炸藥概論及基本理論

炸藥技術概論一、炸藥概論及基本理論1.1炸藥和爆炸1.2炸藥的發(fā)展歷程1.3炸藥熱分解通性1.4炸藥的爆炸變化5/9/20241炸藥概論及基本理論一、炸藥概論及基本理論1.1炸藥和爆炸1.2炸藥的發(fā)展歷程1.3炸藥熱分解通性1.4炸藥的爆炸變化5/9/20242炸藥概論及基本理論一、爆炸和化學爆炸特征爆炸是物質迅速的物理變化或化學變化。廣義的爆炸過程包括爆轟及爆燃。爆燃是燃速很高(可達1km/s)的燃燒1.1炸藥和爆炸5/9/20243炸藥概論及基本理論爆炸一般分為物理爆炸、化學爆炸和核爆炸。炸藥的爆炸則屬于化學爆炸，此時化學反應能轉變?yōu)闄C械能、熱能、光能、聲能。炸藥的化學爆炸有三個特征：

(1)反應的放熱性(2)反應的高速性

(3)生成大量氣體產物1.1炸藥和爆炸5/9/20244炸藥概論及基本理論二、炸藥基本特征炸藥是在外部激發(fā)能作用下，能發(fā)生爆炸并對周圍介質作功的化合物(單質炸藥)或混合物(混合炸藥)。(一)炸藥基本特征炸藥具有四個特點：高體積能量密度，自行活化，亞穩(wěn)態(tài)，自供氧。1.1炸藥和爆炸5/9/20245炸藥概論及基本理論1.1炸藥和爆炸5/9/20246炸藥概論及基本理論1.1炸藥和爆炸(二)爆炸性基團5/9/20247炸藥概論及基本理論

三、對炸藥的基本要求

(1)能量水平

(2)安全性能

(3)安定性和相容性

(4)裝藥工藝

(5)原材料及生產工藝

(6)生態(tài)和環(huán)境保護

1.1炸藥和爆炸5/9/20248炸藥概論及基本理論四、炸藥分類按化學組分可分為單質炸藥(單組分炸藥)和混合炸藥按應用領域可分為軍用炸藥和工業(yè)炸藥。按作用方式可將廣義的炸藥分為猛炸藥、起爆藥、火藥及煙火劑但通常稱謂的炸藥有時僅指猛炸藥(也稱高級炸藥、次發(fā)炸藥或第二炸藥)。1.1炸藥和爆炸5/9/20249炸藥概論及基本理論(一)單質炸藥單質炸藥分子含有爆炸性基團，其中最重要的有C—N02，N—NO2及O—N02三種。(二)混合炸藥混合炸藥常由單質炸藥和添加劑或由氧化劑、可燃劑和添加劑按適當比例混制而成。

1．軍用混合炸藥2．民用混合炸藥1.1炸藥和爆炸5/9/202410炸藥概論及基本理論

(三)起爆藥在較弱外部激發(fā)能作用下，即可發(fā)生燃燒，并能迅速轉變成爆轟的炸藥稱為起爆藥。1．單質起爆藥2．混合起爆藥3．復鹽起爆藥4．配位化合物起爆藥1.1炸藥和爆炸5/9/202411炸藥概論及基本理論一、炸藥概論及基本理論1.1炸藥和爆炸1.2炸藥的發(fā)展歷程1.3炸藥熱分解通性1.4炸藥的爆炸變化5/9/202412炸藥概論及基本理論從中國有正式可考的黑火藥文字記載算起，炸藥已有一千多年的歷史，它的發(fā)展可分為四個時期：①黑火藥時期；②近代炸藥的興起和發(fā)展時期；③炸藥品種增加和綜合性能不斷提高時期；④炸藥發(fā)展的新時期。

1.2炸藥的發(fā)展歷程5/9/202413炸藥概論及基本理論20世紀90年代研制的炸藥是與“高能量密度材料(HEDM)”這一概念相聯系的。1987年美國的A．T·尼爾遜(Nielsen)合成出了六硝基六氮雜異伍茲烷(HNIW)，英、法等國也很快掌握了合成HNIW的方法。1994年，中國也合成出了HNIW，成為當今世界上能生產HNIW的少數幾個國家之一。1.2炸藥的發(fā)展歷程5/9/202414炸藥概論及基本理論在這一時期合成出的高能量密度化合物還有八硝基立方烷(ONC)、1，3，3—三硝基氮雜環(huán)丁烷(TNAZ)及二硝酰胺銨(ADN)。另外，美國于20世紀90年代開始研制以HNIW為基的高聚物黏結炸藥，其中的RX—39—AA、AB及AC，相當于以奧克托今為基的LX—14系列高聚物黏結炸藥，可使能量輸出增加約15％。1.2炸藥的發(fā)展歷程5/9/202415炸藥概論及基本理論一、炸藥概論及基本理論1.1炸藥和爆炸1.2炸藥的發(fā)展歷程1.3炸藥熱分解通性1.4炸藥的爆炸變化5/9/202416炸藥概論及基本理論

一、炸藥熱分解的一般規(guī)律通常把炸藥的熱分解分為三個階段。

(1)熱分解的延滯期(2)熱分解的加速期

(3)熱分解降速期炸藥的起始熱分解速度只受溫度的影響。每種炸藥在固定溫度下的起始熱分解速度是定值，且可用阿累尼烏斯(Arrhenius)方程式。1.3炸藥熱分解通性5/9/202417炸藥概論及基本理論

二、炸藥熱分解的初始反應初始反應是炸藥熱分解的開始階段，是炸藥分子發(fā)生鍵斷裂的最早步驟。氣態(tài)炸藥的初始反應，可認為是分子中最薄弱的鍵首先斷裂。例如對于硝酸酯來說，首先是發(fā)生O—N鍵的斷裂。1.3炸藥熱分解通性5/9/202418炸藥概論及基本理論1.3炸藥熱分解通性三硝基氮雜環(huán)丁烷(硝胺—硝基化合物)5/9/202419炸藥概論及基本理論1.3炸藥熱分解通性對于凝聚態(tài)炸藥，由于分子結構的復雜及分子間的相互作用，最薄弱的鍵不一定是計算鍵能最小的鍵。例如，對某些結構復雜的硝基苯的烷基衍生物：5/9/202420炸藥概論及基本理論不同相態(tài)炸藥分子的熱分解速度是不同的1.3炸藥熱分解通性5/9/202421炸藥概論及基本理論三、炸藥熱分解的二次反應有些熱分解初始反應產物(如N02)相當活潑，可以繼續(xù)和分解形成的其他產物或者炸藥本身相互作用，這類后續(xù)反應統稱為熱分解的二次反應。二次反應很復雜，由多元反應組成，它們可以是氧化反應、水解反應、催化反應等。硝酸酯熱分解的二次反應：三硝基氮雜環(huán)丁烷的二次反應：1.3炸藥熱分解通性5/9/202422炸藥概論及基本理論硝酸酯熱分解的二次反應5/9/202423炸藥概論及基本理論三硝基氮雜環(huán)丁烷的二次反應5/9/202424炸藥概論及基本理論

由于二次反應的復雜性，很難確定其動力學規(guī)律，通常只能籠統地用簡化了的唯象動力學方程表示，且這類反應一般具有自催化性質。二次反應與一些環(huán)境條件有關，不完全由炸藥本質所決定。1.3炸藥熱分解通性5/9/202425炸藥概論及基本理論

四、炸藥熱分解的加速歷程炸藥的熱分解過程，如單質炸藥的熱分解，其初始反應速度只隨炸藥本身性質(如化學結構、晶型、相態(tài)及顆粒等)和環(huán)境溫度而改變。在一定溫度下，加速歷程決定炸藥最大可能的熱安定性。二次反應與外界條件有關，所以在一定范圍和條件下，可以人為控制熱分解的加速歷程，以提高炸藥的安全性。1.3炸藥熱分解通性5/9/202426炸藥概論及基本理論自動加速反應的歷程一般是比較復雜的，基本類型如下：

(1)熱積累自動加速

(2)自催化加速

(3)自由基鏈加速

(4)局部化學反應加速1.3炸藥熱分解通性5/9/202427炸藥概論及基本理論一、炸藥概論及基本理論1.1炸藥和爆炸1.2炸藥的發(fā)展歷程1.3炸藥熱分解通性1.4炸藥的爆炸變化5/9/202428炸藥概論及基本理論

炸藥爆炸變化有燃燒和爆轟兩種典型形式。炸藥的燃燒是一種猛烈的物理化學變化，反應區(qū)沿炸藥表面法線方向傳播的速度稱為燃速，一般在幾毫米至數百米每秒，且隨外界壓力的升高而顯著增加。炸藥的爆轟是以爆轟波形式沿炸藥高速自行傳播的現象，速度一般在數百米到數千米每秒，且傳播速度受外界條件的影響很小。1.4炸藥的爆炸變化5/9/202429炸藥概論及基本理論

一、引燃引燃是燃燒的起始階段。凝聚炸藥的引燃，系在外界熱源作用下，表面溫度升高，高溫又逐步向系統內部傳遞，形成厚度為hh的加熱層。引燃的基礎參量（略）1.4炸藥的爆炸變化5/9/202430炸藥概論及基本理論

二、燃燒炸藥被引燃后，火焰向深層傳播，使炸藥燃燒。以燃燒反應波的形式傳播，反應區(qū)的能量通過熱傳導、輻射及燃燒氣體產物的擴散傳人下層炸藥。影響炸藥燃燒的主要因素是炸藥的化學組成、導熱性、裝藥直徑、密度、幾何形狀、孔隙性及環(huán)境條件等。1.4炸藥的爆炸變化5/9/202431炸藥概論及基本理論

(一)穩(wěn)定燃燒與不穩(wěn)定燃燒在一定條件下，炸藥的引燃可導致穩(wěn)定燃燒，此時燃速是穩(wěn)定的，通常只與環(huán)境壓力和溫度有關，不隨燃燒過程而變化。簡言之，即燃速不隨過程變化的燃燒，稱為穩(wěn)定燃燒。炸藥發(fā)生穩(wěn)定燃燒時，在其表面層有一穩(wěn)定的反應區(qū)，并沿表面法線形成以某種規(guī)律表示的溫度分布曲線，該曲線以恒定速度沿炸藥推移，燃燒乃層層傳遞，平行傳播。1.4炸藥的爆炸變化5/9/202432炸藥概論及基本理論1.4炸藥的爆炸變化5/9/202433炸藥概論及基本理論如被燃燒的炸藥柱具有密度低、多孔隙等特征，則炸藥燃燒產生的高溫氣體可向藥柱孔隙內滲入，可點燃孔隙深處的炸藥，燃速發(fā)生不規(guī)則的變化，時大時小，不再保持穩(wěn)定的燃速，這就形成了不穩(wěn)定燃燒。炸藥不穩(wěn)定燃燒時，燃燒表面被強烈扭曲，燃燒表面明顯擴大，燃速大大增高。不穩(wěn)定燃燒有兩種發(fā)展可能，一是轉變?yōu)闊岱纸?，一是轉變?yōu)榈退俦Z或正常爆轟。1.4炸藥的爆炸變化5/9/202434炸藥概論及基本理論

三、爆轟爆轟是炸藥化學反應的最激烈形式，爆速可達幾千米每秒，爆壓可達幾十吉帕，爆溫可達幾千攝氏度。爆轟時，炸藥釋放能量的速率也很快，因此可產生很高功率。高壓、高溫、高功率決定了炸藥作功的強度。爆轟反應是極其復雜的化學反應，它的傳播具有波動性質?？砂驯Z的傳播視為爆轟波的傳播。1.4炸藥的爆炸變化5/9/202435炸藥概論及基本理論爆轟波的傳播與炸藥裝藥的直徑有關。裝藥爆速達到極大值時的最小直徑稱為極限直徑，爆速的極大值稱為極限爆速。當裝藥直徑小于某一臨界值時，不可能穩(wěn)定爆轟。能夠傳播穩(wěn)定爆轟的最小裝藥直徑稱為臨界直徑，對應于臨界直徑的爆速稱為臨界爆速。1.4炸藥的爆炸變化5/9/202436炸藥概論及基本理論

(一)爆轟變化方程是計算炸藥爆炸的五個特征量(爆速、爆壓、爆熱、爆容和爆溫)的基礎和依據，是根據炸藥爆轟產物寫出的。爆轟產物的測定常在厚壁鋼彈中進行。產物成分的分析可采用化學吸收法或氣相色譜法，但所得的均為冷卻后的爆轟產物組分。1.4炸藥的爆炸變化5/9/202437炸藥概論及基本理論確定炸藥的化學反應是一困難而又復雜的問題，而得到的炸藥反應方程也只能是近似的。

1．氧平衡氧平衡是指炸藥中的氧用來完全氧化可燃元素以后，單位質量炸藥所多余或不足的氧量。氧平衡說明炸藥中含氧量的多少，與炸藥的爆速、爆壓、爆熱、作功能力都有密切的關系，是炸藥的一個重要參數。1.4炸藥的爆炸變化5/9/202438炸藥概論及基本理論對于通式CaHbOcNd的單質炸藥：1.4炸藥的爆炸變化5/9/202439炸藥概論及基本理論

2．爆轟變化方程的簡化理論確定法對CaHbOcNd類炸藥，根據其含氧量的不同可分為三種類型進行簡化處理。(1)第一類炸藥c≥(2a+b／2)(2)第二類炸藥(2a+b／2)>c≥(a十b／2)(3)第三類炸藥c<(a十b／2)1.4炸藥的爆炸變化5/9/202440炸藥概論及基本理論

3．爆轟變化方程的經驗確定法(1)第一類炸藥(2)第二類炸藥(3)第三類炸藥1.4炸藥的爆炸變化5/9/202441炸藥概論及基本理論(二)爆轟的C-J理論爆轟過程的基本理論是爆轟流體力學理論。19世紀末、20世紀初提出的氣體爆轟流體力學理論，其基本點是將爆轟波簡化為含化學反應的一維定常傳播的強間斷面，通常稱為Chap-man-Jouguet理論，簡稱C—J理論。1.4炸藥的爆炸變化5/9/202442炸藥概論及基本理論

1．理論的基本假定

C—J理論考察平面一維理想爆轟波的穩(wěn)定傳播過程，故假設：①爆轟波陣面是一維平面波；②爆轟波傳播過程中無能量耗散；③化學反應是瞬時完成的，且化學反應區(qū)中釋放的能量全部用來支持爆轟波的自行傳播。1.4炸藥的爆炸變化5/9/202443炸藥概論及基本理論1.4炸藥的爆炸變化5/9/202444炸藥概論及基本理論按圖1—12將坐標取在爆轟波面上，則爆轟波以爆速(D)沿爆炸物向前運動，而反應區(qū)相對于該坐標系的速度便等于零。由質量、動量及能量守恒可分別得：1.4炸藥的爆炸變化5/9/202445炸藥概論及基本理論還有一個爆轟產物的狀態(tài)方程式：爆轟波定型傳播的條件，即所謂C—J條件，可提供第五個狀態(tài)方程?？汕蠼獾奈鍌€爆轟波參數(p1、、u1、T1及D1)。1.4炸藥的爆炸變化5/9/202446炸藥概論及基本理論

(三)凝聚炸藥的爆轟理論

1．凝聚炸藥的爆轟反應機理凝聚炸藥的爆轟機理與炸藥化學組成、物理狀態(tài)及爆轟條件等有關。人們曾提出了如下幾種爆轟反應機理。

(1)整體反應機理在強沖擊波的作用下，波陣面上的炸藥受到強烈的絕熱壓縮，炸藥層各處均勻地升溫，因而化學反應在整個反應區(qū)內進行，故稱整體反應機理。1.4炸藥的爆炸變化5/9/202447炸藥概論及基本理論(2)表面反應機理在沖擊波的作用下，波陣面上的炸藥受到強烈壓縮，而炸藥層中的溫升不均勻，化學反應首先系從“起爆中心”開始，進而發(fā)展到整個炸藥層。由于起