点火与起爆理论

点火与起爆理论含能材料的定义含能材料由不同化学组成的燃料和氧化剂组成，燃料和氧化剂可以是元素，也可能是分子，它们被引燃或起爆后进行快速的自传播化学反应，形成更为稳定的物质（产物），同时释放出大量的力（通过产生高速产物）或能量（以热和光的形式）。含能材料自身含有氧化剂，不需要外界的氧或氧化剂也可燃烧和爆轰。含能材料中的燃料主要是C、H、和金属元素。含能材料的类型根据反应速率和形成产物的差别以及不同的用途，含能材料分为：•炸药－起爆药（primary)、猛炸药（secondary)•火药－单基药、双基药、三基药、液体火药•烟火药－发烟剂、发光剂、气体发生剂、延期药剂等含能材料的反应类型根据反应速率的大小和能量传播机理的不同，含能材料的反应类型包括：•热分解－速度极低，不易察觉•燃烧－几cm/s～几m/s，能量传播以热传导为主•爆燃－几m/s～音速，亚音速传播，热传导、辐射传播•爆轰－音速～10000m/s，超音速传播，以爆轰波的形式传播基本概念•波－扰动的传播，伴随状态参数（T、P、V、E)的改变•压缩波－使状态参数上升的波•稀疏波（膨胀波）－使状态参数降低的波•冲击波－状态参数突跃上升的压缩波•波阵面或前沿（front)－状态参数变化的分界面•爆轰波－化学反应支持的强冲击波，化学反应释放的能量维持冲击波的稳定传播•爆速－爆轰波阵面传播的速度•CJ状态－达到稳定爆轰的热力学状态，化学反应释放的能量恰好等于维持冲击波传播需要的能量，热力学参数P、T、ρ维持不变•点火－在外界刺激作用下，刺激能量转变为燃烧的过程•起爆－在外界刺激的作用下，刺激能量转变为爆轰的过程•冲击波起爆－凝聚炸药的冲击起爆是指在一定强度的冲击波载荷作用下的反应过程，冲击波产生的方式很多，如炸药爆炸产生的冲击波，摩擦、机械振动、高速碰撞、粒子冲击等均可产生冲击波•感度－在外界刺激作用下，含能材料将刺激能转变为燃烧或爆轰的难易程度含能材料的点火与起爆理论就是研究其在点火与起爆过程中的物理、化学和力学作用过程与机制，研究过程中各个阶段诸因素的相互作用，分析验证其规律和图象，特别是解决临界起爆条件和判据的预测问题，为工程设计和实际应用奠定基础。点火起爆理论的研究内涵含能材料反应的特点含能材料的转化不是一步反应，甚至不是几个简单连续的化学反应的结果，而是一个极其复杂的过程，过程中大量的化学和物理事件以协调的和复合的模式发生，这种反应机理受到多种因素的的强烈影响。一种含能材料的性能受其环境温度和压力以及力学性质的显著影响。其特性随时间也会改变，含能材料的转化速率受到其引发条件的显著影响，它们通过点火发生燃烧，反应波以亚音速进行传递，它们也可由冲击波起爆而发生爆轰，爆轰是以超音速传过物质的反应波。对于不同的反应模式，产物的浓度和种类不同，另外，这些过程常常发生在温度和压力的极端条件下，难以进行实验测定。同时含能材料的反应错综复杂，解决每个反应的详细问题就很困难。点火起爆的研究方法经历了从宏观到微观，从经验到理论，实验与理论结合的研究和发展过程。－从表观现象→体系、晶体、分子、原子、电子水平－传统热力学、动力学→分子动力学→量子力学－经验公式→热力学、流体力学计算→量子力学和化学计算－实验测定从宏观参数→微观参数问题：起爆过程的极快速性和机理的复杂性，综合考虑力学、化学和量子力学等复杂过程，机理认识不完整，实验测定困难，精确计算和预测达不到。含能材料的点火起爆特性含能材料的点火或起爆意味着起始反应的开始，起爆药是由不稳定的分子晶体构成的，例如雷酸银、氮化铅、雷酸汞或斯蒂芬酸铅。弱刺激例如碰撞就能够引起晶体之间的摩擦，引发这些不稳定分子分解为小的碎片和能量。对于起爆药，起爆就是点火。猛炸药如PETN、RDX、HMX、NM、TATB等含有稳定的分子。人们可能想象NM或RDX分子能够猛烈爆炸，但事实上一个孤立的NM或RDX分子不会发生什么异常的状况，这些分子是相当稳定的，具有很大的反应势垒，起爆是吸热的，需要大量的能量输入使这些稳定的物质分解为小的反应碎片。经过一系列的步骤这些碎片结合为稳定的小分子如NO2、CO、H2O、HCN、HONO，同时能量释放出，这些能量远高于起爆药放出的能量。猛炸药有多种类型，均质炸药是研究的基础，但实际应用并不普遍，典型的例子是NM液体炸药和PETN单晶。非均质炸药应用广泛，其实际配方是炸药晶体中加入粘结剂（塑料粘结炸药或PBX）或其它组分，如PBX9501，C4等。冲击波的作用过程描述当一个重的平板以Up的速度跌落到密度为ρ0的材料上，当Up小时，引发声波，并以声速C0传过试样，声波波前波后密度ρ0相同，声波前沿由于声的扩散迅速向外传播。当Up大时，产生冲击波，平板和样品的界面开始移动（在流体力学中样品开始流动），假定流动速度等于平板速度Up，当平板密度很高时这种假定是成立的。当样品材料的速度等于Up时，冲击波速度Us＝Up＋c0，冲击波前沿后的密度ρ1大于ρ0，例如当Up＝0.1c0时，Us≈1.1c0，ρ1≈1.1ρ0，总之，平板以1/10的样品声速运动形成10%的压缩，考虑质量、动量、能量守恒得到雨贡纽－瑞利方程。冲击波形成过程冲击波基本方程其中P0是初始压力（＝0），P1是冲击波压力，V0=1/ρ0，V1＝1/ρ1冲击波压缩是不可逆的绝热压缩，过程使冲击波前沿通过后的物质加热，实际冲击波压缩温度上升高于等熵压缩，通常用格罗乃森状态方程，温度T1给出如下：其中△V＝1-V1/V0，Г是格罗乃森系数，格罗乃森系数决定冲击波有多少能量用于压缩，多少能量用于产生热，温度上升△Trev对于易压缩材料和格罗乃森系数较大的材料具有较高的值。对一个单步冲击压缩，内能沿线性路径从初始状态到最终状态，这个线性路径叫瑞利线，受冲击的材料（未反应）的最终状态是瑞利线与雨贡纽线的交点，雨贡纽曲线用于代表冲击波速度、压力和密度之间的关系。对于不同的热力学途径如绝热和等熵雨贡纽线是不同的，受冲击的试样并不遵循雨贡纽曲线，雨贡纽线是代表单步冲击压缩可达到的最终状态所有点的轨迹。单步冲击压缩的温度为：其中Cv为恒容热容，。结晶材料的冲击波加热决定于冲击波传播的方向，从晶体的不同方向压缩，引起的温度上升是不同的，格罗乃森系数越大，引起的温度上升越低，不易压缩的方向产生的温度上升低，柔性材料比刚性材料温度上升高。•冲击波压缩过程开始是单轴和弹性的，如果冲击波强度低于材料强度，材料单轴压缩，液体则会产生分子和原子的扩散运动，如果冲击波强度超过固体晶格的强度，就会发生塑性变形，原子脱离其晶格位置，克服阻碍，到达一个新的位置，冲击波如果足够强，固体的微观结构被破坏，产生流体静力学压缩。产生流体静力学压缩所需要的冲击波强度称为雨贡纽弹性极限，这时可将固体的处理采用简单的流体力学的方法。通常固体还保持某些强度，从单轴压缩过渡到流体静力学压缩不完全。•冲击波前沿在均质含能材料中上升时间非常短，冲击波传播过大分子多晶，冲击波前沿上升时间25ns。爆轰波的过程描述爆轰是指冲击波在含能材料中以稳定的速度传播，由冲击波前沿引发的化学反应驱动。由于在含能材料边缘和表面能量的衰减（由稀疏波引起），只有样品的尺寸大于临界失效直径，爆轰状态才能产生。大部分含能材料的临界直径在毫米到厘米范围。爆轰最显著的特征是每种含能材料的爆轰速度在一定条件下均是恒定的，爆轰是一个复杂的现象，但可以用几个参数描述其动力学稳定状态，在爆轰过程中，含能材料从未反应状态（冷分子晶体）到反应状态（热的小分子气体），CJ平面位于冲击波前沿后反应刚刚结束的位置，冲击波前沿和CJ面之间的区域是化学反应区，对于PBX9501爆轰，反应区宽度为0.1-1.0mm，对应的反应时间为10-100ns，CJ理论认为在CJ面，爆轰速度等于冲击波速度，即粒子速度加未反应材料的声速，满足这个条件的速度就是稳定爆轰速度。爆轰达到稳定后，未反应材料中的冲击波前沿遵循瑞利线，该线与已反应的雨贡纽线相切，冲击波前沿后，反应产物膨胀并作功，压力下降。冲击波前沿的末端，压力是最高的，这个压力最高的区域称为VonNeumann峰，CJ面的压力是平衡的爆轰压力。CJ和ZND恰当地描述了爆轰状态。但问题是这些模型缺乏化学和分子动力学，在较高的压力下难以获得雨贡纽线，由于爆轰过程中难以实验测定，也无法模拟。对此已有一些理论方法来解决，ZND模型被证明准确描述了1D的稳定爆轰波，1980年Tarver构建了非平衡的ZND模型，描述了冲击波前沿和CJ面之间反应分子和振动激发的详细状态。爆轰过程描述含能材料的低速起爆含能材料可以由微小的刺激引发猛烈的反应，例如一定高度的落锤撞击、摩擦、静电等，这种低速起爆过程不可预测，而且很难了解其详细过程，低速起爆常采用落锤仪测定特定含能材料50%引爆的最小高度（H50），落锤试验的峰值应力为1Gpa以内，持续时间为250微秒以内，落锤撞击提供的能量只达到了使整个试样达到引发温度的百分之几十，显然低速起爆是使落锤能量集中到了样品的局部，使这些局部区域的温度高于整体的温度，形成所谓的热点，热点是1952年由Bowden和yoffe提出的，热点被认为是通过各种机理冲击波前沿能量在小的体积内局部化形成的。由于热损失和化学点火的竞争，小的热点还没有点火就消失了，而大的热点可能成长并使整个炸药点燃，热爆炸理论用于确定临界热点的大小和温度。尽管热点的存在已经被假设了几十年了，但直接观察还只是到最近，采用红外发射技术研究热点的宏观特性，观察到典型的热点范围为0.1-10mm。采用原子力显微镜观察了晶体撞击后的情况，撞击前分子排列很好，撞击后看到了永久的破坏，分子的位置和方向发生了改变。撞击前撞击后撞击起爆的化学微机理为：直链硝胺化合物受撞击时，分子中内部的N-NO2键先分裂，而环状硝胺却是最外部的N-NO2键先断裂，分子的构象和大小对撞击感度起重要作用，晶体的塑性变形在含能材料的撞击和冲击波起爆中起决定性的作用。撞击感度与含能材料的熔解热有很好的关联性。在空间上拥挤的硝基反应活性最高。对含能材料中缺陷的实验和理论研究支持热点形成理论，根据该理论，点火开始于能量高度集中的局部区域（与缺陷有关），这些热点的性质还是一个尚未解决的问题，Dlott和Fayer认为在热点处，声子和低频分子振动之间的非谐耦合非常强烈，这样导致缺陷处的分子瞬间达到高的振动温度，这些温度有利于化学反应的发生，一般整体不会发生这种反应，然而对于晶体中缺陷的尺寸、形态、密度如何影响反应能量释放的总体速率，还没有一个公认的微观模型。冲击波起爆大多数爆炸装置采用敏感的起爆药将冲击波传递给猛炸药引发其稳定爆轰，起爆药的爆轰由热、电、光或机械能引发，通常起爆药提供的初始冲击波压力远低于炸药的稳定爆轰压力，称为低压起爆，起爆所需的最低冲击波极限压力用间隙试验获得，标准装药产生的冲击波通过不同厚度的有机玻璃板施加到90%理论密度的装药上，临界压力P90是试样50%爆轰的压力，P90随冲击波持续时间的减小而升高，通常起爆判据是P2t=常数，P90在0.5-5GPa的范围，均质炸药与非均质炸药的起爆有很大区别。均质炸药的冲击波起爆均质炸药是指气体、液体或单晶炸药，理想的均质炸药中没有缺陷，密度连续。当冲击波进入到均质炸药时，最先受冲击作用的炸药被整体加热，温度上升引发化学反应，在极短的时间完成反应，冲击波输入和点火之间的时间称为感应时间，通常为几微秒，点火导致爆燃，是一种快速向四周传播的化学反应，爆燃转变为压缩材料中的超速爆轰，超速爆轰是一种在被压缩材料中的爆轰，冲击波前沿后的超速爆轰追赶初始冲击波前沿，超速爆轰赶上初始入射冲击波后，然后累加并沿瑞利线衰减形成在未受冲击的炸药内的稳定爆轰。超速爆轰起爆是初始冲击波前沿的压力高于稳定爆轰，超速起爆可以保证最小的起爆延迟时间。非均质炸药冲击波起爆非均质炸药是指炸药内部密度不连续或具有质和相的差异的炸药。对非均相炸药，即使在冲击波能量产生的转换热使炸药整体提高的温度根本不可能引发炸药化学反应的条件下，爆轰仍能发生。对此，Bowden、Mader和Ca