新型敏化氣泡載體對乳化炸藥爆炸威力及減敏性的影響

程揚帆,劉 蓉,馬宏昊,沈兆武

(1.中國科學技術大學近代力學系,安徽合肥 230027;2.安徽大學數學科學學院,安徽合肥 230601)

新型敏化氣泡載體對乳化炸藥爆炸威力及減敏性的影響

程揚帆1,劉 蓉2,馬宏昊1,沈兆武1

(1.中國科學技術大學近代力學系,安徽合肥 230027;2.安徽大學數學科學學院,安徽合肥 230601)

針對NaNO2敏化的傳統乳化炸藥存在的爆炸威力低和壓力減敏問題,研制出了MgH2型儲氫乳化炸藥。該炸藥使用儲氫材料MgH2敏化,MgH2在乳化炸藥中起到了敏化劑和含能材料的雙重作用。在炸藥爆炸過程中MgH2參與爆轟反應,提高了乳化炸藥的爆炸威力;當炸藥受到外界壓力作用時,MgH2受壓會釋放出H2,從而減弱敏化作用的破壞。水下爆炸和沖擊波動壓作用實驗結果表明:與傳統NaNO2型乳化炸藥相比,MgH2型儲氫乳化炸藥具有優異的爆轟性能和抗壓力減敏能力。最后,通過掃描電鏡研究2種乳化炸藥受壓前后微觀結構的變化,探討MgH2型儲氫乳化炸藥抗壓力減敏機理。

乳化炸藥;壓力減敏;爆破安全;儲氫材料;敏化劑;化學敏化

乳化炸藥是20世紀60年代末發展起來的新型含水炸藥,具有優良的抗水、安全、貯存性能和雷管起爆感度,在工程爆破中得到了廣泛應用。乳化炸藥主要成分是乳化基質,乳化基質自身沒有雷管感度,它必須通過物理或化學方法敏化制成乳化炸藥后才能被起爆。敏化劑的作用是在乳化基質中形成均勻分布的小氣泡,當沖擊波掠過乳化炸藥時,壓縮空氣泡形成“熱點”,從而使炸藥發生爆轟反應。乳化炸藥敏化方式分為物理敏化和化學敏化,其中化學敏化的原理是通過敏化劑與乳化基質發生化學反應,引入均勻分布的小氣泡,從而起到敏化作用。化學敏化劑NaNO2由于具有價格低廉、敏化工藝簡單等優點,受到許多炸藥廠家的青睞,然而NaNO2敏化的乳化炸藥爆炸威力偏低,破巖效果不理想;在延遲爆破和深水爆破作業中,乳化炸藥由于“壓力減敏”作用會導致爆轟性能降低,甚至出現半爆或拒爆現象[1-5]。高威力乳化炸藥的研制和乳化炸藥“壓力減敏”現象已經引起工業炸藥領域學者的普遍關注,然而國內外高威力乳化炸藥大多含有猛炸藥、過氯酸鹽或高能燃料(如鋁粉)[6-8],提高了炸藥的感度;有關乳化炸藥壓力減敏的研究只是停留在傳統敏化劑減敏機理以及傳統乳化炸藥壓力減敏的影響因素上[9-11],乳化炸藥的壓力減敏問題仍然未能很好的解決。

針對傳統乳化炸藥在使用過程中存在的爆炸威力低和“壓力減敏”問題,沈兆武在其專利[12]中,將儲氫材料MgH2作為敏化劑和含能材料加入到乳化基質中,制成MgH2型儲氫乳化炸藥。該炸藥的敏化機理為:乳化基質中的NH4NO3水解使乳化基質呈弱酸性,當MgH2加入到乳化基質后,外圍的MgH2會與H+反應,破壞了MgH2儲氫結構,生成的H2在乳化基質中形成一個個均勻分布的小氣泡,起到了敏化作用。通過前期的研究發現,MgH2型儲氫乳化炸藥安全性符合要求[13],本文將重點研究MgH2型儲氫乳化炸藥的爆轟性能和抗壓力減敏能力。

1 乳化炸藥的制備

通過文獻調研[14]和課題組前期實驗[15],將2種乳化炸藥中NaNO2和MgH2的含量分別定為0.2%和1%,按表1的質量分數制成乳化炸藥。實驗用NaNO2型乳化炸藥在恒溫箱中50℃加熱1 h,然后與MgH2型儲氫乳化炸藥常溫下存放24 h后實驗。

2 水下爆炸實驗

2.1 水下爆炸實驗裝置

在水下爆炸能量輸出結構的實驗中,應設法避免或減弱邊界條件對水下爆炸過程的影響,當裝藥量小于350 g時,將裝藥置于水下2 m處就可以滿足沖擊波和氣泡脈動的測試要求[16]。該實驗中水下爆炸塔直徑為5 m,水深H為5 m;采用Agilent5000A數字存儲示波器記錄數據,482A22型恒流源將電荷信號轉換為電壓信號,水下壓力傳感器為ICP138A25型。實驗裝置如圖1所示,裝藥位于水下(h)2.5 m處,離傳感器的距離R為0.70 m。實驗所用乳化炸藥試樣為30 g球形藥柱,每種樣品測量3次,實驗結果取平均值。

表1 乳化炸藥的不同配方設計Table 1 Different formulation designs of emu lsion exp losives%

圖1 水下爆炸實驗示意Fig.1 Assembly experimental system of underwater explosion

2.2 水下爆炸參數的計算

2.2.1 沖擊波能

根據水中爆炸相似率[17]有

式中,Es為沖擊波能,kJ;R為藥包離傳感器的距離, m;ρw為水的密度,g/m3;Cw為水的音速,m/s;θ為衰減時間常數,是壓力從峰值pm衰減到pm/e所需的時間,μs;p(t)為距爆壓中心R處爆炸沖擊波超壓(MPa)隨時間變化的函數[8]。

2.2.2 沖擊波比沖量

炸藥水中爆炸比沖量是沖擊波壓力對時間積分[15],即其中,p(t)為實驗記錄的壓力,p(0)為傳感器放置在水中的初始壓力。初始壓力比沖擊波壓力小的多,可忽略不計,積分時間一般取5θ。

2.3 水下爆炸實驗結果

如圖2所示,MgH2型儲氫乳化炸藥水下爆炸沖擊波超壓要遠高于NaNO2型乳化炸藥。結合圖2及式(1)和(2)計算可得水中爆炸實驗中2種乳化炸藥的沖擊波超壓p、衰減時間θ、比沖量I、沖擊波能Es,結果取平均值列于表2。

圖2 2種未受壓乳化炸藥壓力時程曲線Fig.2 Pressure-time curves of two types of emulsion explosives

表2 2種未受壓乳化炸藥水下爆炸能量輸出相關參數Table 2 Energy output parameters of different emulsion explosives

2.4 實驗結果分析

由表2可知,相對于NaNO2型乳化炸藥,MgH2型儲氫乳化炸藥沖擊波超壓和沖擊波能增加顯著,分別提高了19.53%和24.52%。分析認為,MgH2型儲氫乳化炸藥和NaNO2型乳化炸藥雖然都是化學氣泡敏化,但是MgH2型乳化炸藥中的敏化氣泡尺寸小且均勻,因而爆轟反應更加充分,并且MgH2型儲氫乳化炸藥中敏化氣泡所含的H2和MgH2都是含能材料,具有很高的能量密度,因而可以增加MgH2型儲氫乳化炸藥的爆炸威力,而NaNO2型乳化炸藥中的敏化氣泡是N2,不參與炸藥爆轟反應。

3 動態壓力減敏實驗

3.1 實驗原理

將壓裝RDX(黑索金)固定在矩形鋼架的中央,然后用鐵絲將乳化炸藥樣品距離壓裝RDX不同距離的綁在框架上(圖3),最后將該裝置放入水下爆炸塔,并置于水面以下,通過引爆壓裝RDX在水中產生沖擊波,從而使不同距離乳化炸藥受到不同程度的沖擊波動壓作用,最后將受壓后的乳化炸藥樣品在水下爆炸塔中(圖1)用雷管引爆,并用示波器記錄乳化炸藥水下爆炸沖擊波信號。

圖3 沖擊波動壓發生裝置Fig.3 Assembly experimental system of producing shockwaves

3.2 藥包的制備

壓裝RDX質量為10 g,密度為1.65 g/cm3,由RDX和石蠟按質量比100∶5壓裝而成。實驗用壓裝RDX和乳化炸藥樣品使用聚乙烯塑料套包裹,然后用防水膠布纏緊,封口處涂上凡士林,以達到防水的目的。

3.3 實驗結果

利用沖擊波動壓發生裝置得到MgH2型儲氫乳化炸藥和NaNO2型乳化炸藥受沖擊波動壓作用后的樣品。通過觀察2種受壓乳化炸藥剖面可以看到離球心越近破乳程度越小,整體上2種乳化炸藥的破乳量很小且差距不大。

表3為NaNO2型乳化炸藥和MgH2型儲氫乳化炸藥在不同距離受壓后,水下爆炸沖擊波能測試結果。由表3可知:2種乳化炸藥受沖擊波壓縮后,水下爆炸沖擊波能降低,且降低程度與受壓距離成反比。

表3 2種乳化炸藥不同距離受壓后爆炸沖擊波能測試結果Table 3 Shockwave energy of two types emulsionexp losives at different com pression distances

3.4 減敏程度

減敏率表示乳化炸藥受到外界壓力作用后爆炸性能降低的程度,乳化炸藥減敏率越小,表示乳化炸藥抗壓性能越強。由文獻[18]可知,從適用角度來看,可以將沖擊波能計算的壓力減敏率作為表征依據,因此本文通過MgH2型儲氫乳化炸藥和NaNO2型乳化炸藥受壓前后沖擊波能的變化來計算乳化炸藥的減敏程度。

乳化炸藥減敏率的計算公式為

式中,D為乳化炸藥的壓力減敏率;E0為乳化炸藥未受壓時沖擊波能,kJ;Ep為乳化炸藥受壓后沖擊波能,kJ;Ed為相同實驗條件下雷管的沖擊波能,kJ。

通過水下爆炸實驗,測得2次雷管爆炸沖擊波能分別為1.99,1.91 kJ,均值為1.95 kJ,結合表3以及式(3)可計算得NaNO2型和MgH2型儲氫乳化炸藥減敏率,結果列于表4。

表4 2種乳化炸藥不同受壓距離的減敏率Table 4 Desensitization ratios of two types of emulsion exp losives at different com pression distance%

3.5 壓力減敏實驗結果分析與討論

減敏率D=0時說明炸藥完全爆轟,乳化炸藥未受壓力減敏作用的影響;當D=100%時說明炸藥拒爆,乳化炸藥被壓死;減敏率介于0～100%時,表明乳化炸藥發生不同程度的減敏,其值越小則減敏程度越小,乳化炸藥的爆轟性能受壓力減敏影響越弱。為了更好地反映2種乳化炸藥保護性能隨受壓距離的變化情況,筆者將表4中的實驗數據通過圖4表示出來。

圖4 2種乳化炸藥減敏率與受壓距離的關系Fig.4 Relationship between desensitization ratios and compressed distances

由圖4可知,當NaNO2型乳化炸藥受壓距離為25 cm時,炸藥減敏率為96.20%,炸藥幾乎拒爆;而 MgH2型儲氫乳化炸藥減敏率為51.12%,炸藥半爆,說明當受壓距離為25 cm時2種乳化炸藥受壓力減敏作用影響都非常嚴重,但MgH2型儲氫乳化炸藥抗壓力減敏能力明顯要強于NaNO2型乳化炸藥;當受壓距離大于50 cm時,MgH2型儲氫乳化炸藥的減敏率接近10%且趨于平衡,而NaNO2型乳化炸藥卻仍高達76.47%;當受壓距離大于75 cm時,2種乳化炸藥受壓力減敏的影響較弱。

綜上所述,MgH2能夠顯著提高乳化炸藥的抗沖擊波性能。與NaNO2型乳化炸藥相比,當受到相同程度的沖擊波壓縮后,MgH2型儲氫乳化炸藥減敏率低,爆炸性能受壓力減敏作用的影響小。

4 抗壓力減敏機理探討

MgH2和NaNO2敏化的乳化炸藥都屬于化學氣泡敏化。化學氣泡敏化的乳化炸藥在受到外界沖擊波作用時,由于體系中大量微氣泡的存在,使整個乳化炸藥體系具有彈性和柔性,大量的微氣泡能夠吸收沖擊波的能量,起到了氣泡帷幕的作用[19],并且乳化基質中的氣泡形狀規則,在炸藥體內形成的界面是自由面,與沖擊波作用過程相對簡單,因此化學氣泡敏化的乳化炸藥受沖擊波作用后乳化基質的破乳量很小。

破乳和有效“熱點”的減少是乳化炸藥產生壓力減敏現象的最主要原因。同樣是化學氣泡敏化,且破乳量相差不大,但在受到相同強度的沖擊波作用時, MgH2型儲氫乳化炸藥的減敏率卻遠小于NaNO2型乳化炸藥。分析其原因,NaNO2型乳化炸藥受壓前乳化基質中的敏化氣泡大小不均勻(圖5(a)),敏化氣泡尺寸過大或過小對形成“熱點”不利[18],且大的敏化氣泡在沖擊波動壓作用下容易被壓縮變形,導致能形成有效“熱點”的結構減少,從而使NaNO2型乳化炸藥爆轟性能降低。

MgH2型儲氫乳化炸藥采用儲氫合金MgH2敏化,MgH2在乳化基質中水解產生均勻分布的氫氣泡,起到了敏化作用。由圖5(b)可以看到,未受壓MgH2型儲氫乳化炸藥中的敏化氣泡尺寸小而均勻,且MgH2粉末沒有完全反應,這是因為乳化基質w/o型結構含有的游離水分子少,且隨著反應的進行生成的Mg(OH)2會抑制水解反應。然而,這些未反應的MgH2粉末在增強MgH2型儲氫乳化炸藥抗壓力減敏性能上起到了重要作用。當MgH2型儲氫乳化炸藥受到外界沖擊波壓力作用時,沖擊波壓縮氫氣泡導致氣泡中的溫度和壓力迅速上升,當氣泡中的溫度和壓力達到一定程度時未反應的MgH2粉末會釋放出氫氣[20],減弱因外界沖擊波壓力作用而導致氣泡收縮的影響,使有效“熱點”減少量降到最低。

圖5 乳化炸藥試樣受壓前、后的微觀圖Fig.5 Micrograms of emulsion explosives before and after compression

綜上所述,當受到外界沖擊波作用時,有效“熱點”減少是這2種化學氣泡敏化的乳化炸藥爆轟性能降低的最主要因素,MgH2型儲氫乳化炸藥具有獨特的敏化方式,使其在受到沖擊波作用后損失的有效“熱點”少,因而具有更強的抗壓力減敏能力。

5 可行性分析

實驗結果表明,MgH2型儲氫乳化炸藥具有優異的爆轟性能和抗壓力減敏能力。為了保證實驗結果的準確性,目前研究中使用的儲氫材料(分析純)成本較高,但由于MgH2的原材料Mg和H2價格便宜,只要解決工藝問題,就能夠降低大規模生產中的原材料成本。并且,儲氫材料在MgH2型乳化炸藥中的含量不超過2%。因此,儲氫型復合乳化炸藥的研究具有廣闊的應用前景。

6 結 論

(1)MgH2型儲氫乳化炸藥利用氫氣泡敏化,相對于NaNO2型乳化炸藥在沖擊波超壓和沖擊波能上增加顯著,分別提高了19.53%和24.52%。

(2)MgH2能夠顯著改善乳化炸藥抗壓力減敏性能。在受到相同沖擊波壓力作用后,MgH2型儲氫乳化炸藥減敏率遠小于NaNO2型乳化炸藥,且爆炸威力大。

(3)有效“熱點”的減少是化學氣泡敏化的NaNO2和MgH2型乳化炸藥中產生壓力減敏現象的最主要原因。

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Effects of new type of chem ical bubbles carriers on emulsion exp losive exp losion power and anti-pressure ability

CHENG Yang-fan1,LIU Rong2,MA Hong-hao1,SHEN Zhao-wu1

(1.Department ofModern Mechanics,University ofScience and Technology ofChina,Hefei 230027,China;2.School ofMathematical Science,Anhui University,Hefei 230601,China)

Traditional emulsion explosives sensitized by NaNO2has a low explosion power,and it is sensitive to external pressure which causes its explosion power decreased.In order to improve detonation performances of emulsion explosives,the hydrogen composite emulsion explosive was produced.The hydrogen composite emulsion was sensitized by MgH2,and MgH2powders participated in the detonation process,so the explosion power increased;when the emulsion suffered from the external pressure,the unreacted MgH2powderswould be decomposed to reduce the damage of sensitization bubbles.Through shockwave producing device and underwater explosion experiments,the effects of chemical sensitizers MgH2and NaNO2on emulsion explosives property were studied.Compared with emulsion explosives sensitized by NaNO2,emulsion explosive sensitized by MgH2presentsmuch smaller desensitized ratio and strongerexplosion power.Finally,with the help of scanning electron microscope,themicrostructures of emulsion explosiveswere studied, pressure desensitization mechanisms of two emulsion explosives sensitized by chemical bubbles were discussed.

emulsion explosives;pressure desensitization;blasting safety;hydrogen storagematerial;sensitizer;chemical sensitization

煤礦科技規范名詞與廢棄名詞比對(14)

TQ560

A

0253-9993(2014)07-1309-06

程揚帆,劉 蓉,馬宏昊,等.新型敏化氣泡載體對乳化炸藥爆炸威力及減敏性的影響[J].煤炭學報,2014,39(7):1309-1314.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0851

Cheng Yangfan,Liu Rong,Ma Honghao,et al.Effects of new type of chemical bubbles carriers on emulsion exp losive explosion power and anti-pressure ability[J].Journal of China Coal Society,2014,39(7):1309-1314.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0851

2013-07-02 責任編輯:畢永華

國家自然科學基金面上資助項目(51374189,51174183)

程揚帆(1987—),男,安徽安慶人,博士研究生。E-mail:cyf518@mail.ustc.edu.cn。通訊作者:馬宏昊(1980—),男,河南鞏義人,副教授,碩士生導師。E-mail:hhma@ustc.edu.cn