炸药概论及基本理论

1炸药技术概论一、炸药概论及基本理论1.1炸药和爆炸1.2炸药的发展历程1.3炸药热分解通性1.4炸药的爆炸变化2一、炸药概论及基本理论1.1炸药和爆炸1.2炸药的发展历程1.3炸药热分解通性1.4炸药的爆炸变化3一、爆炸和化学爆炸特征爆炸是物质迅速的物理变化或化学变化。广义的爆炸过程包括爆轰及爆燃。爆燃是燃速很高(可达1km/s)的燃烧1.1炸药和爆炸4爆炸一般分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸。炸药的爆炸则属于化学爆炸，此时化学反应能转变为机械能、热能、光能、声能。炸药的化学爆炸有三个特征：(1)反应的放热性(2)反应的高速性(3)生成大量气体产物1.1炸药和爆炸5二、炸药基本特征炸药是在外部激发能作用下，能发生爆炸并对周围介质作功的化合物(单质炸药)或混合物(混合炸药)。(一)炸药基本特征炸药具有四个特点：高体积能量密度，自行活化，亚稳态，自供氧。1.1炸药和爆炸61.1炸药和爆炸71.1炸药和爆炸(二)爆炸性基团8三、对炸药的基本要求(1)能量水平(2)安全性能(3)安定性和相容性(4)装药工艺(5)原材料及生产工艺(6)生态和环境保护1.1炸药和爆炸9四、炸药分类按化学组分可分为单质炸药(单组分炸药)和混合炸药按应用领域可分为军用炸药和工业炸药。按作用方式可将广义的炸药分为猛炸药、起爆药、火药及烟火剂但通常称谓的炸药有时仅指猛炸药(也称高级炸药、次发炸药或第二炸药)。1.1炸药和爆炸10(一)单质炸药单质炸药分子含有爆炸性基团，其中最重要的有C—N02，N—NO2及O—N02三种。(二)混合炸药混合炸药常由单质炸药和添加剂或由氧化剂、可燃剂和添加剂按适当比例混制而成。1．军用混合炸药2．民用混合炸药1.1炸药和爆炸11(三)起爆药在较弱外部激发能作用下，即可发生燃烧，并能迅速转变成爆轰的炸药称为起爆药。1．单质起爆药2．混合起爆药3．复盐起爆药4．配位化合物起爆药1.1炸药和爆炸12一、炸药概论及基本理论1.1炸药和爆炸1.2炸药的发展历程1.3炸药热分解通性1.4炸药的爆炸变化13从中国有正式可考的黑火药文字记载算起，炸药已有一千多年的历史，它的发展可分为四个时期：①黑火药时期；②近代炸药的兴起和发展时期；③炸药品种增加和综合性能不断提高时期；④炸药发展的新时期。1.2炸药的发展历程1420世纪90年代研制的炸药是与“高能量密度材料(HEDM)”这一概念相联系的。1987年美国的A．T·尼尔逊(Nielsen)合成出了六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW)，英、法等国也很快掌握了合成HNIW的方法。1994年，中国也合成出了HNIW，成为当今世界上能生产HNIW的少数几个国家之一。1.2炸药的发展历程15在这一时期合成出的高能量密度化合物还有八硝基立方烷(ONC)、1，3，3—三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)及二硝酰胺铵(ADN)。另外，美国于20世纪90年代开始研制以HNIW为基的高聚物黏结炸药，其中的RX—39—AA、AB及AC，相当于以奥克托今为基的LX—14系列高聚物黏结炸药，可使能量输出增加约15％。1.2炸药的发展历程16一、炸药概论及基本理论1.1炸药和爆炸1.2炸药的发展历程1.3炸药热分解通性1.4炸药的爆炸变化17一、炸药热分解的一般规律通常把炸药的热分解分为三个阶段。(1)热分解的延滞期(2)热分解的加速期(3)热分解降速期炸药的起始热分解速度只受温度的影响。每种炸药在固定温度下的起始热分解速度是定值，且可用阿累尼乌斯(Arrhenius)方程式。1.3炸药热分解通性18二、炸药热分解的初始反应初始反应是炸药热分解的开始阶段，是炸药分子发生键断裂的最早步骤。气态炸药的初始反应，可认为是分子中最薄弱的键首先断裂。例如对于硝酸酯来说，首先是发生O—N键的断裂。1.3炸药热分解通性191.3炸药热分解通性三硝基氮杂环丁烷(硝胺—硝基化合物)201.3炸药热分解通性对于凝聚态炸药，由于分子结构的复杂及分子间的相互作用，最薄弱的键不一定是计算键能最小的键。例如，对某些结构复杂的硝基苯的烷基衍生物：21不同相态炸药分子的热分解速度是不同的1.3炸药热分解通性22三、炸药热分解的二次反应有些热分解初始反应产物(如N02)相当活泼，可以继续和分解形成的其他产物或者炸药本身相互作用，这类后续反应统称为热分解的二次反应。二次反应很复杂，由多元反应组成，它们可以是氧化反应、水解反应、催化反应等。硝酸酯热分解的二次反应：三硝基氮杂环丁烷的二次反应：1.3炸药热分解通性23硝酸酯热分解的二次反应24三硝基氮杂环丁烷的二次反应25由于二次反应的复杂性，很难确定其动力学规律，通常只能笼统地用简化了的唯象动力学方程表示，且这类反应一般具有自催化性质。二次反应与一些环境条件有关，不完全由炸药本质所决定。1.3炸药热分解通性26四、炸药热分解的加速历程炸药的热分解过程，如单质炸药的热分解，其初始反应速度只随炸药本身性质(如化学结构、晶型、相态及颗粒等)和环境温度而改变。在一定温度下，加速历程决定炸药最大可能的热安定性。二次反应与外界条件有关，所以在一定范围和条件下，可以人为控制热分解的加速历程，以提高炸药的安全性。1.3炸药热分解通性27自动加速反应的历程一般是比较复杂的，基本类型如下：(1)热积累自动加速(2)自催化加速(3)自由基链加速(4)局部化学反应加速1.3炸药热分解通性28一、炸药概论及基本理论1.1炸药和爆炸1.2炸药的发展历程1.3炸药热分解通性1.4炸药的爆炸变化29炸药爆炸变化有燃烧和爆轰两种典型形式。炸药的燃烧是一种猛烈的物理化学变化，反应区沿炸药表面法线方向传播的速度称为燃速，一般在几毫米至数百米每秒，且随外界压力的升高而显著增加。炸药的爆轰是以爆轰波形式沿炸药高速自行传播的现象，速度一般在数百米到数千米每秒，且传播速度受外界条件的影响很小。1.4炸药的爆炸变化30一、引燃引燃是燃烧的起始阶段。凝聚炸药的引燃，系在外界热源作用下，表面温度升高，高温又逐步向系统内部传递，形成厚度为hh的加热层。引燃的基础参量（略）1.4炸药的爆炸变化31二、燃烧炸药被引燃后，火焰向深层传播，使炸药燃烧。以燃烧反应波的形式传播，反应区的能量通过热传导、辐射及燃烧气体产物的扩散传人下层炸药。影响炸药燃烧的主要因素是炸药的化学组成、导热性、装药直径、密度、几何形状、孔隙性及环境条件等。1.4炸药的爆炸变化32(一)稳定燃烧与不稳定燃烧在一定条件下，炸药的引燃可导致稳定燃烧，此时燃速是稳定的，通常只与环境压力和温度有关，不随燃烧过程而变化。简言之，即燃速不随过程变化的燃烧，称为稳定燃烧。炸药发生稳定燃烧时，在其表面层有一稳定的反应区，并沿表面法线形成以某种规律表示的温度分布曲线，该曲线以恒定速度沿炸药推移，燃烧乃层层传递，平行传播。1.4炸药的爆炸变化331.4炸药的爆炸变化34如被燃烧的炸药柱具有密度低、多孔隙等特征，则炸药燃烧产生的高温气体可向药柱孔隙内渗入，可点燃孔隙深处的炸药，燃速发生不规则的变化，时大时小，不再保持稳定的燃速，这就形成了不稳定燃烧。炸药不稳定燃烧时，燃烧表面被强烈扭曲，燃烧表面明显扩大，燃速大大增高。不稳定燃烧有两种发展可能，一是转变为热分解，一是转变为低速爆轰或正常爆轰。1.4炸药的爆炸变化35三、爆轰爆轰是炸药化学反应的最激烈形式，爆速可达几千米每秒，爆压可达几十吉帕，爆温可达几千摄氏度。爆轰时，炸药释放能量的速率也很快，因此可产生很高功率。高压、高温、高功率决定了炸药作功的强度。爆轰反应是极其复杂的化学反应，它的传播具有波动性质。可把爆轰的传播视为爆轰波的传播。1.4炸药的爆炸变化36爆轰波的传播与炸药装药的直径有关。装药爆速达到极大值时的最小直径称为极限直径，爆速的极大值称为极限爆速。当装药直径小于某一临界值时，不可能稳定爆轰。能够传播稳定爆轰的最小装药直径称为临界直径，对应于临界直径的爆速称为临界爆速。1.4炸药的爆炸变化37(一)爆轰变化方程是计算炸药爆炸的五个特征量(爆速、爆压、爆热、爆容和爆温)的基础和依据，是根据炸药爆轰产物写出的。爆轰产物的测定常在厚壁钢弹中进行。产物成分的分析可采用化学吸收法或气相色谱法，但所得的均为冷却后的爆轰产物组分。1.4炸药的爆炸变化38确定炸药的化学反应是一困难而又复杂的问题，而得到的炸药反应方程也只能是近似的。1．氧平衡氧平衡是指炸药中的氧用来完全氧化可燃元素以后，单位质量炸药所多余或不足的氧量。氧平衡说明炸药中含氧量的多少，与炸药的爆速、爆压、爆热、作功能力都有密切的关系，是炸药的一个重要参数。1.4炸药的爆炸变化39对于通式CaHbOcNd的单质炸药：1.4炸药的爆炸变化402．爆轰变化方程的简化理论确定法对CaHbOcNd类炸药，根据其含氧量的不同可分为三种类型进行简化处理。(1)第一类炸药c≥(2a+b／2)(2)第二类炸药(2a+b／2)c≥(a十b／2)(3)第三类炸药c(a十b／2)1.4炸药的爆炸变化413．爆轰变化方程的经验确定法(1)第一类炸药(2)第二类炸药(3)第三类炸药1.4炸药的爆炸变化42(二)爆轰的C-J理论爆轰过程的基本理论是爆轰流体力学理论。19世纪末、20世纪初提出的气体爆轰流体力学理论，其基本点是将爆轰波简化为含化学反应的一维定常传播的强间断面，通常称为Chap-man-Jouguet理论，简称C—J理论。1.4炸药的爆炸变化431．理论的基本假定C—J理论考察平面一维理想爆轰波的稳定传播过程，故假设：①爆轰波阵面是一维平面波；②爆轰波传播过程中无能量耗散；③化学反应是瞬时完成的，且化学反应区中释放的能量全部用来支持爆轰波的自行传播。1.4炸药的爆炸变化441.4炸药的爆炸变化45按图1—12将坐标取在爆轰波面上，则爆轰波以爆速(D)沿爆炸物向前运动，而反应区相对于该坐标系的速度便等于零。由质量、动量及能量守恒可分别得：1.4炸药的爆炸变化46还有一个爆轰产物的状态方程式：爆轰波定型传播的条件，即所谓C—J条件，可提供第五个状态方程。可求解的五个爆轰波参数(p1、、u1、T1及D1)。1.4炸药的爆炸变化47(三)凝聚炸药的爆轰理论1．凝聚炸药的爆轰反应机理凝聚炸药的爆轰机理与炸药化学组成、物理状态及爆轰条件等有关。人们曾提出了如下几种爆轰反应机理。(1)整体反应机理在强冲击波的作用下，波阵面上的炸药受到强烈的绝热压缩，炸药层各处均匀地升温，因而化学反应在整个反应区内进行，故称整体反应机理。1.4炸药的爆炸变化48(2)表面反应机理在冲击波的作用下，波阵面上的炸药受到强烈压缩，而炸药层中的温升不均匀，化学反应首先系从“起爆中心”开始，进而发展到整个炸药层。由于起爆中心容易在颗粒表面及炸药中所含气泡周围形成，故此机理称为表面反应机理。(3)混合反应机理此机理是非理想的混合炸药，特别是固体混合炸药所特有的。这种反应不在整体炸药内进行，而是在一些分界面上分阶段进行的。1.4炸药的爆炸变化492．爆轰产物的状态方程建立能正确描述凝聚炸药爆轰产物热力学行为的状态方程是计算爆轰参数所必需的。对凝聚态炸药，爆轰产物的高压、高温和高密度已不适于采用理想气体状态方程。建立爆轰产物状态方程，有三种代表性的模型。1.4炸药的爆炸变化50(1)固体模型将爆轰产物近似看成是固态。(2)气体模型将爆轰产物视为真实气体。(3)液体模型将爆轰产物视为液体，是介于气体和固体之间的一种模型。1.4炸药的爆炸变化51(四)燃烧转爆轰燃烧和爆轰是两个本质不同的过程，但两者又互有联系，在一定条件下，前者会转变为后者。凝聚炸药的燃烧转爆轰，是由于燃烧产物聚集，使反应区压力不断增加，燃速也相应增加，当燃速达某一临界值后，原来稳定均匀的燃烧可突跃地转变为爆轰。凝聚炸药燃烧