邸云信

(中国爆破行业协会，北京 100070)

早期的工程技术人员对于民用炸药的能量使用基本是粗放型的，并且主要运用于土石方的开采过程中，但是随着科技的进步及理论科学研究的进一步深入，炸药的研究也越来越精细化，并且逐渐应用于各个领域中，最早将爆炸复合及爆炸合成技术应用于微观制造领域的是在1996年，当时的研究人员O.R.Bergmann就利用了炸药爆炸形成的冲击波对特定的材料进行了物化处理，使其性能得到了很大的提高，随着研究的不断发现，因为炸药爆炸具有的高压强度、高温及快速特性，使其具有独有的材料处理优势，特别是在对特殊材料的处理中[1-6]。

在特种爆破领域的专家，早在20世纪80年代就通过炸药的爆轰特性合成了纳米金刚石及其他有特殊用途的微细粉体，我国的一些研究院所及机构研究人员同样对爆炸合成的前沿技术进行了深入研究，并且得到了很多的创新性研究成果[7-12]，随着研究的细化，研究人员发现爆轰反应区的合成机理相当复杂，且不易观察，通过不同的炸药及前驱体的配制，在高温高压的环境下可以得到不同的合成产物，常见的爆轰反应区及爆轰参数的变化如图1所示。

图1 爆轰波参数变化

本实验研究的目的是找到合成炸药的能量特性，本实验研究的主要内容是混合前驱体专用炸药的制备，特别是其基础炸药的选择最为关键，本文选择使用的是性能优良且安全性稳定的猛炸药黑索今(RDX)，合成炸药中的前驱体使用的是成本较低的硝酸盐及锂盐，最后通过炸药的水下测试获得了混合炸药的能量特性及性能特征。

1 实验设计

1.1 炸药的选择

根据研究人员的科学实验及结果分析发现，如果炸药爆炸所产生的爆生气体越多，其气体对爆炸产物的扰动作用及分散细化效果越好，本实验通过文献查阅前人的研究成果可知，性能稳定的猛炸药具有较高的爆炸气体产量，我国常见的猛炸药的爆炸气体产量及相关的炸药性能如表1所示。

表1 我国常用的猛炸药的爆容及爆炸性能

通过表1的研究数据结果可以发现，黑索金RDX的爆压、爆速大于梯恩梯TNT和太安PETN，小于奥克托今HMX，但是在炸药的爆轰性能方面，特别是爆轰反应区的持续时间方面黑索今RDX要长于梯恩梯TNT，同时考虑经济成本的问题，奥克托今HMX的经济成本要大于黑索今RDX，因此在综合考虑各方面条件后，选择黑索今RDX作为混合炸药的基础炸药。

1.2 混合炸药的配制

根据爆炸合成实验炸药的设计，本实验设计了5种炸药配方，以探索各个因素对爆炸合成专用炸药性能的影响，其具体配方如表2所示。

表2 专用混合炸药的组分配比

1.3 测试系统及测试药包

实验的测试系统，主要是通过爆炸用的水池及ICP水下传感器将测试数据反馈到示波器中进行处理，测试水池的示意图如图2所示。

图2 爆炸水池测试布置正面示意图

水下能量的测试主要有：在传感仪器经过标定后；确定测试药包与传感器的水平距离，本测试药包距离传感器为1 m，如图3所示。

图3 水下能量测试药包剖面图

2 混合炸药的爆容(H2O为气态)

混合炸药爆炸后，爆炸产物中的水为不同状态时，炸药所形成的爆容也不同，炸药爆炸的爆容指的是在标准压力下每千克炸药完全爆炸后所产生的总体积，当产物中的水为气态时，炸药爆炸体积称为全比容，当产物中的水为液态时，炸药爆炸体积称为干比容(爆容)，其爆容的理论计算如下式所示：

(1)

式中：M为配制混合炸药的质量，kg ；n为爆生气体产物的总摩尔数，mol。

根据式(1)可得NO.1的爆容为：

实验用60 g药时，生成的气体量为44.84 L(钢桶的体积44.16 L)。

爆炸产物中水的不同状态对爆轰参数的影响如表3所示。

表3 混合炸药在水不同状态时的变化量

通过表3可以发现，水的状态不同时，混合炸药的爆容、爆热、爆速与爆压均有不同程度的增减，为了精确的确定混合炸药的TNT当量，取爆炸产物的水为气态和液态的平均值，则爆热为4392 kJ/kg，其TNT当量为1.05。

3 实验结果及讨论

3.1 测试数据

混合炸药的水下性能测试及爆炸能量测试结果如表4所示。

表4 配制炸药的能量测试

根据水下实验的设计，分别对5种配制的混合炸药进行了水下测试，得到了每种样品的示波图形，其中样品NO.1和NO.6的水下爆炸能量波形如图4和图5所示(曲线图的横轴表示时间、纵轴表示压力)。

图4 混合炸药NO.1的水下测试曲线

图5 混合炸药NO.6的水下测试曲线

由图4和图5的水下测试波形的分析可知，混合炸药的压力，在爆炸开始的前部分上升最快，随着爆炸结束及水中的能量消耗，压力开始下降并趋于平缓，分析其原因，可能是水下炸药爆炸后形成的冲击波与水池的壁面或者水池的底部发射造成的，另外，通过得到的波形可以发现，水下的压力波形随着时间的推移表现的比较尖锐，由此可以分析发现混合炸药的爆轰反应的持续时间也会随着配方的不同而发生改变，通过归纳分析得到混合炸药的冲击波衰减时间与黑索金RDX的含量变化如表5所示。

配制混合炸药的衰减时间与黑索金占比关系如图6所示，分析曲线的变化规律可知，随着黑索金含量占比的增加，刚开始水下冲击波衰减时间呈下降趋势，当黑索金含量占比达到40%时，水下冲击波衰减时间突然加大，由此分析结果可知，炸药爆轰反应区的反应时间会随着基础炸药黑索金的含量占比加大而延长。

图6 配制混合炸药的衰减时间与黑索金占比关系

3.2 结果分析

根据实验数据和实验结果，通过基础炸药的质量百分比及添加的前驱体的质量百分比，得到混合炸药的水下爆炸总能量与前驱体的质量占比之间的关系曲线如图7所示。

图7 混合炸药的水下爆炸能量与添加前驱体

通过图7的曲线及拟合方程Et=3×10-4x2-6.06×10-2x+5.4331分析可知，随着混合炸药中添加前驱体的质量增加，混合炸药的水下爆炸总能量也以一定的曲率下降，所以要控制基础炸药与添加前驱体的占比，以达到更好的爆轰合成效果。

4 结 论

(1)混合炸药的配方设计原则，确定了以黑索金RDX为基础炸药。同时根据水的状态不同时，计算了混合炸药的爆容，同时为了精确的确定混合炸药的TNT当量，取爆炸产物的水为气态和液态的平均值，则混合炸药的爆热为4 392 kJ/kg。

(2)通过混合炸药的水下能量测试及波形分析，得到了混合炸药的水下爆炸总能量与前驱体的质量占比之间的关系曲线，结果发现随着混合炸药中添加前驱体的质量增加，混合炸药的水下爆炸总能量也以一定的曲率下降，所以要控制基础炸药与添加前驱体的占比，以达到更好的爆轰合成效果。