新型敏化气泡载体对乳化炸药爆炸威力及减敏性的影响

程扬帆,刘 蓉,马宏昊,沈兆武

(1.中国科学技术大学近代力学系,安徽合肥 230027;2.安徽大学数学科学学院,安徽合肥 230601)

新型敏化气泡载体对乳化炸药爆炸威力及减敏性的影响

程扬帆1,刘 蓉2,马宏昊1,沈兆武1

(1.中国科学技术大学近代力学系,安徽合肥 230027;2.安徽大学数学科学学院,安徽合肥 230601)

针对NaNO2敏化的传统乳化炸药存在的爆炸威力低和压力减敏问题,研制出了MgH2型储氢乳化炸药。该炸药使用储氢材料MgH2敏化,MgH2在乳化炸药中起到了敏化剂和含能材料的双重作用。在炸药爆炸过程中MgH2参与爆轰反应,提高了乳化炸药的爆炸威力;当炸药受到外界压力作用时,MgH2受压会释放出H2,从而减弱敏化作用的破坏。水下爆炸和冲击波动压作用实验结果表明:与传统NaNO2型乳化炸药相比,MgH2型储氢乳化炸药具有优异的爆轰性能和抗压力减敏能力。最后,通过扫描电镜研究2种乳化炸药受压前后微观结构的变化,探讨MgH2型储氢乳化炸药抗压力减敏机理。

乳化炸药;压力减敏;爆破安全;储氢材料;敏化剂;化学敏化

乳化炸药是20世纪60年代末发展起来的新型含水炸药,具有优良的抗水、安全、贮存性能和雷管起爆感度,在工程爆破中得到了广泛应用。乳化炸药主要成分是乳化基质,乳化基质自身没有雷管感度,它必须通过物理或化学方法敏化制成乳化炸药后才能被起爆。敏化剂的作用是在乳化基质中形成均匀分布的小气泡,当冲击波掠过乳化炸药时,压缩空气泡形成“热点”,从而使炸药发生爆轰反应。乳化炸药敏化方式分为物理敏化和化学敏化,其中化学敏化的原理是通过敏化剂与乳化基质发生化学反应,引入均匀分布的小气泡,从而起到敏化作用。化学敏化剂NaNO2由于具有价格低廉、敏化工艺简单等优点,受到许多炸药厂家的青睐,然而NaNO2敏化的乳化炸药爆炸威力偏低,破岩效果不理想;在延迟爆破和深水爆破作业中,乳化炸药由于“压力减敏”作用会导致爆轰性能降低,甚至出现半爆或拒爆现象[1-5]。高威力乳化炸药的研制和乳化炸药“压力减敏”现象已经引起工业炸药领域学者的普遍关注,然而国内外高威力乳化炸药大多含有猛炸药、过氯酸盐或高能燃料(如铝粉)[6-8],提高了炸药的感度;有关乳化炸药压力减敏的研究只是停留在传统敏化剂减敏机理以及传统乳化炸药压力减敏的影响因素上[9-11],乳化炸药的压力减敏问题仍然未能很好的解决。

针对传统乳化炸药在使用过程中存在的爆炸威力低和“压力减敏”问题,沈兆武在其专利[12]中,将储氢材料MgH2作为敏化剂和含能材料加入到乳化基质中,制成MgH2型储氢乳化炸药。该炸药的敏化机理为:乳化基质中的NH4NO3水解使乳化基质呈弱酸性,当MgH2加入到乳化基质后,外围的MgH2会与H+反应,破坏了MgH2储氢结构,生成的H2在乳化基质中形成一个个均匀分布的小气泡,起到了敏化作用。通过前期的研究发现,MgH2型储氢乳化炸药安全性符合要求[13],本文将重点研究MgH2型储氢乳化炸药的爆轰性能和抗压力减敏能力。

1 乳化炸药的制备

通过文献调研[14]和课题组前期实验[15],将2种乳化炸药中NaNO2和MgH2的含量分别定为0.2%和1%,按表1的质量分数制成乳化炸药。实验用NaNO2型乳化炸药在恒温箱中50℃加热1 h,然后与MgH2型储氢乳化炸药常温下存放24 h后实验。

2 水下爆炸实验

2.1 水下爆炸实验装置

在水下爆炸能量输出结构的实验中,应设法避免或减弱边界条件对水下爆炸过程的影响,当装药量小于350 g时,将装药置于水下2 m处就可以满足冲击波和气泡脉动的测试要求[16]。该实验中水下爆炸塔直径为5 m,水深H为5 m;采用Agilent5000A数字存储示波器记录数据,482A22型恒流源将电荷信号转换为电压信号,水下压力传感器为ICP138A25型。实验装置如图1所示,装药位于水下(h)2.5 m处,离传感器的距离R为0.70 m。实验所用乳化炸药试样为30 g球形药柱,每种样品测量3次,实验结果取平均值。

表1 乳化炸药的不同配方设计Table 1 Different formulation designs of emu lsion exp losives%

图1 水下爆炸实验示意Fig.1 Assembly experimental system of underwater explosion

2.2 水下爆炸参数的计算

2.2.1 冲击波能

根据水中爆炸相似率[17]有

式中,Es为冲击波能,kJ;R为药包离传感器的距离, m;ρw为水的密度,g/m3;Cw为水的音速,m/s;θ为衰减时间常数,是压力从峰值pm衰减到pm/e所需的时间,μs;p(t)为距爆压中心R处爆炸冲击波超压(MPa)随时间变化的函数[8]。

2.2.2 冲击波比冲量

炸药水中爆炸比冲量是冲击波压力对时间积分[15],即其中,p(t)为实验记录的压力,p(0)为传感器放置在水中的初始压力。初始压力比冲击波压力小的多,可忽略不计,积分时间一般取5θ。

2.3 水下爆炸实验结果

如图2所示,MgH2型储氢乳化炸药水下爆炸冲击波超压要远高于NaNO2型乳化炸药。结合图2及式(1)和(2)计算可得水中爆炸实验中2种乳化炸药的冲击波超压p、衰减时间θ、比冲量I、冲击波能Es,结果取平均值列于表2。

图2 2种未受压乳化炸药压力时程曲线Fig.2 Pressure-time curves of two types of emulsion explosives

表2 2种未受压乳化炸药水下爆炸能量输出相关参数Table 2 Energy output parameters of different emulsion explosives

2.4 实验结果分析

由表2可知,相对于NaNO2型乳化炸药,MgH2型储氢乳化炸药冲击波超压和冲击波能增加显著,分别提高了19.53%和24.52%。分析认为,MgH2型储氢乳化炸药和NaNO2型乳化炸药虽然都是化学气泡敏化,但是MgH2型乳化炸药中的敏化气泡尺寸小且均匀,因而爆轰反应更加充分,并且MgH2型储氢乳化炸药中敏化气泡所含的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型储氢乳化炸药的爆炸威力,而NaNO2型乳化炸药中的敏化气泡是N2,不参与炸药爆轰反应。

3 动态压力减敏实验

3.1 实验原理

将压装RDX(黑索金)固定在矩形钢架的中央,然后用铁丝将乳化炸药样品距离压装RDX不同距离的绑在框架上(图3),最后将该装置放入水下爆炸塔,并置于水面以下,通过引爆压装RDX在水中产生冲击波,从而使不同距离乳化炸药受到不同程度的冲击波动压作用,最后将受压后的乳化炸药样品在水下爆炸塔中(图1)用雷管引爆,并用示波器记录乳化炸药水下爆炸冲击波信号。

图3 冲击波动压发生装置Fig.3 Assembly experimental system of producing shockwaves

3.2 药包的制备

压装RDX质量为10 g,密度为1.65 g/cm3,由RDX和石蜡按质量比100∶5压装而成。实验用压装RDX和乳化炸药样品使用聚乙烯塑料套包裹,然后用防水胶布缠紧,封口处涂上凡士林,以达到防水的目的。

3.3 实验结果

利用冲击波动压发生装置得到MgH2型储氢乳化炸药和NaNO2型乳化炸药受冲击波动压作用后的样品。通过观察2种受压乳化炸药剖面可以看到离球心越近破乳程度越小,整体上2种乳化炸药的破乳量很小且差距不大。

表3为NaNO2型乳化炸药和MgH2型储氢乳化炸药在不同距离受压后,水下爆炸冲击波能测试结果。由表3可知:2种乳化炸药受冲击波压缩后,水下爆炸冲击波能降低,且降低程度与受压距离成反比。

表3 2种乳化炸药不同距离受压后爆炸冲击波能测试结果Table 3 Shockwave energy of two types emulsionexp losives at different com pression distances

3.4 减敏程度

减敏率表示乳化炸药受到外界压力作用后爆炸性能降低的程度,乳化炸药减敏率越小,表示乳化炸药抗压性能越强。由文献[18]可知,从适用角度来看,可以将冲击波能计算的压力减敏率作为表征依据,因此本文通过MgH2型储氢乳化炸药和NaNO2型乳化炸药受压前后冲击波能的变化来计算乳化炸药的减敏程度。

乳化炸药减敏率的计算公式为

式中,D为乳化炸药的压力减敏率;E0为乳化炸药未受压时冲击波能,kJ;Ep为乳化炸药受压后冲击波能,kJ;Ed为相同实验条件下雷管的冲击波能,kJ。

通过水下爆炸实验,测得2次雷管爆炸冲击波能分别为1.99,1.91 kJ,均值为1.95 kJ,结合表3以及式(3)可计算得NaNO2型和MgH2型储氢乳化炸药减敏率,结果列于表4。

表4 2种乳化炸药不同受压距离的减敏率Table 4 Desensitization ratios of two types of emulsion exp losives at different com pression distance%

3.5 压力减敏实验结果分析与讨论

减敏率D=0时说明炸药完全爆轰,乳化炸药未受压力减敏作用的影响;当D=100%时说明炸药拒爆,乳化炸药被压死;减敏率介于0～100%时,表明乳化炸药发生不同程度的减敏,其值越小则减敏程度越小,乳化炸药的爆轰性能受压力减敏影响越弱。为了更好地反映2种乳化炸药保护性能随受压距离的变化情况,笔者将表4中的实验数据通过图4表示出来。

图4 2种乳化炸药减敏率与受压距离的关系Fig.4 Relationship between desensitization ratios and compressed distances

由图4可知,当NaNO2型乳化炸药受压距离为25 cm时,炸药减敏率为96.20%,炸药几乎拒爆;而 MgH2型储氢乳化炸药减敏率为51.12%,炸药半爆,说明当受压距离为25 cm时2种乳化炸药受压力减敏作用影响都非常严重,但MgH2型储氢乳化炸药抗压力减敏能力明显要强于NaNO2型乳化炸药;当受压距离大于50 cm时,MgH2型储氢乳化炸药的减敏率接近10%且趋于平衡,而NaNO2型乳化炸药却仍高达76.47%;当受压距离大于75 cm时,2种乳化炸药受压力减敏的影响较弱。

综上所述,MgH2能够显著提高乳化炸药的抗冲击波性能。与NaNO2型乳化炸药相比,当受到相同程度的冲击波压缩后,MgH2型储氢乳化炸药减敏率低,爆炸性能受压力减敏作用的影响小。

4 抗压力减敏机理探讨

MgH2和NaNO2敏化的乳化炸药都属于化学气泡敏化。化学气泡敏化的乳化炸药在受到外界冲击波作用时,由于体系中大量微气泡的存在,使整个乳化炸药体系具有弹性和柔性,大量的微气泡能够吸收冲击波的能量,起到了气泡帷幕的作用[19],并且乳化基质中的气泡形状规则,在炸药体内形成的界面是自由面,与冲击波作用过程相对简单,因此化学气泡敏化的乳化炸药受冲击波作用后乳化基质的破乳量很小。

破乳和有效“热点”的减少是乳化炸药产生压力减敏现象的最主要原因。同样是化学气泡敏化,且破乳量相差不大,但在受到相同强度的冲击波作用时, MgH2型储氢乳化炸药的减敏率却远小于NaNO2型乳化炸药。分析其原因,NaNO2型乳化炸药受压前乳化基质中的敏化气泡大小不均匀(图5(a)),敏化气泡尺寸过大或过小对形成“热点”不利[18],且大的敏化气泡在冲击波动压作用下容易被压缩变形,导致能形成有效“热点”的结构减少,从而使NaNO2型乳化炸药爆轰性能降低。

MgH2型储氢乳化炸药采用储氢合金MgH2敏化,MgH2在乳化基质中水解产生均匀分布的氢气泡,起到了敏化作用。由图5(b)可以看到,未受压MgH2型储氢乳化炸药中的敏化气泡尺寸小而均匀,且MgH2粉末没有完全反应,这是因为乳化基质w/o型结构含有的游离水分子少,且随着反应的进行生成的Mg(OH)2会抑制水解反应。然而,这些未反应的MgH2粉末在增强MgH2型储氢乳化炸药抗压力减敏性能上起到了重要作用。当MgH2型储氢乳化炸药受到外界冲击波压力作用时,冲击波压缩氢气泡导致气泡中的温度和压力迅速上升,当气泡中的温度和压力达到一定程度时未反应的MgH2粉末会释放出氢气[20],减弱因外界冲击波压力作用而导致气泡收缩的影响,使有效“热点”减少量降到最低。

图5 乳化炸药试样受压前、后的微观图Fig.5 Micrograms of emulsion explosives before and after compression

综上所述,当受到外界冲击波作用时,有效“热点”减少是这2种化学气泡敏化的乳化炸药爆轰性能降低的最主要因素,MgH2型储氢乳化炸药具有独特的敏化方式,使其在受到冲击波作用后损失的有效“热点”少,因而具有更强的抗压力减敏能力。

5 可行性分析

实验结果表明,MgH2型储氢乳化炸药具有优异的爆轰性能和抗压力减敏能力。为了保证实验结果的准确性,目前研究中使用的储氢材料(分析纯)成本较高,但由于MgH2的原材料Mg和H2价格便宜,只要解决工艺问题,就能够降低大规模生产中的原材料成本。并且,储氢材料在MgH2型乳化炸药中的含量不超过2%。因此,储氢型复合乳化炸药的研究具有广阔的应用前景。

6 结 论

(1)MgH2型储氢乳化炸药利用氢气泡敏化,相对于NaNO2型乳化炸药在冲击波超压和冲击波能上增加显著,分别提高了19.53%和24.52%。

(2)MgH2能够显著改善乳化炸药抗压力减敏性能。在受到相同冲击波压力作用后,MgH2型储氢乳化炸药减敏率远小于NaNO2型乳化炸药,且爆炸威力大。

(3)有效“热点”的减少是化学气泡敏化的NaNO2和MgH2型乳化炸药中产生压力减敏现象的最主要原因。

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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

煤矿科技规范名词与废弃名词比对(14)

TQ560

A

0253-9993(2014)07-1309-06

程扬帆,刘 蓉,马宏昊,等.新型敏化气泡载体对乳化炸药爆炸威力及减敏性的影响[J].煤炭学报,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 责任编辑:毕永华

国家自然科学基金面上资助项目(51374189,51174183)

程扬帆(1987—),男,安徽安庆人,博士研究生。E-mail:cyf518@mail.ustc.edu.cn。通讯作者:马宏昊(1980—),男,河南巩义人,副教授,硕士生导师。E-mail:hhma@ustc.edu.cn