MgH2對乳化炸藥的壓力減敏影響實驗＊

程揚帆，馬宏昊，沈兆武

（中國科學技術大學近代力學系，安徽 合肥230027）

在工程爆破中延期起爆技術是常用的手段，具有爆破質量好、地震效應小、爆破規模大的優點，但延期爆破會造成先起爆炸藥產生的沖擊波或應力波對尚未起爆炸藥的動態荷載問題，導致后起爆的炸藥爆炸性能下降，甚至出現半爆、拒爆等現象［1］，這個現象就是“壓力減敏”。乳化炸藥壓力減敏作用不僅影響爆破效果和施工進度，而且容易造成盲炮，處理過程易發生事故，影響施工的安全性。乳化炸藥是我國目前用量最大的炸藥品種，在工程爆破中發揮著越來越重要的作用。如2011年我國工業炸藥年產量已達到386萬噸，其中乳化炸藥占53%。

壓力減敏會降低乳化炸藥爆轟穩定性，這引起了普遍重視［2－7］。乳化炸藥敏化方式分為物理敏化和化學敏化，其中玻璃微球是最常用的物理敏化劑，顏事龍等［8］、王尹軍等［9］和陳東梁等［10］對玻璃微球敏化的乳化炸藥做了大量的實驗研究。馬宏昊等［11］首次將儲氫材料MgH2作為敏化劑和含能材料，加入乳化基質中制成儲氫型復合乳化炸藥，前期的研究表明，儲氫型復合乳化炸藥具有優異的爆轟性能，但儲氫型復合乳化炸藥的抗沖擊性能和壓力減敏還是新的內容。

本文中，過沖擊波動壓發生裝置和水下爆炸實驗，研究儲氫材料MgH2和玻璃微球敏化兩種乳化炸藥在受到不同強度沖擊波壓力作用下爆炸威力的變化，并通過掃描電鏡實驗觀察兩種乳化炸藥沖擊波動壓作用過后微觀結構的變化，探討儲氫型復合乳化炸藥（MgH2敏化）的抗壓力減敏作用機理。

1 乳化炸藥制備

由以前的實驗可知，當乳化炸藥中玻璃微球和MgH2的質量分數分別為4%和1%時，制得的兩種乳化炸藥爆炸性能最好，因此研究該配方下乳化炸藥的壓力減敏現象。為了排除乳化基質含量的影響，樣品中所含乳化基質的質量都為30g，玻璃微球型按乳化基質與玻璃微球質量比100∶4、儲氫型按乳化基質與MgH2質量比100∶1制成乳化炸藥。

2 動態壓力減敏實驗

2.1 乳化炸藥沖擊波動壓實驗

將壓裝RDX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不同距離地綁在框架上（如圖1所示），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，使不同距離的乳化炸藥受到不同程度的沖擊波動壓作用。

壓裝RDX質量為10g，密度為1.65g／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，再用防水膠布纏緊，封口處涂上凡士林以防水。

利用沖擊波動壓發生裝置得到MgH2和玻璃微球敏化等乳化炸藥受沖擊波動壓作用后的樣品，作為對比研究，實驗還得到了乳化基質受動壓作用后的樣品，實驗結果如圖2所示。玻璃微球敏化的乳化炸藥呈白色，因此從外觀上看不出有炸藥破乳現象，但是玻璃微球敏化的乳化炸藥受壓后變硬且變成粉狀，說明有大量硝酸銨晶體析出，因此乳化炸藥發生了嚴重破乳；乳化基質和儲氫型復合乳化炸藥受壓后，能夠看到炸藥的周圍出現很多白色斑點，說明也發生了破乳，而且從宏觀上觀察，儲氫型復合乳化炸藥破乳程度小于乳化基質，這個現象將在后面討論。

圖1 沖擊波動壓發生裝置圖Fig.1 Assembly experimental system producing shockwaves

圖2 樣品在距離壓裝RDX為50cm時受壓后對比照Fig.2 Photos of emulsion explosives that compressed at 50cm by shockwaves

2.2 受壓乳化炸藥水下爆炸實驗

2.2.1 水下爆炸實驗裝置

水下爆炸塔直徑為5m，水深H為5m。實驗裝置如圖3所示，實驗所用裝藥為沖擊波動壓作用實驗得到的30g球形受壓乳化炸藥藥柱，裝藥位于水下h為2.5m處，離傳感器的距離R為0.70m。在水下爆炸能量輸出結構實驗中，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350g時，將裝藥置于水下2m處就可以滿足沖擊波和氣泡脈動的測試要求［12］。由ICP138A25型壓力傳感器、482A22型恒流源、Agilent 5000A數字存儲示波器測量，并記錄受壓乳化炸藥水下爆炸數據。每種炸藥做3次實驗，實驗結果取平均值。

圖3 水下爆炸實驗示意圖Fig.3 Assembly experimental system of underwater explosion

2.2.2 水下爆炸實驗結果

圖4是玻璃微球型和儲氫型復合乳化炸藥，在不同距離處受沖擊波壓縮后，水下爆炸沖擊波壓力曲線，圖中只列出了典型受壓距離的壓力曲線。從圖4可以看到：兩種乳化炸藥受沖擊波壓縮后，水下爆炸沖擊波峰值壓力下降，并且降低程度與受壓距離成反比；同時隨著受壓距離減小，兩種乳化炸藥水下爆炸沖擊波波寬亦減小。表1為玻璃微球型乳化炸藥和儲氫型復合乳化炸藥在不同距離受壓后，水下爆炸沖擊波的峰值壓力。

圖4 受壓乳化炸藥壓力曲線Fig.4 Pressure curves of compressed emulsion explosives

表1 乳化炸藥不同距離受壓后爆炸沖擊波測試結果Table 1 The shockwave peak pressures of emulsion explosives at different compression distances

2.3 減敏率

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，乳化炸藥抗壓性能越強。由文獻［13］可知，從適用角度看，可以將沖擊波峰值壓力計算的壓力減敏程度作為主要的表征依據。因此，本文中通過儲氫型復合乳化炸藥和玻璃微球型乳化炸藥受壓前后壓力峰值的變化計算乳化炸藥的減敏程度。

乳化炸藥減敏率為：

式中：D為乳化炸藥的壓力減敏程度；p0為乳化炸藥未受壓時爆炸沖擊波峰壓；pl為乳化炸藥受壓后爆炸沖擊波峰壓；pd為相同實驗條件下雷管的爆炸沖擊波峰壓。

通過水下爆炸實驗，測得2次雷管爆炸沖擊波壓力峰值分別為5.92和6.08MPa，平均6.0MPa，可計算玻璃微球型和儲氫型復合乳化炸藥減敏率，結果見表1。

3 水下爆炸實驗結果與分析

減敏率介于0～100%之間時，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。當減敏率D＝0時，說明乳化炸藥完全爆轟，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。

由圖5（a）可知，當玻璃微球型乳化炸藥受壓距離為25cm時，炸藥減敏率為100%，說明此時玻璃微球型乳化炸藥拒爆，炸藥被壓死，而此時儲氫型復合乳化炸藥減敏率僅為38.97%，其爆炸性能受沖擊波動壓影響明顯小于玻璃微球型乳化炸藥。當受壓距離大于50cm時，儲氫型復合乳化炸藥的減敏率已接近10%且趨于平衡，而玻璃微球型乳化炸藥卻高達79.82%，受壓距離為75cm時減敏率依然大于60%。

由此可見，MgH2能夠顯著提高乳化炸藥的抗沖擊波性能。與玻璃微球型乳化炸藥相比，當受到相同程度的沖擊波壓縮后，儲氫型復合乳化炸藥不僅減敏率低，爆炸性能受壓力減敏作用的影響小，而且爆炸威力遠大于同等條件下玻璃微球型乳化炸藥（如圖5（b）所示）。

圖5 乳化炸藥水下減敏率和沖擊波壓力與受壓距離關系Fig.5 Desensitization ratios and shockwave peak pressures versus compressed distances

4 動壓作用下乳化炸藥微觀結構變化特性

圖6為受壓距離為50cm時3種試樣受壓前后微觀結構圖。從圖6可以看到：當受到沖擊波壓力作用后，乳化基質樣品會發生局部破乳；玻璃微球型乳化炸藥樣品的破乳現象明顯，且部分玻璃微球被壓碎；儲氫型復合乳化炸藥樣品破乳程度最輕，且敏化氣泡受壓過后變形最小。根據工業炸藥起爆的“熱點”理論，如果微小空心顆粒或氣泡產生較大位移、變形或破壞，則形成有效“熱點”的尺寸、溫度和數量將會受到影響［14］，這種情況對乳化炸藥爆轟反應的激發和傳播是不利的。

乳化炸藥的破乳由兩部分組成：乳化基質粒子間相互作用形成的破乳，乳化基質與敏化劑微界面間的破乳。從圖6可知，當乳化基質受到沖擊波作用時，乳化基質粒子間相互擠壓，導致乳化基質局部破乳；敏化劑均勻分布于乳化炸藥內部后，會形成無數個敏化劑顆粒或氣泡與乳化基質的微界面，當沖擊波對乳化炸藥作用時，在微界面產生的效應會使附近的乳膠基質局部破乳。

圖6 乳化炸藥試樣受壓前后的微觀圖Fig.6 Micrograms of emulsion matrix before and after compression

5 儲氫型復合乳化炸藥抗壓力減敏機理探討

水下爆炸實驗結果表明，當受到相同強度沖擊波作用時，儲氫型復合乳化炸藥減敏率遠小于玻璃微球型乳化炸藥。分析其原因，是由于玻璃微球具有一定的強度，在一定壓力范圍內玻璃微球不會被壓碎，此時乳化炸藥與玻璃微球微界面處的乳化基質因受壓會發生局部破乳；當外界沖擊波壓力達到一定強度時，部分玻璃微球會被沖擊波的壓力壓碎，且玻璃微球破壞的程度隨著壓力的增加而增大，導致乳化炸藥中能形成“熱點”的結構變少。儲氫型復合乳化炸藥采用MgH2敏化，MgH2在乳化基質中水解產生均勻分布的氫氣泡，起到敏化作用。MgH2粉末完全反應，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粉末在增強儲氫型復合乳化炸藥抗壓力減敏性能上起到重要作用。儲氫型復合乳化炸藥體系中存在大量微氣泡，使整個乳化炸藥體系具有彈性和柔性，當體系受到動態壓力作用時，大量的微氣泡會吸收沖擊波能量，起到氣泡帷幕的作用，同時未反應的MgH2粉末在外界壓力達到一定程度時會釋放出氫氣，抵消部分因沖擊波作用而導致氣泡收縮的影響，以及形成新的氫氣泡，從而使有效“熱點”的減小程度降到最低，起到動態敏化的作用；而且乳化基質中的氫氣泡形狀規則（見圖6（c）），且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，因而其周圍的乳膠粒子破壞程度小。由于氫氣泡的緩沖作用，儲氫型復合乳化炸藥的破乳程度甚至小于乳化基質（見圖6（a）、圖6（c）），圖2也說明了這個現象。

通過上面分析可知，乳化炸藥的破乳和有效“熱點”的減少，是乳化炸藥受沖擊波作用后爆轟性能降低的主要影響因素。相對于玻璃微球敏化型乳化炸藥，儲氫型復合乳化炸藥具有獨特的敏化方式，當受到沖擊波作用后，其破乳程度低且損失的有效“熱點”少，因而具有更強的抗壓力減敏能力。

6 結 論

（1）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，儲氫型復合乳化炸藥減敏率遠小于玻璃微球型乳化炸藥，且爆炸威力大。

（2）MgH2獨特的敏化方式，使儲氫型復合乳化炸藥具有柔性和彈性，因而在受到外界壓力作用時破乳量小。

（3）MgH2產生的氫氣泡和受到外界壓力時的動態敏化作用，使儲氫型復合乳化炸藥破乳量和有效“熱點”減少量降低最低，從而具有優異的抗壓力減敏能力。

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