第3章-炸药的起爆机理

1第3章炸药的起爆机理2主要内容3.1基本概念3.2热起爆机理3.3机械作用起爆机理3.4冲击波起爆机理33.1基本概念43.1基本概念1、感度(Sensitivity)炸药虽然是一种能够发生爆炸变化的物质，但在通常条件下是处于相对稳定状态的。欲使炸药发生爆炸变化，必须给予一定的外界作用，使其失去稳定。这种由稳定状态到失去稳定状态的转变过程，就是炸药的起爆过程。炸药在外界作用下发生爆炸的难易程度称为炸药的敏感度或炸药的感度(Sensitivity)。53.1基本概念2、起爆冲能把使炸药起爆所需的外界作用的临界能量，称为初始冲能或起爆冲能。起爆炸药的能量越小，则表明炸药越敏感，即感度越大。起爆炸药的能量越大，则表明炸药越钝感，即感度越小。63.1基本概念3、感度的分类根据外界作用能量形式的不同，感度可分为：加热感度、火焰感度、撞击感度、摩擦感度、针刺感度、冲击波感度、光感度、静电感度等。各种炸药对不同形式的初始冲能具有一定的选择性。例如太安（PETN）、特屈儿（Tetryl）对冲击波的作用很敏感，所以一般常用来作传爆药柱；而斯蒂夫酸铅对火焰作用很敏感，所以常用在火焰雷管中作第一装药。73.1基本概念同一种装药激起起爆所需要的某种形式的能量不是一个严格固定的值。它随加载方式、加载速度的不同而不同。例如，突然加压的起爆能量比缓慢加压的起爆能量要小。同一种炸药对不同初始冲能的感度之间没有一定的当量关系。例如，叠氮化铅对机械能比对热能要敏感，而斯蒂夫酸铅则相反。83.1基本概念炸药在外界作用下可激发爆炸，那么外界作用是怎样激发炸药的？其化学物理过程的本质是怎样的？研究炸药的起爆机理及感度，对于炸药的安全存储、运输、加工处理，以及炸药的使用，都具有很重要的意义。93.2热起爆机理103.2热起爆机理炸药在热作用下发生爆炸的理论探索是从爆炸气体混合物热爆炸问题的研究开始的。谢苗诺夫建立了混合气体的热自动点火的热爆炸理论。它的基本观点是：在一定条件（温度、压力及其它条件）下，若反应放出的热量大于热传导所散失的热量，混合气体就会发生热积累，从而使反应自动加速，最后导致爆炸。弗兰克-卡曼涅斯基发展了定常热爆炸理论，考虑了温度在反应混合气体中的空间分布问题。113.2热起爆机理莱第尔、罗伯逊将热爆炸理论应用于凝聚炸药的起爆研究中，提出了热点学说，揭示了撞击、摩擦、发射惯性力等机械作用下炸药激发爆炸的机理和物理本质。热爆炸理论可分为定常热爆炸理论和非定常热爆炸理论。定常热爆炸理论研究的重点是发生热爆炸的条件，而非定常热爆炸理论则是重点研究具备热爆炸条件后，过程发展的速度。123.2热起爆机理定常热爆炸理论又可分为两种情况：均匀温度分布和不均匀温度分布。均温分布：容器中炸药各处温度均相等。不均温分布：炸药各处温度有一分布，中部温度最高，沿半径方向向外逐渐降低，壁面处温度最低。133.2.1均温分布的定常热爆炸理论143.2.1均温分布的定常热爆炸理论基本假设：（1）炸药各处温度相同。（2）环境温度T0＝常数。（3）炸药达到爆炸时的炸药温度T大于T0，但两者差值（T-T0）不大。谢苗诺夫提出了一个热爆炸的基本模型，用这个模型可以简单而明确地说明炸药热爆炸现象与自身化学反应和外界热作用之间的相互关系。如图3－1所示。153.2.1均温分布的定常热爆炸理论图3－1Q1TiQ2T0空气炸药加热室163.2.1均温分布的定常热爆炸理论首先，炸药在温度T时，单位时间里由于发生化学反应而放出的热量为Q1，此热量与单位质量的炸药产生的热量q（J/kg）和化学反应速率W(kg/s)有关，即……(1)并认为初始分解过程属于单分子分解反应，化学反应速度可以用Arrhenius(阿累尼乌斯)公式来表示，即：……(2)式中m——炸药质量；——炸药活化能；R——气体常数。WqQ1RTEAqmQaexp1aE173.2.1均温分布的定常热爆炸理论由（2）式可知，炸药进行放热化学反应而产生的热量与温度的关系符合指数曲线，该曲线称为得热线，如图3-2所示。183.2.1均温分布的定常热爆炸理论在单位时间里系统因热传导而散失的热量为：……(3)式中——导热系数；S——传热面积；——环境温度。而（3）式为一条直线，称为失热线，如图3-3所示。02TTSQ0T193.2.1均温分布的定常热爆炸理论图3－3失热曲线203.2.1均温分布的定常热爆炸理论图3－4炸药得热和失热的三种情况213.2.1均温分布的定常热爆炸理论当炸药的初温等于周围环境的温度，即时，炸药因化学反应而产生的热量大于散失的热量，Q1Q2，温度自动升高，得热和失热都增加，但从图中可见在此温度范围内失热增加比得热情况增加要快。当温度升高到A点的位置时，Q1＝Q2，温度也会自动调节降低趋于A点。010TTTi223.2.1均温分布的定常热爆炸理论如果炸药周围环境的温度T0＝T03，从图7－4可知，得热曲线在失热曲线的上方。在此种情况下，炸药处于任何温度时都因Q1Q2，温度不断升高，最后导致热爆炸。当周围环境的温度T0＝T02时，这时失热曲线与得热曲线相切于B点，对应的温度为Tc。开始得热大于失热，温度升高，Q1和Q2都增加。当到达切点Tc时，Q1＝Q2，建立起热平衡。如果某些偶然因素导致炸药的温度升高，由于Q1Q2，反应速度就会急剧增加，直至爆炸。233.2.1均温分布的定常热爆炸理论表示热爆炸前的升温情况。从数学上看，切点必须满足两个条件，即不但Q1和Q2在该点的数值相等，且两条曲线的斜率也相等，即Q1＝Q2……(4)……(5)02TTTccdTdQdTdQ21243.2.1均温分布的定常热爆炸理论把（2）和（3）式代入（4）和（5）式，可得：…(6)……(7)（6）和（7）式联立消去，得到……(8)它的解为：……(9)0expTTSRTEAqmcaSRTRTEAEqmccaa2expS002TTTERccaaacERERTT2411210253.2.1均温分布的定常热爆炸理论对于大多数炸药，取负号的解，因为正号的解不符合实际情况。由于的值很小，取上式在附近的级数展开：(10)aERT0aERT0aaaacERERTERTERTT2422302003403230220052aaaETRETRERTT263.2.1均温分布的定常热爆炸理论由于的值很小，可忽略上式中第三项后的各项，得：……(5)因此，炸药热爆炸前的升温为：……(6)如果，则系统不可能发生热爆炸；如果，则系统必然发生热爆炸。aERT0acERTTT200acERTT20aERTT20aERTT20273.2.1均温分布的定常热爆炸理论例如：RDX（黑索今）在T0＝277℃（550K）时发生爆炸，根据RDX分子的活化能Ea＝209275J/g，则RDX达到爆炸时的临界温度为：KERTTTac562209275550314.85502200由此可知，环境温度T0＝277℃时，若炸药发生爆炸，则此时炸药温度为289℃。283.2.1均温分布的定常热爆炸理论炸药能否发生热爆炸，不仅与配方性质有关，而且与周围环境有关，同样也与传热系数有关。因此，炸药在运输和储存过程中要有良好通风散热条件，避免热爆炸灾害性事故。293.2.1均温分布的定常热爆炸理论环境温度T02是量变到质变的数量界限，环境温度低于T02时，得热线与失热线相交，炸药处于交点温度，进行稳定的、缓慢的反应，不会导致爆炸。而当环境温度大于T02时，曲线将在直线之上，得热大于失热，反应将自行加快，最后导致爆炸。T02是炸药能够导致爆炸的最低的环境温度。称T02为炸药的爆发点。303.2.1均温分布的定常热爆炸理论炸药爆发点并不是爆发瞬间炸药的温度。爆发点是炸药分解自行加速开始时环境的温度。从开始自行加速到爆炸有一定的时间，称为爆发延滞期。爆发点不是炸药的物理常数，不仅与炸药性质有关，而且与介质的传热条件有关。313.2.2炸药的热感度323.2.2炸药的热感度通常情况下，炸药的加热感度用爆发点来表示；火焰感度用发火上下限法表示。1、爆发点测定凝聚炸药的爆发点有两种方法：（1）一定量的炸药，从某一温度开始，以等速加热，记录从开始受热到发火或爆炸的时间和介质的温度，此温度即为爆发点。（2）一定量的炸药，在一定实验条件下，测定延滞期与温度的关系，实验结果用图表示。这种方法比较精确。333.2.2炸药的热感度实验装置如图3-5所示。343.2.2炸药的热感度测定时，首先进行预备试验：将合金浴加热到100～1500C左右，放入一支盛有炸药试样的雷管壳，并继续升高温度直至爆炸，记录爆炸时的温度，以定出正式试验时的温度范围。353.2.2炸药的热感度测定时，将合金浴加热并恒定于预定温度，再把装有一定量炸药（火药、猛炸药通常取20mg~30mg，起爆药取10mg）的雷管壳迅速放入合金浴，同时打开秒表，记录爆炸或发火延滞时间。连续求出不同的恒定温度T1、T2、T3、…、Tn所对应的延滞期τ1、τ2、τ3…τn。363.2.2炸药的热感度根据试验作出T与τ，lnτ与1/T的关系图，由τ-T图可求得5s延滞期爆发点。试验得到的凝聚炸药爆发点与延滞期的关系为：lnτ=A+E/RT式中τ为延滞期(s)；E为与爆炸反应相应的炸药活化能(J/mol)；R为通用气体常数；A为与炸药有关的常数；T为爆发点(K)。测得的爆发点越低，说明炸药的感度越大，反之则感度越小。373.2.2炸药的热感度爆发点/K爆发点/K炸药名称5s延滞期5min延滞期炸药名称5s延滞期5min延滞期黑火药－583~588奥克托今608－无烟药473453~473梯恩梯748568～573硝化甘油495473~478特屈儿520463～467太安498478~488阿马托80/20－573爆胶－475～481雷汞483443～453硝化棉（13.3%N)503－三硝基间苯二酚铅－543～553硝基胍548－梯/黑50/50493－黑索今533488～493叠氮化铅618598～613383.2.2炸药的热感度2、火焰感度的表示方法和实验火焰感度的表示方法和实验方法很多，但都比较粗糙。最简单的方法就是用密闭火焰感度仪进行测定。在一定条件下，黑火药燃烧时喷出的火焰或火星作用在炸药的表面上，观察是否发火，以发火的上下限来表示火焰感度。393.2.2炸药的热感度上限是指炸药100％发火的最大距离（黑火药药柱下端面到炸药表面的距离），下限是指100％不发火的最小距离。上限大则炸药的火焰感度大，下限大则炸药的火焰感度小。实验如图3-6所示。403.2.2炸药的热感度图3-6密闭火焰感度仪简图1-刻度尺；2-固定黑火药柱；3-火冒台413.2.2炸药的热感度对于起爆药，若比较其准确发火的难易程度，应比较上限。从安全角度考虑应绝对避免和火焰接触。因此目前已不测定其下限。炸药名称100%发火的最大距离/cm炸药名称100%发火的最大距离/cm雷汞20特屈拉辛15叠氮化铅8二硝基重氮酚17斯蒂酚酸铅54黑火药2423.3机械作用起爆机理433.3机械作用起爆机理最早是贝尔特罗提出的“热假说”：机械能转变为热能，使整个受试验的炸药温度升高到爆发点，使炸药发生爆炸。该观点受到质疑。因为即使起爆冲击能全部转化为热能被它吸收，象雷汞这样的炸药的温度也只能提高200C左右，根本不能使雷汞爆炸。后来又出现“摩擦化学假设”，没有实验依据。热点学说——较为公认。443.3.1炸药起爆的热点学说453.3.1炸药起爆的热点学说1、热点学说的基本观点热点学说认为，在机械作用下，产生的热来不及均匀地分布到全部试样上，而是集中在试样个别的小点上，例如集中在个别结晶的两面角，特别是多面棱角或小