化学敏化的MgH2型储氢乳化炸药抗动压和爆轰性能的研究

程扬帆，程　尧，周淑清，张　增，曹　俊，沈兆武，汪　泉

(1.安徽理工大学弹药工程与爆炸技术系，安徽 淮南 232001；2.中国科学技术大学近代力学系，安徽 合肥 230027)

化学敏化的MgH2型储氢乳化炸药抗动压和爆轰性能的研究

程扬帆1，2，程尧1，周淑清1，张增1，曹俊1，沈兆武2，汪泉1

(1.安徽理工大学弹药工程与爆炸技术系，安徽 淮南 232001；2.中国科学技术大学近代力学系，安徽 合肥 230027)

摘要：针对传统乳化炸药在使用过程中存在的压力减敏和爆炸威力低的问题，研制出化学敏化的MgH2型储氢乳化炸药，并利用包覆MgH2的方法有效控制了炸药的发泡过程。冲击波动压减敏实验和水下爆炸实验结果表明，与玻璃微球型乳化炸药相比，MgH2型储氢乳化炸药的冲击波峰值压力、比冲击波能和比气泡能分别增加了20.5%、21.2%和34.7%，同时具有优异的抗动压减敏性能和储存稳定性。

关键词：乳化炸药；压力减敏；储氢材料；爆炸威力；储存稳定性中图分类号：TJ55；TD235.21；O38

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)01-0146-04

乳化炸药是应用广泛的工业炸药，具有优良的抗水、环保、安全和雷管起爆感度[1]。然而，在实际应用过程中也存在着一些问题，如：在延迟爆破和深水爆破中，乳化炸药因“压力减敏”作用而导致的半爆和拒爆现象；传统乳化炸药爆炸威力较低，破岩效果不理想。这些问题不仅影响了爆破效果，延缓了施工进度，而且处理盲炮容易引发安全事故。因此，研究压力减敏问题和高威力乳化炸药具有重要意义。国内外有关乳化炸药压力减敏问题的研究主要集中在影响因素的分析上[2-4]，但乳化炸药的抗压力减敏能力未得到显著提高；现有高威力乳化炸药通常含有猛炸药、高氯酸盐和高能燃料(如铝粉)[5-7]，在提高乳化炸药爆炸威力的同时也降低了乳化炸药的安全性。为了改善乳化炸药的性能，研制出了化学敏化的MgH2型储氢乳化炸药[8]。该炸药通过MgH2水解产生氢气泡使其发生敏化，并采用石蜡膜包覆MgH2的方法有效控制其发泡过程，同时MgH2作为含能材料可以提高炸药的爆炸威力。利用冲击波动压减敏实验和水下爆炸实验，研究了MgH2型储氢乳化炸药的抗动压减敏性能、爆轰性能以及储存稳定性，并与传统乳化炸药的性能进行了对比。

1抗动压减敏性能

利用冲击波动压减敏装置，模拟延迟爆破中乳化炸药因受到先起爆炸药的动压载荷而发生的减敏现象，研究MgH2型储氢乳化炸药的抗动压减敏性能，并与传统的玻璃微球型和NaNO2型乳化炸药进行了比较。

1.1实验设计

乳化炸药的动压减敏装置结构如图1(a)所示，通过引爆中心处的压装RDX产生冲击波动压，对两侧的乳化炸药进行动压加载，得到不同距离处(不用冲击强度)的受压乳化炸药样品，然后将其在水下爆炸塔中引爆并测量冲击波压力时程曲线，水下爆炸测试系统如图1(b)所示，详细的实验设备介绍和实验方法见文献[9]～[10]。

实验用MgH2的平均粒径为20μm，与水反应会生成H2，购于阿法埃莎(中国)化学有限公司；玻璃微球的平均粒径为55μm，购于美国3M公司；NaNO2购于国药集团化学试剂有限公司；乳化基质的密度为1.31g/cm3。动压减敏实验中乳化炸药的配方如表1所示，每个乳化炸药样品的质量为30g，在水下爆炸测试系统中，受压乳化炸药与传感器的距离为70cm。

1.2实验结果与分析

图2分别为三种乳化炸药不同距离受压后，水下爆炸的冲击波压力时程曲线。随着受压距离的减小(冲击强度增大)，三种乳化炸药的压力峰值都出现不同程度的降低，说明动压加载对乳化炸药的爆轰性能产生了影响。为了定量的描述动压减敏对乳化炸药爆轰性能的影响程度，引入参数“减敏率”，计算方法见文献[11]。减敏率越大，说明乳化炸药的动压减敏现象越严重，乳化炸药的抗动压能力越弱。减敏率为100%时，表明受压后的乳化炸药拒爆，减敏率为0时，表明受压后的乳化炸药爆轰性能未受影响。

图1　实验测试系统

由表2可知，当受压距离为25cm时，玻璃微球型乳化炸药的减敏率为100%，炸药拒爆，NaNO2型乳化炸药的减敏率也高达88.12%，而MgH2型储氢乳化炸药的减敏率只有38.97%；当受压距离为50cm时，玻璃微球型和NaNO2型乳化炸药的减敏率分别为79.82%和71.63%，MgH2型储氢乳化炸药的减敏率为12.11%；当受压距离为75cm时，玻璃微球型乳化炸药的减敏率依然高达63.64%，NaNO2型乳化炸药的减敏率降为15.59%，MgH2型储氢乳化炸药的减敏率为11.76%。三种乳化炸药不同距离的减敏率表明，化学敏化的MgH2型储氢乳化炸药抗动压减敏能力要远强于另外两种乳化炸药，NaNO2型乳化炸药次之，玻璃微球型乳化炸药的抗压性最差。

图2　不同距离受压后乳化炸药压力时程曲线

2爆轰性能的研究

利用水下爆炸实验，对化学敏化的MgH2型储氢乳化炸药的作功能力进行了研究，实验装置如图1(b)所示。为了更好的体现MgH2型储氢乳化炸药的爆轰性能，实验将其与玻璃微球型和玻璃微球-Al粉型乳化炸药进行了对比，炸药配方见表3，每个样品测3次。

表2　三种乳化炸药不同距离受压后的减敏率

表3　乳化炸药的配方设计/%

2.1水下爆炸实验

水下爆炸实验中，乳化炸药样品的质量为50g，距离传感器的距离为150cm。图3是三种乳化炸药的水下爆炸冲击波压力时程曲线，MgH2型储氢乳化炸药的峰值压力最高。通过水下爆炸计算公式[9]可以得到冲击波的相关参数，P为压力峰值，θ为衰减时间，I为比冲量，Es为比冲击波能，Eb为比气泡能，E为总能量，如表4所示。

图3　三种乳化炸药水下爆炸压力时程曲线

由表4可知，与传统玻璃微球型乳化炸药相比，化学敏化的MgH2型储氢乳化炸药的冲击波峰值压力P、比冲击波能Es和比气泡能Eb分别增加了20.5%、21.2%和34.7%，其冲击波总能量E提高了29.4%。

向乳化炸药中添加铝粉能够提高爆热并延缓冲击波的衰减，提高乳化炸药的作功能力[12]，与传统玻璃微球型乳化炸药相比，玻璃微球-Al粉型乳化炸药的冲击波衰减时间θ和冲击波总能量E分别增加了17.8%和12.86%，但是爆压却减小了1.6%。

表4　乳化炸药水下爆炸冲击波参数

2.2分析与讨论

水下爆炸实验结果表明，MgH2型储氢乳化炸药的冲击波主要参数均优于玻璃微球型和玻璃微球-Al粉型乳化炸药。并且，由前期研究结果[10]可知，与铝粉单纯作为含能添加剂提高炸药能量不同，MgH2的加入改变了乳化炸药的爆轰方式，使其爆轰反应程度大幅提高(传统的乳化炸药爆轰不完全)，是乳化炸药爆轰性能改善的主要原因。因此，MgH2作为一种新型含能添加剂提高乳化炸药爆炸威力，具有研究价值。

3储存稳定性的研究

MgH2是一种离子型氢化物，遇水会发生快速的水解反应而生成H2，化学敏化的MgH2型储氢乳化炸药就是利用该原理实现敏化。然而，在实际操作过程中发现，MgH2的发泡时间过长会导致敏化气泡过大，从而影响其爆轰性能以及产生后效作用，影响其储存稳定性。

3.1发泡过程的控制

通过实验研究发现，在乳化基质中添加质量分数为0.5%的MgH2，就足以起到敏化的作用，剩余的MgH2主要通过参与爆轰反应来提高爆炸威力，因此可将不参与敏化反应的MgH2包覆起来，使其不发生水解。利用溶胶-凝胶法制备出了石蜡膜包覆的MgH2，图4是MgH2包覆前后的微观结构图，从图中可以看出石蜡膜能够实现MgH2的均匀包覆。

为了验证石蜡膜的防水效果，对包覆后的MgH2防水性能进行了测试。如图5所示，未包覆的MgH2加入水中后会快速反应形成乳浊液并放出大量的气泡，而石蜡膜包覆的MgH2与水不发生反应而悬浮于水面上，具有很好的防水性能。因此，可以将石蜡包覆的MgH2和未包覆的MgH2按比例与混合后加入乳化基质中，从而达到既不影响MgH2型储氢乳化炸药爆轰性能又能控制其发泡过程的目的。

图4　MgH2的微观结构图

图5　MgH2的防水性能测试

3.2炸药的储存稳定性

乳化炸药是民用炸药，与军用炸药不同，其从生产到使用时间间隔较短，一般不超过5个月。因此，可以通过测试MgH2型储氢乳化炸药储存5个月后爆轰性能变化情况，并与传统玻璃微球型乳化炸药进行比较，研究其储存稳定性。实验中MgH2型储氢乳化炸药的配方为乳化基质∶MgH2=100∶2，其中未包覆的MgH2占炸药质量的0.5%，其余的MgH2经石蜡膜包覆处理，玻璃微球型乳化炸药的配方为乳化基质∶玻璃微球=100∶2。炸药样品的质量为30g，离传感器的距离为70cm。图6是两种乳化炸药储存5个月前后水下爆炸压力时程曲线，表5是两种乳化炸药储存前后冲击波压力峰值的变化情况。

由表5可知，储存5个月以后，传统的玻璃微球型乳化炸药的压力峰值从14.1MPa降到9.7MPa，减小率高达31%；MgH2型储氢乳化炸药的压力峰值降低了0.2MPa，只降低了1.2%，远低于传统的玻璃微球型乳化炸药。因此，MgH2型储氢乳化炸药的储存稳定性符合要求。

图6　乳化炸药储存前后冲击波压力时程曲线

表5　乳化炸药储存前后冲击波压力峰值变化

4结论

1)化学敏化的MgH2型储氢乳化炸药具有优异的抗动压减敏性能，在受到相同强度的冲击波压缩后，其减敏率远低于NaNO2型乳化炸药和玻璃微球型乳化炸药。

2)与传统玻璃微球型乳化炸药相比，化学敏化的MgH2型储氢乳化炸药的冲击波峰值压力、比冲击波能 和比气泡能分别增加了20.5%、21.2%和34.7%，MgH2作为一种新型含能添加剂具有研究价值。

3)利用石蜡膜包覆MgH2的方法，能够有效控制MgH2型储氢乳化炸药的发泡过程，并提高其储存稳定性。

参考文献

[1]汪旭光.乳化炸药[M].北京：冶金工业出版社，1993.

[2]Sumiya F，Hirosaki Y，Kato Y.Detonation velocity of precompressed emulsion explosives[C]//Proceedings of the 28th Annual Conference on Explosives and Blasting Technique.Cleveland：International Society of Explosives Engineers，2002：253-263.

[3]王尹军，吕庆山，汪旭光.冲击波对含水炸药减敏作用的实验研究[J].爆炸与冲击，2004，24(6)：558-561.

[4]任冬梅，吴红波，颜事龙.动压作用下乳化炸药析晶现象的实验研究[J].安徽理工大学学报：自然科学版，2010，30(4)：44-46.

[5]Jolanta Biegan’ska.Using Nitrocellulose Powder in Emulsion Explosives[J].Combustion，Explosion，and Shock Waves，2011，47：366-368.

[6]L.Liqing.Use of aluminum in perforating and stimulating a subterranean formation and other engineering applications[P].U.S.Patent：No.20030037692.

[7]E.V.Ustimenko，L.N.Shiman，T.F.Kholodenko.On environmental effects of emulsion explosives with products of processing of solid propellants in blasting works[J].Nauch.Vestn.Nats.Gorn.Univ.Ukrainy，2010，4：35-40.

[8]马宏昊，程扬帆，沈兆武.氢化镁型储氢乳化炸药[P].中国专利：CN102432407A，2012-05-02.

[9]程扬帆，马宏昊，沈兆武.MgH2对乳化炸药压力减敏影响的实验研究[J].爆炸与冲击，2014，34(4)：427-432.

[10]Yang fan Cheng，Hong hao Ma，Zhao wu Shen.Detonation Characteristics of Emulsion Explosives Sensitized by MgH2[J].Combustion，Explosion，and Shock Waves，2013，49(5)：614-619.

[11]颜事龙，王尹军.冲击波作用下乳化炸药压力减敏度的表征方法[J].爆炸与冲击，2006，26(5)：441-447.

[12]张虎，谢兴华，郭子如等.铝粉含量对乳化炸药性能的影响[J].含能材料，2008，16(6)：738-740.

Anti-pressure ability and explosion characteristics of hydrogen storage emulsion explosive sensitized by MgH2with chemical method

CHENG Yang-fan1，2，CHENG Yao1，ZHOU Shu-qing1，ZHANG Zeng1，CAO Jun1，SHEN Zhao-wu2，WANG quan1

(1.Department of Explosive Engineering and Explosion Technology，Anhui University of Science and Technology，Huainan 232001，China；2.Department of Modern Mechanics，University of Science and Technology of China，Hefei 230027，China)

Abstract:Based on the pressure desensitized and low power problems that traditional emulsion explosives exists in utilization，a hydrogen storage emulsion explosives sensitized by MgH2 with chemical method was developed，and the foaming process is controlled effectively by coating MgH2 with paraffin wax film.Shock wave dynamic pressure desensitization experiments and underwater explosion experiments are implemented，and experimental results show that compared with glass microspheres type of emulsion explosives，the shock wave peak pressure，shock wave energy and bubble energy of MgH2 type of hydrogen storage emulsion explosives increased 20.5%，21.2% and 34.7% respectively，and it also has a brilliant dynamic pressure resist ability and storage stability.

Key words：emulsion explosive；pressure desensitization；hydrogen storage material；explosion power；storage stability

收稿日期：2015-02-04

基金项目：国家自然科学基金项目资助(编号：1150211；51374189)；安徽省高校自然科学研究重点项目资助(编号：KJ2015A074)；安徽理工大学博士基金项目资助；安徽理工大学大学生创新计划项目资助

作者简介：程扬帆(1987-)，男，博士，讲师，主要从事含能材料的实验和数值模拟研究。E-mail：cyf518@mail.ustc.edu.cn。