飞片式无起爆药雷管结构研究

王俊杰，黄寅生，李锦涛，曹始发，葛梦珠，张冬冬



飞片式无起爆药雷管结构研究

王俊杰，黄寅生，李锦涛，曹始发，葛梦珠，张冬冬

（南京理工大学化工学院，江苏南京，210094）

设计了一种新型飞片激发装置的无起爆药雷管，通过铅板穿孔试验研究了飞片直径、厚度和中间装药条件对雷管爆轰性能的影响。研究结果表明：当飞片厚度在0.1~0.3mm范围内时，随着厚度增加，飞片起爆能力增强；直径相同时，厚度为0.2mm、0.3 mm的飞片能够可靠起爆雷管底部装药，飞片厚度0.1 mm时，雷管发生半爆。中间装药密度过大或高度过低都会导致雷管发生半爆，合适的装药密度范围为0.86~1.41 g·cm-3，装药高度应不低于2mm。

无起爆药雷管；飞片；装药条件；铅板穿孔试验

目前，国内的工业雷管含有起爆药，对外界的能量较敏感，在生产、使用过程中易受到撞击、跌落等而意外发火，存在一定的安全隐患，而且在起爆药的生产过程中容易产生大量废水，难以处理、污染环境[1]。因此，无起爆药雷管成为雷管发展的主要方向。飞片雷管是一种无起爆药雷管的典型代表，采用飞片激发装置代替起爆药，具有高安全、无污染的优点。当其作用时，激发装置产生的飞片高速冲击雷管底部装药，产生的冲击波在撞击部位压缩炸药产生大量不同温度与不同延滞期的热点，热点反应产生的能量在不同时间加强冲击波，形成越来越多的热点，最后加强到全部爆轰[2]。

飞片激发装置和底部装药条件对雷管的爆轰性能有着重要影响，但目前国内研究报道较少。沈兆武等[3-5]发明的飞片雷管采用激发药燃烧气体剪切驱动预裂内管底部的方式形成高速飞片，冲击起爆雷管底部装药；马宏昊[6-7]在此基础之上研制了多级变截面飞片激发装置，增强了飞片起爆能力；王慧娥[8]研究了飞片雷管底部装药药量及密度对飞片雷管爆轰性能的影响。

目前的飞片雷管采用内管底部预裂的方式形成飞片，但是内管上端敞口导致激发药的能量大量损失，而且该种方式形成的飞片的厚度不易控制，难以获得较高的飞片速度，飞片起爆能力较低。为了提高飞片的起爆能力，本文设计了一种新的飞片激发装置，研究了飞片的厚度及直径和中间装药高度及密度对雷管起爆性能的影响。

1 飞片式无起爆药雷管的制备

1.1 仪器设备与实验药品

仪器设备：电子分析天平、游标卡尺、压药设备、卡口机、模具、烘箱，以及外径6mm、壁厚1mm的内管。试验药品：结晶PETN。

1.2 制备过程

在带有台阶的雷管壳底部依次压装输出装药和中间装药。中间装药上端放入内部带有通孔的加速膛。加速膛底部与管壳内部台阶接触定位，外径与雷管内径紧密配合。加速膛上端依次放入飞片、装有激发药的内管。内管的上端装入带有封口塞的点火头，在卡口机上卡口，完成飞片式无起爆药雷管的制备，结构如图1所示。

图1 飞片式无起爆药雷管结构图

由于内管上端仅有直径2 mm的传火孔，激发药燃烧产生的高温高压气体在内管、管壳及封口塞的约束作用下主要作用于内管底部。飞片在高压气体与加速膛内壁的作用下被剪切驱动形成高速飞片，冲击雷管底部装药。与敞口式飞片激发装置相比，该种飞片击发装置能够增加激发药能量利用率，增大飞片速度，提高飞片的起爆能力。

2 实验结果与讨论

2.1 飞片厚度及直径对雷管爆轰性能的影响

雷管输出装药药量370mg，压药压力30MPa，中间装药药量为178mg，压药压力为8.56MPa。内管中装填松装PETN作为激发药。加速膛高度4mm，使用不同厚度的飞片和不同内径的加速膛制作雷管，采用5 mm的铅板验证雷管是否爆轰，结果见表1~3。

表1 厚度0.1mm飞片在不同直径下的铅板穿孔试验

Tab.1 Lead plate test of flyer with 0.1mm thickness under different diameters condition

表2 厚度0.2 mm飞片在不同直径下的铅板穿孔试验

表3 厚度0.3 mm飞片在不同直径下的铅板穿孔试验

Tab.3 Lead plate test of flyer with 0.3mm thickness under different diameters condition

从表1~3可以看出，厚度0.1mm的飞片在加速膛内2~4 mm范围内都不能够将雷管底部装药可靠起爆，雷管发生半爆。随着飞片厚度的增加，0.2 mm和0.3 mm的飞片在直径2~4 mm内能够可靠起爆雷管底部装药，铅板穿孔直径在10mm左右。对比3种不同厚度飞片的试验结果，可知随着飞片厚度增加，飞片起爆能力增加。不同厚度及直径的飞片起爆雷管的铅板穿孔效果如图2所示。

图2 不同厚度及直径飞片雷管穿孔效果图

根据非均相炸药的冲击起爆判据[9]：

式（1）中：E为炸药在冲击波作用下的临界起爆能量，由具体炸药决定；为进入炸药的冲击波压力，主要取决于飞片的速度；为飞片中冲击波来回传播的时间，主要取决于飞片的厚度。当0.1 mm飞片撞击炸药时，由于飞片厚度较小，产生的冲击波持续时间较短，冲击波的能量低于炸药的临界起爆能量，因此飞片不能够可靠起爆雷管底部装药。随着飞片厚度增加，产生的冲击波的能量增大，雷管底部装药被可靠起爆。

2.2 中间装药的装药条件对雷管爆轰性能的影响

雷管底部输出装药的装药量为370mg，压药压力为30MPa。飞片厚度0.2mm，加速膛内径2.5 mm，内管中装填松装PETN作为激发药。对中间装药不同装药高度及不同压药压力下的雷管进行铅板试验，试验结果见表4~6。

表4 1mm中间装药高度在不同压药压力下的铅板穿孔试验

Tab.4 Lead plate test of medium charge with 1mm height under different charge pressure condition

表5 2mm中间装药高度在不同压药压力下的铅板穿孔试验

Tab.5 Lead plate test of medium charge with 2mm height under different charge pressure condition

表6 4 mm中间装药高度在不同压药压力下的铅板穿孔试验

Tab.6 Lead plate test of medium charge with 4mm height under different charge pressure condition

从表4~6可以看出，中间装药高度1mm，在压药压力0~14.98 MPa、密度0.86~1.48 g·cm-3时，输出装药不能够被可靠起爆，雷管发生半爆。中间装药高度2mm，在压药压力0~10.70MPa、装药密度为0.86~1.39 g·cm-3时，中间装药能够可靠起爆底部输出装药，雷管发生爆轰。中间装药高度4 mm，压药压力在0~10.70 MPa、装药密度为0.86~1.41 g·cm-3时，中间装药能够起爆底部装药，发生爆轰。由试验结果可知，中间装药存在合适的装药高度和密度，装药高度过低或密度过大都会导致雷管发生半爆。

引爆输出装药时，中间装药产生的冲击波不仅要有足够的能量，还要有足够的冲量，既冲击波作用于底部装药时间要足够长，输出装药才能被可靠起爆。因此，中间装药要有一定的高度，以维持冲击压力一定时间。由试验结果可知，中间装药的装药高度应不低于2 mm。

飞片冲击起爆药雷管底部装药属于冲击波起爆，本质上属于热起爆机理[10]。当装药密度较低时，炸药颗粒之间存在大量体积较大的空隙，但是由于飞片面积较大（飞片面积约是装药端面面积的1/5），仍然能够产生足够多的有效热点，产生的气体产物向未反应的药床中渗透，压缩未反应的炸药，形成更多的热点，产生更多的能量，不断加强冲击波，达到临界强度以后诱发爆轰。随着药柱密度的增加，炸药颗粒之间的空隙体积减小，颗粒接触紧密。飞片撞击产生的有效热点增加，底部装药能够被可靠起爆。当装药密度过大时，炸药颗粒之间的空隙体积变得非常小，炸药颗粒之间摩擦阻力很大，在飞片冲击压力作用下，空隙受到的压缩程度小，有效热点数量减少，热点温度不够高，热分解反应不能够持续并传播，底部装药不能够完全爆轰，雷管发生半爆。

3 结论

（1）飞片厚度对飞片式无起爆药雷管底部装药的起爆有着重要影响。飞片厚度在0.1~0.3 mm范围内，随着厚度的增加，飞片起爆能力增强。直径2~4 mm范围内，飞片直径相同时，厚度0.2mm、0.3mm的飞片能够可靠起爆雷管底部装药，雷管发生爆轰。飞片厚度为0.1mm时，雷管发生半爆。

（2）雷管底部中间装药有合适装药高度和密度范围，装药高度过低或密度过大都会导致雷管发生半爆。中间药装药高度应不低于2mm，密度在0.86~1.41 g·cm-3范围内，雷管发生爆轰。

参考文献：

[1] 张英豪,曹文俊,田淑文.几种起爆药的性能与应用探讨[J].火工品,2008(3):23-25.

[2] 蔡瑞娇.火工品设计原理[M].北京:北京理工大学出版社, 1999.

[3] 沈兆武,郑慧娟,胡企强.简易飞片式无起爆药雷管:中国,CN87106394.8[P].1989-04-05.

[4] 沈兆武,郑慧娟,胡企强.冲击飞片式无起爆药雷管:中国,CN89218986.X[P].1990-08-01.

[5] 胡企强,沈兆武,郑慧娟.飞片式无起爆药雷管:中国,CN932 35810.1[P].1994-09-21.

[6] 沈兆武,马宏昊.多级变截面飞片激发装置及应用该装置的雷管:中国,CN101825419A[P].2010-09-08.

[7] 马宏昊,杜建国,沈兆武.激光起爆飞片式无起爆药雷管:中国,CN102435109A[P].2012-05-02.

[8] 王慧娥.装药条件对飞片雷管爆轰性能的影响[J].火工品, 2005(4):13-16.

[9] Walker F E,Wasley R J.Critical energy for the shock initiation of heterogeneous explosives[J].Explosive Stoffe,1969,17(1): 9-11.

[10] AM Karo,JR Hardy,FE Walker.The cretical studies of shock-initiated detonations[J].Acta Astronautia, 1978(5):1 041-1 050.

Study on the Structure of Flying Plate Detonator

WANG Jun-jie，HUANG Yin-sheng，LI Jin-tao，CAO Shi-fa，GE Meng-zhu，ZHANG Dong-dong

（Nanjing University of Science & Technology，Nanjing，210094）

The flying plate detonator with new flyer excitation device was designed. The influences of diameter and thickness of flyer and charge conditions of medium charge on detonation property were researched by lead disc test. Within range of 0.1~0.3 mm thickness，the initiating capacity of flyer become large with the increase of thickness. On same diameter condition, 0.2 mm or 0.3mm thickness flyer can led to detonation and 0.1 mm flyer cannot. With low height or large density，medium charge can cause non-steady detonation, the appropriate density is 0.86~1.41 g·cm-3and the proper height should not lower than 2mm.

Non-primary detonator；Flyer；Charge conditions；Lead disc test

1003-1480（2016）04-0013-04

TJ45+2.3

A

2016-03-31

王俊杰（1991-），男，硕士研究生，主要从事飞片式无起爆药雷管研究。