波以定常速度传播, 成为非理想稳定爆轰。 ?当dd极时,药包中心部分不受侧向扩散的影响, 爆轰波以最大速度传播,为理想爆轰。 图 不同药包直径侧向扩散对反应区结构影响示意图 (a)不稳定传爆;(b)非理想爆轰稳定传爆;(c)理想爆轰 l-反应区宽度;l’-有效反应区宽度 7 影响稳定传爆的因素 1)药包直径 如上述,要使t1>t2(炸药中心颗粒向周边扩散的时 间t1≥炸药颗粒反应时间t2) ; 3 3 1—梯恩梯( ?0 ? 1.6g / cm );2—梯恩梯/硝酸铵(50/50)( ?0 ? 1.53g / cm ) ; 3—梯恩梯( ?0 ? 1.0g / cm3 );4—梯恩梯-硝酸铵( ?0 ? 1.0g / cm3 ); 5—硝酸铵-硝化甘油( ?0 ? 0.98g / cm3 );6—硝酸铵( ?0 ? 1.04g / cm3 ) 2)药包外壳 坚固的外壳可减少侧向飞散的影响; 3)装药密度 炸药密度——单位体积所含的炸药质量。 装药密度 ——炸药质量与炮孔(或药室)体积之比, 即炮孔(或药室)单位体积所含的炸药质量。 最优密度——爆速达到最大值时的密度。 临界密度——稳定爆轰的最大密度,超过此密度时就发生拒爆。 对单体炸药,炸药的爆炸速度D随装药密度ρ0的增 加而增加; 对混合炸药,炸药的爆炸速度D随装药密度ρ0的增 加而增加,当密度增大到一定程度时,爆速达到最大, 密度继续增大,爆速开始减小,直至被“压死”,即存 在最优装药密度。 梯恩梯的装药密度对爆速的影响 混合炸药装药密度对爆速的影响 1—药包直径20mm; 2—药包直径40mm 4)径向间隙效应 管壁、孔壁与药包之间的径向间隙,影响了爆轰波 稳定传播之作用。其影响因素有:径向间隙的大小、管 壁强度、炸药性质等。 当径向间隙为10~15mm、管壁强度大、炸药极限密 度低时,径向间隙效应明显。 孔内空气冲击波速度C 炸药中爆轰波速D 炸药径向间隙效应 减少或消除沟槽效应的措施 采用散装技术,使炸药全部充填炮孔不留间隙 F E D C B A 沿药包全长放置导爆索起爆 调整和加工工艺 堵塞等离子体的传播 增大药卷直径 化学技术 5)炸药粒度 各种成分愈细,则炸药的分解和反应速度愈高,反 应区宽度愈小。而在相同药包直径条件下,反应区宽度 愈小,能量损失少,愈有利于稳定传爆。 可采取选用爆速大的炸药和大直径药卷及 坚固外壳等措施,实现稳定爆轰。 8 爆速的测定方法 炸药的爆速是衡量炸药爆炸性能的重要标志量,也 是目前可以比较准确测定的一个爆轰参数。 测定方法 导爆索法 电测法 高速摄影法 ①示波器 记时法 ②数字式爆速 仪测爆速法 导爆索比较法测爆速 l ?h AM ? ?h l BM ? ?h ? ? D0 D D0 D药 l ? D索 2 ?h 示波器测定爆速 示波器测定爆速 (a)测定装置;(b)荧光屏上波形 1,2—探针;3—药包;4—脉冲信号发生器电路; 5—示波器;6—雷管;7—脉冲信号;8—时标 电测法(爆速仪)测爆速 D药 ? L ?t 4.6 炸药爆轰产物及氧平衡 1、氧平衡及计算 2、爆炸反应方程式 3、产生有毒气体的原因 1、炸药的氧平衡 ?氧平衡的基本概念 众所周知,从元素组成来说,炸药通常 是由碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)4种元素组 成的。其中碳、氢是可燃元素,氧是助燃元 素,炸药是一种载氧体。 炸药爆炸过程的实质是可燃元素与助燃 元素发生极其迅速和猛烈的氧化还原反应的 过程,反应结果是生成新的稳定产物,并放 出大量的热量。这些产物主要有CO2,H2O, CO,N2及O2,H2,C,NO,NO2,CH4,NH3等。 爆炸产物的种类和数量除受爆炸时压力与 温度的影响外,还和炸药的可燃剂和氧化剂的 量有关。一般用氧平衡来表示炸药中氧及可燃 元素的相对含量。 氧平衡:衡量炸药中所含的氧将可燃元素完全 氧化所需要的氧两者是否平衡的问题。 炸药的氧平衡可分为下列3种不同的情况: ①零氧平衡: 指炸药中所含的氧刚够将可燃元 素完全氧化。 ②正氧平衡: 指炸药中所含的氧将可燃元素完 全氧化后还有剩余。 ③负氧平衡: 指炸药中所含的氧不足以将可燃 元素完全氧化。 实践表明,只有当炸药中的碳和氢都被氧 化成CO2和H2O时,其放热量才最大。零氧平衡一 般接近于这种情况。负氧平衡的炸药,爆炸产 物中就会有CO、H2,甚至会出现固体碳;而正 氧平衡炸药的爆炸产物,则会出现NO、NO2等气 体。这两种情况,都不利于发挥炸药的最大威 力,同时会生成有毒气体。 ? 氧平衡值的计算 一般地说,对于含碳、氢、氧、氮的单质炸或 混合炸药,其实验式可用下面通式表示: CaHbOcNd 式中,a、b、c、d分别代表在一个炸药分子中的碳、 氢、氧、氮的原子个数。 发生爆炸反应时,可燃元素碳、氢的完全氧 化是按下式进行的: C+O2→CO2+395kJ/mol 2H2+O2→2H2O+242kJ/mol 也就是说,a个碳原子消耗2a个氧原子变成CO2, b个氢原子变成H2O,消耗b/2个氧原子,而炸药本身 含有的氧原子数为c,因此c与(2a+b/2)的差值, 就反映了氧平衡的情况: (1) c-(2a+b/2)0的炸药,为正氧平衡炸药。 (2) c-(2a+b/2)=0 的炸药,为零氧平衡炸药。 (3) c-(2a+b/2)0的炸药,负零氧平衡炸药。 在实际计算中,氧平衡值往往用每1g炸药内 多余或不足的氧的克数来表示,这时CaHbOcNd炸 药的氧平衡可按下式计算: 1 [c ? (2a ? b)] ?16 2 Kb ? M (4-3) M 为炸药的分子量。 对于混合炸药来说,可采用各组分的百分率 与其氧平衡值的乘积的总和来计算,即: Kb ? m1M1 ? m2 M 2 ? ? mn M n (4-4) 式中 m1 , m2 , 量。 M1 , M 2 , , mn 为混合炸药各组分的氧平衡值。 , Mn 为混合炸药各组分的百分比含 习惯上在正氧平衡数值前冠以“+”号,在负 氧平衡数值前冠以“—”号。 表4-1列出了一些常用炸药和物质的氧平衡值。 表4-1 一些常用炸药和物质的氧平衡值 ? 氧平衡值的计算实例 1) 单一物质的氧平衡计算 例1 计算硝酸铵(NH4NO3)的氧平衡 1 (3 ? ? 4) ?16 2 Kb ? ? ?20% 80 作业:计算梯恩梯C6H2(NO2)3CH3氧平衡 2)混合炸药的氧平衡计算 例2 计算4号浆状炸药的氧平衡值 表4-2 4号浆体炸药的组成分配比与氧平衡值 K b ? 60.2% ? (?0.20) ? 17.5% ? (?0.740) ? 2% ? (?1.066) ? 3% ? (?0.08) ? ?0.0544 例2 已知2#岩石硝铵炸药的成分如下: 硝酸铵(NH4NO3) 85% TNT(C6H2(NO2)3CH3) 11% 木粉(C50H72O33) 4% 求其氧平衡。 ? 研究氧平衡的意义 (1)对同种类炸药当 Kb≌0时,炸药放出热量最多, 作功能力最大。 (2)当Kb ≌0时,产生的有毒气体最少, Kb0时, 使放出的热量减少,威力减小,产生有毒的氧化氮 (NO2), Kb 0时,产生有毒的CO。 (3) 氧平衡是混合设计的重要依据,当 混合炸药的成份确定后,各组分配此原则是 O Kb ≌0。(2#号岩石硝铵炸药:0.0338) 2 爆炸反应方程式 ? 确定爆炸反应方程式的实际意义 a.炸药爆炸性能参数:Qv、T、Vo、P、D计算 的主要依据。 b.地下爆破作业的爆炸产物毒性确定的主要 依据-有毒气体。 c.可燃气尘的环境中炸药爆炸防止二次火焰 的依据-沼气安全性。 d.研制炸药、选用炸药以达到最佳使用性能 的依据。 ? 爆轰产物是炸药爆轰时,化学反应区反应终了瞬间的化 学反应产物组成成分,与炸药化学组成、物理性质及反 应程度有关。主要有CO2、CO、H2O、NO2、NO、C、O2、 N2 等 ? 爆轰产物进一步膨胀,或同外界空气、岩石等其它物质 相互作用,其成分要发生变化或生成新的产物叫爆炸产 物。其用于衡量爆炸后有毒气体的生成量。 ? ? 爆轰产物不同,爆炸热效应随之变化。对于大 多数炸药来说,爆炸热效应取决于碳、氢、铝等元 素被氧化的程度。例如: C ? O 2 ? CO 2 ? 395k 2C ? O 2 ? 2CO ? 110k 2H2 ? O 2 ? 2H 2 O ? 2 N 2 ? O 2 ? 2NO ? 96 k J / m o J / m o 4 k 2 J / m J / m J / m o l l o l o l o l l N 2 ? 2O 2 ? 2NO2 ? 17 k 2Al ? 1.5O2 ? Al2 O3 ? 1666 .4 k J / m ? 从以上各反应式看出,炸药的组成成份不同或反应条件 不同,反应生成物不同,反应热效应差别很大。为了充分利 用炸药的能量,提高炸药的威力,降低有毒气体的生产量, 应力求在爆轰反应过程中,使炸药中的碳,氢元素被氧元素 完全氧化生成CO2 和H2O,而避免生成CO、NO和NO2。 ? 爆炸化学反应速度非常快,温度和压力都很高,并且 瞬时都在变化,反应平衡程度不断改变。在这种情况下, 要精确测定反应终了瞬间爆轰生物组成是十分困难的。因 此,一般都采用近似的方法建立爆炸化学反应方程,在此 基础上确定爆轰产物。由于爆轰产物组成首先取决于炸药 氧平衡,爆炸化学反应方程是基于炸药的不同氧平衡建立 的。 ? 确定爆轰产物方法: a.实验确定:根据爆炸产物测定结果得出(困难,高温 ,高压) 化学非平衡,光谱侦测。 b.理论确定:化学非平衡,爆炸参数如P、T、Qv的确 定与组成的确定交织在一起,是个动态过程,组成随 时间变化。可根据化学平衡及热力学平衡理论进行简 化理论计算。(近似计算) c.经验确定: L ? C (吕? 查德里) ( Le ? chatelier ) ? 爆炸产物体积最大原则 B ? W (布伦克里 ? 威尔逊) ? 爆炸能量优先原则 Brinkley ? wilson H 2O ? CO2 ? 最大放热 ? (1)当 c ? (2a ? b 2) 时,即对于零氧平衡或正氧平衡炸药, 在确定其爆炸化学反应方程时,可近似认为,炸药中的氢 被氧化为水 ,碳被完全氧化为二氧化碳 ,氮、氧(如为 正氧平衡)游离为氮气 与氧气 。这里可能产生的 水和二 氧化碳 的分解及氮的氧化均予忽略。这样,爆炸化学反应 方程表示为: Ca H b Oc N d ? b / 2H 2 O ? aCO 2 ? d / 2N 2 ? 1/ 2(c - 2a - b/2)O2 ? 例如 硝化甘油的爆炸反应方程为 C3 H5 (ONO2 ) 3 ? 3CO2 ? 2.5H2 O ? 1.5N 2 ? 0.25O2 ? (2)当 (2a ? b 2) ? c ? (a ? b 2) 时,可以认为,爆炸化学反应 时,氧首先使氢全部氧化成水,余下的氧将全部的碳氧化 成一氧化碳,最后,除去前面两项尚有余下的部分氧,进 一步将一定量的 CO 氧化为 CO 2 。因此,此类炸药的爆 炸反应方程表示为 Ca H b Oc Nd ? b / 2H 2 O ? (c ? a ? b / 2)CO 2 ? (2a ? c ? b / 2)CO ? d / 2N 2 ? 例如泰安的爆炸反应方程为 C(CH2 ONO2 ) 4 ? 4H2 O ? 3CO2 ? 2CO ? 2N 2 ? (3)当 c ? (a ? b 2) 时,建立炸药化学方程的前提是,氧首 先将氢氧化为 H 2 O ,余下的氧使部分碳氧化为 CO ,其余 的碳游离成固状碳,不生成 CO 2 。这样,爆炸化学反应方 程表示为 Ca H b Oc N d ? b / 2H 2 O ? (c ? b / 2)CO ? (a ? c ? b / 2)C ? d / 2N 2 ? 例如,梯恩梯的爆炸化学反应方程为 C6 H 2 (NO2 ) 3 CH 3 ? 2.5H 2 O ? 3.5CO? 3.5C ? 1.5N 2 ? (4)对于含铝炸药的零氧平衡或正氧平衡混合炸药,其爆 炸化学反应方程可表示为: Ca H b Oc Nd Ale ? b / 2H 2O ? aCO 2 ? e / 2Al2O3 ? d / 2N 2 ? 1 / 2(c ? b / 2 ? 2a ? 3 / 2e)O2 ? 它说明在爆炸过程中,由于有充分的氧,碳、氢、铝得以完 全氧化。而在含铝的负氧平衡炸药中,由于铝可以同已经生 成的 H 2 O 和 CO 2 发生二次反应,故生成 Al2O3 , H 2和 , 如 CO 2Al ? H 2 O ? Al2 O3 ? 3H2 2Al ? CO 2 ? Al2 O3 ? CO ? 后一种情况生成有毒气体,这是使用炸药时要引为注意的。 3 有毒气体 ? 在炸药爆炸生成的气体产物中, CO 和氮氧化合物 ( NO 、NO2 )均属有毒气体。炸药内含硫或硫化物时,还 能产生 SO 2和 H 2S等其它有毒气体。这些有毒气体在大气中 的含量超过一定限度,被吸入人体之后,会使人中毒,严重 时将导致死亡。上述有毒气体的毒性,用空气中的危险浓度 来表示(见表)。 有毒气体在空气中的危险浓度 各种危险浓度(毫克/升) 有毒气体 吸入数小 时将引起 轻微中毒 0.1~0.2 0.07~0.2 0.01~0.2 0.025 吸入1小时后 将引起严重 中毒 1.5~0.6 0.2~0.4 0.25~1.4 0.06~0.26 吸入0.5~1小 时就会有致 命危险 1.6~2.3 0.2~1.0 0.5~1.0 1.0~1.05 吸入数分钟 就会死亡 5 0.5 1.2 - 一氧化碳 氧化氮 硫化氢 亚硫酐 有毒气体不仅对人体有害,而且某些有毒气体对煤矿井 下瓦斯能起催爆作用(例如氧化氮)或引起二次火焰(例 如 CO )。因此,对井下使用炸药产生的有毒气体量应有严 格的限制。《爆破安全规程》(GB6722-2003)规定,地下爆 破作业点的爆破有害气体浓度,不应超过下表的规定。 因为有毒气体的形成受许多因素的影响,很难从理论上给 以精确计算,一般通过试验或在现场抽样,对样品进行化学 分析予以测定。形成有毒气体的主要原因有:(1)炸药的氧 平衡;(2)爆炸化学反应的完全程度;(3)爆破岩石的性质。 地下爆破作业点有害气体允许浓度 Bq/m3 每立方米贝可,活度浓度(单位质量物质中的放 射性活度)的单位。 4.7 爆炸过程的热化学参数 1 爆热 2 爆温 3 爆容 4 爆压 1 爆热( Qv) 单位质量炸药在定容条件下爆轰时所释放 出的热量称为爆热。单位:J/mol 或 J/kg。 Qv 爆热是爆炸气体对外作功的能源。同时, 反应区爆炸反应释放出的能(热)量,维持爆 轰波的稳定传播。所以,爆热无论对炸药爆炸 威力的发挥,或爆轰波的稳定传播,都有着决 定性的影响。因此,爆热无论在炸药实际应用 上或理论研究中,都具有重要的意义。 ?爆热的实验测定 爆热的测定通常 用量热弹测量,其装 置如图4-1所示。它 的主要部分是一个用 优质合金钢制成的量 热弹4,其规格为:直 径270 mm,高400 mm, 重137.5 kg,容积 5.8 L。它被置于一 个不锈钢制成的量热 桶中,其外是保温桶, 最外层是木桶,层间 填以保温材料。 一般取100g炸药卷并插入一只电雷管,将其悬吊于 弹盖上,接出雷管脚线,安好弹盖后,随即将弹内空气 抽出,并用氮气置换剩余的气体,再抽成真空,然后把 弹体放入量热桶中,桶内注入一定数量蒸馏水,使其全 部淹没弹体。恒温一小时后,记录水温T0,接着引爆炸 药,水温随即上升,记下最高温度T,被测炸药的爆热。 可按下式求出: Qv ? (C水 ? C仪 ) ? (T ? T0 ) ? q m (4-5) 几种常见炸药的爆热实验值 炸药名称 梯恩梯 梯恩梯 黑索金 黑索金 太安 太安 装药密度 爆热 (g/cm-3) (kJ/kg) 0.85 1.50 0.95 1.50 0.85 1.65 3389.0 4225.8 5313.7 5397.4 5690.2 5690.2 炸药名称 特屈儿 特屈儿 硝酸铵/梯恩梯 (80/20) 硝酸铵/梯恩梯 (80/20) 硝酸铵/梯恩梯 (40/60) 硝化甘油 装药密度 爆热 (g/cm-3) (kJ/kg) 1.0 1.55 0.9 1.30 1.55 1.60 3849.3 4560.6 4100.3 4142.2 4184.0 6192.3 ? 爆热的理论计算 在许多情况下,对炸药的爆热进行理论计算是非常 必要的。这种计算的理论基础是炸药爆炸变化反应式的 确立和盖斯定律,即通过炸药的生成热,利用盖斯定律 求算其爆热。 生成热——由元素生成1mol或1kg 化合物所放出或 (吸收)的热量。吸热为负,放热为正。 定容生成热——反应过程在定容条件下产生的生成热。 定压生成热——反应在0.1MPa的恒压下产生的生成热。 常见物质的生成热可查相关化学手册获得。 盖斯定律 盖斯定律指出,“化学反应热效应与反应进行的途径无关,当 热力过程一定时,热效应仅决定于系统的初始状态和最终状 态”。根据盖斯定律计算生成热和爆热,如图4-2所示。 爆炸产物 生成热 炸药生 成热 爆热 Q1?3 ? Q1?2 ? Q2?3 Q2?3 ? Q1?3 ? Q1?2 (4-6) (4-7) 图4-2计算炸药爆热的盖斯三角形 由此,只要知道炸药的爆炸变化方程式,炸药的生 成热以及爆炸产物的生成热数值,就可以计算出炸药的 爆热。炸药和爆炸产物的生成热可以查阅有关手册。 例:已知泰安的分子量为316,生成热为129.37千卡/摩尔,爆炸 变化方程式为 C(CH2ONO2 )4 ? 4H2O+3CO2 +2CO+2N2 +Qv 求泰安的爆热。 解:先查表得H2O、CO2、CO、N2的生成热为57.78千卡/摩尔、 94.51千卡/摩尔、26.88千卡/摩尔和0。 按泰安爆热的盖斯三角形有 Q2?3 ? Q1?3 ? Q1?2 即: Q2?3 ? 4 ? 57.58 ? 3 ? 94.51 ? 2 ? 26.88 ? 129.37 =439.04 千卡/摩尔 作业: 试计算梯恩梯的爆热. C6H2(NO2)3CH3 梯恩梯的生成热 42.2kj/mol。 2.5H2O+3.5CO+3.5C+1.5N2+Qv 2 爆温 炸药爆炸时所放出的热量将爆炸产物加热达到的最 高温度称为爆温。 在爆炸过程中温度变化极快而且极高,单质炸药的 爆温一般为3000~5000°C,矿用炸药的爆温一般为 2000~2500°C。不言而喻,在如此变化极快、温度极 高的条件下,用实验方法直接测定爆温是极为困难的, 一般采用理论计算。 爆轰的C-J温度(由流体力学理论与状态方程得出 的温度) 反应区的平均温度(光谱测量—北京理工大学徐更 光院士,南京理工大学,西安近代化学研究所) ?爆温的理论计算(卡斯特法) 为了简化爆温的理论计算,假设: ①爆炸过程视为定容过程; ②爆炸过程是绝热的,放出热量全部用来加热爆炸 产物; ③爆炸产物的热容只是温度的函数,而与爆炸时所 处的压力无关。 该法就是利用爆热和爆炸产物的热容或比热来计算 爆温。在以上假设条件下,利用下式来计算爆温: Qv ? Cv ? t ? (4-8) 爆炸产物热容是温度的函数,该函数一般可写成级数的形 式,即:J.mol-1℃-1 Cv ? a ? bt ? ct 2 +dt 3 + ? (4-9) 在实际计爆温时,此级数一般只取前两项,认为平均热容 量与温度呈直线关系,即: Cv ? a ? bt ? (4-10) 将式(4-10)代入式(4-8)整理得: bt 2 +at -Qv =0 求解方程(4-11)得: (4-11) t? ?a ? a 2 ? 4bQv 2b (4-12) 在实际运算时,往往利用卡斯特的平均分子热容量来计算, 各种产物的a,b值列于表4-2。 表4-2 爆炸产物的a,b值 例:计算梯恩梯的爆温,并测知其爆炸变化方程式如下: C 6 H 2 (NO 2 ) 3 CH 3 ? 2.5H 2 O ? 3.5CO ? 3.5C ? 1.5N 2 ? 958 KJ/mol 解:爆轰产物热容量,对于水蒸汽: Cv ? 2.5 ? (16.74 ? 89.96 ? 10 ?4 t ) ? 41.85 ? 224.9 ? 10 ?4 t ? 对于双原子气体: Cv ? (3.5 ? 1.5) ? (20.08 ? 18.3 ? 10 ?4 t ) ? 100.4 ? 91.5 ? 10 ?4 t ? 对于C: C v ? 3.5 ? 25.11 ? 87.9 ? 爆轰产物平均热容量总和: C v ? 230.15 ? 316.4 ? 10 ?4 t ? 即: a ? 230.15 b ? 316.4 ? 10 ?4 代入(4-12)得: ? 230.15 ? 230.15 2 ? 4 ? 316.4 ? 10 ?4 ? 958 ? 10 3 t? ? 2959 ?4 2 ? 316.4 ? 10 故得梯恩梯的爆温为:t ? 2959 ? C 或: T ? 2959 ? 273 ? 3232 K 3 爆容 每公斤炸药爆炸生成气体产物在标准状况下的体积称为炸 药的爆容。气体产物是炸药爆炸放出热能借以作功的介质,因 此爆容是与炸药作功能力有关的一个重要参数。 要计算爆容,首先要确定爆炸反应方程,再按阿佛加得罗 定律,求得炸药的爆容。设水按水蒸汽考虑,固态产物体积忽 略不计。 若炸药通式 Ca Hb NcOd 是按1克分子写出的,则爆容的计 算公式为: 22.4? ni V0 = ?1000 升/公斤 M ? n 气体产物的总分子数 i M 炸药的克分子量。 若炸药通式是按 1kg 写出的,爆容等于反应方程式中各种气 体产物体积的总和,即 V0 ? 22.4? n i 例 求出硝酸铵的爆容。 ) 解:因为这类炸药 (c ? 2a ? b / 2,是正氧平衡,硝酸铵 的近似爆炸反应方程为 NH 4 NO3 ? 2H 2 O ? 1 / 2O 2 ? N 2 (2 ? 1 / 2 ? 1) V0 ? ? 22.4 ? 1000 ? 980 L/kg 80 4 爆压 炸药在密闭容器中爆炸时,其爆炸产物对器壁所施的压力称 为爆压。炸药在密闭容器中爆炸时所产生的压力可以利用理想气 体的状态方程(因爆炸气体近似于理想气体)来计算: PV ? nRT (4-13) 但是在固体或液体炸药爆炸时,其生成的气体密度很大,因 此,不能再利用理想气体状态方程,而利用阿贝尔状态方程来计 算爆压: nRT n? P? ? RT V ? ? 1 ? ?? (4-14) ? 为气体分子的余容。每公斤炸药生成气体产物的余容决定于 炸药密度,如图4-3所示。若生成有固体物,在余容中还应包括固 体产物的体积(等于重量除以比重)。 在上式中,nR 可用爆容 v 0 来表示。 因为爆容是标准状况下的体积,由 理想气体的状态方程可知 PV V0 0 0 nR ? ? (4-15) T0 273 代入式(4-14)可得 ?f P? 1 ? ?? 其中: f ? (4-16) 图4-2 炸药密度和余容的关系 v0T 大气压.升/公斤,通常把它称为炸药力或比能。 273 它是衡量炸药作功能力的一个指标。 4.8 爆炸功 1 炸药爆炸理论做功 2 爆力 3 猛度 4 聚能效应 1 炸药爆炸理论做功 ?炸药爆炸作功过程 炸药爆炸作功过程跟“热机”工作过程相 似。 炸药爆炸 加热爆炸气体产物膨胀 化学潜能 热能 机械功 ? 炸药的理论爆炸功——热力学分析 三个假设 1)定容、绝热过程下爆轰; 2)释放的能量全部用于加热爆轰产物; 3)绝热膨胀过程中无热量损失, 全部转为机械功。 (P1, V1, T1 ) 定容绝热 反 应 炸 药 绝热膨胀 做 功 (P2, V2, T2) 爆轰产物 (高温高压) 炸药爆炸的理想作功过程示意图 爆炸产物 (常温常压) (常温常压) 由热力学第一定律知: 内能的减少(dU)等于气体在膨胀过程中传给 介质的热量(dQ)以及膨胀所作的功(dA),即 -dU=dQ+dA 因爆炸过程极短,dQ=0。所以,dA=-dU。 又因内能的变化 dU ? cV dT,所以, dA ? ?cV dT A ? ?? T2 T1 T2 T2 cV dT ? cV (T1 ? T2 ) ? cV T1 (1 ? ) ? E (1 ? ) T1 T1 因炸药潜能 E ? cV T0 ? Qv ,忽略 cV T0 T2 A ? Qv (1 ? ) ? ?Qv T1 其中:CV —定容比热; T1—爆炸反应终了产物温度,爆温; T2—气体膨胀结束后的温度; Amax为理论爆炸功的最大值,表示炸药在理 想条件下,对外界的最大作功能力。 根据绝热过程方程: Vk-1×T为恒量,Pk-1×T-k为恒量。其中,k为绝 热指数,k=CP/CV一般取k=1.4。可得: 则炸药爆炸做功能力的理论表达式: ? ?V 1 A ? QV ?1 ? ? ?V ? ? ? 2 ? ? ? ? k ?1 ? ? ? ? ? ? P2 ? ? QV 1 ? ? ? ? P 1 ? ? ? ? ? ? ? k ?1 k ? ? ? ? ? 2 爆力 将炸药装入介质内部起爆后,以其扩张容积表 示作功能力的相对指标。系由炸药爆轰波及爆生气 体作用引起 爆力反映炸药爆轰在介质内部作功的性能,其 主要取决于炸药爆炸时的爆热和所生成气体量的多 少。 我国用铅铸扩和爆破漏斗体积法检测炸药 爆力。 ? 铅铸扩孔法 铅柱是用精铅熔铸成的圆柱体,其尺寸规格如图 4一6a所示。 (a) 爆炸前 (b) 爆炸后 爆炸前后铅铸示意图 试验过程: 1)试验时,称取10±0.01g炸药,装入直径为 24mm锡箔纸筒内, 2)然后插入雷管,一起放入铅柱孔的底部,上 部空隙用干净的并且经144孔/cm2筛筛过的石英砂 自由填满。 3)爆炸后,圆孔扩大成如图4-6b所示的梨形。 用量筒注水测出爆炸前后孔的体积差值,以此数值 来比较各种炸药的威力。 在规定的条件下测得扩孔值大的炸药,其爆力 就大。习惯上,将铅柱扩孔值称为爆力。 ?爆破漏斗法 试验时在均匀的介质中设置一个炮孔,将一定量的被 试炸药以相同的条件装入炮孔中,并进行填塞,引爆后 形成一个如图4-7所示的爆破漏斗。然后在地平面沿两个 互相垂直的方向测量漏斗的直径,取其平均值,并同时 测量漏斗的可见深度。爆破漏斗的容积可按下式计算。 1 V ? ? d 2h (4-22) 12 V 爆破漏斗体积; d 爆破漏斗底圆直径; h 爆破漏斗的可见深度。 图4-6 爆破漏斗试验 3 猛度 炸药爆轰时爆轰波和爆轰产物对邻近爆破对 象局部粉碎和破坏的能力,其大小主要取决于炸 药的爆速。 ?局部破坏作用(是能量的一小部分); ?发生在爆轰结束后的非常短的时间内; ?近距离范围内的作用。 ◆◆近距离才能足够高的压力,足够高的能量 密度。 我国用铅柱压缩法检测炸药猛度。但是,铵油炸药、 浆状炸药等许多工业炸药因规定的试验药量太小,无法进 行猛度试验。 雷管 药柱 圆钢片 钢板 铅柱 (a) 试验装置 (b) 试验结果 铅柱压缩试验 炸药猛度测试图 猛度测试实验 药量为50g,药筒内径为 40mm,密度为1g/cm3 爆炸前的铅柱 H=60mm;D=40mm 炸药猛度测试 爆力与猛度的联系与区别 炸药位置 爆力 内部 作用范围 整体 原因 静和 动作用 影响因素 爆热 爆容 测定 铅铸扩孔法 猛度 外部临界 局部 动作用 爆速 铅柱压缩法 4 聚能效应 ?聚能现象 不同形状药包的爆炸试验 1-药柱;2-靶板 聚能效应示意图 聚能装药:在装药端部预留空穴,覆以药型罩并取适当 炸高,显著提高对钢板的侵彻深度。这种提高装药局部 破坏作用的效应称为聚能效应。这种现象称聚能现象, 具有聚能效应的装药称为聚能装药。 聚能装药与普通装药的区别 : 无药型罩聚能装药 ① 结构不同 聚能装药 有药型罩聚能装药 ② 设置方式不同 ③ 效果不同。 聚能装药通常有一定的炸高。 ?聚能原理 1、无药型罩聚能装药(聚能气流形成过程) (1) 普通球形炸药爆炸过程 炸药 爆炸瞬间 爆炸后迅速膨胀 (2)柱形装药爆炸产物散射 有效部分 圆柱形药柱爆轰后,爆轰产物沿近似垂直原药柱 表面的方向,向四周飞散,作用于钢板部分的仅仅是 药柱端部的爆轰产物,作用的面积等于药柱端面积。 (3)无药型罩聚能装药(聚能气流形成过程) 焦距处:爆轰产物密度增大4-5倍,速度为1.2~1.5×103 m/s F 带锥孔的圆柱形药柱爆轰 后,锥孔部分的爆轰产物飞散 时,先向轴线集中,汇聚成一 股速度和压力都很高的气。

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