炸藥概論及基本理論教學(xué)教案

炸藥技術(shù)概論一、炸藥概論及基本理論1.1炸藥和爆炸1.2炸藥的發(fā)展歷程1.3炸藥熱分解通性1.4炸藥的爆炸變化一、炸藥概論及基本理論1.1炸藥和爆炸1.2炸藥的發(fā)展歷程1.3炸藥熱分解通性1.4炸藥的爆炸變化一、爆炸和化學(xué)爆炸特征爆炸是物質(zhì)迅速的物理變化或化學(xué)變化。廣義的爆炸過程包括爆轟及爆燃。爆燃是燃速很高(可達(dá)1km/s)的燃燒1.1炸藥和爆炸二、炸藥基本特征炸藥是在外部激發(fā)能作用下，能發(fā)生爆炸并對(duì)周圍介質(zhì)作功的化合物(單質(zhì)炸藥)或混合物(混合炸藥)。(一)炸藥基本特征炸藥具有四個(gè)特點(diǎn)：高體積能量密度，自行活化，亞穩(wěn)態(tài)，自供氧。1.1炸藥和爆炸1.1炸藥和爆炸1.1炸藥和爆炸(二)爆炸性基團(tuán)

三、對(duì)炸藥的基本要求

(1)能量水平

(2)安全性能

(3)安定性和相容性

(4)裝藥工藝

(5)原材料及生產(chǎn)工藝

(6)生態(tài)和環(huán)境保護(hù)

1.1炸藥和爆炸四、炸藥分類按化學(xué)組分可分為單質(zhì)炸藥(單組分炸藥)和混合炸藥按應(yīng)用領(lǐng)域可分為軍用炸藥和工業(yè)炸藥。按作用方式可將廣義的炸藥分為猛炸藥、起爆藥、火藥及煙火劑但通常稱謂的炸藥有時(shí)僅指猛炸藥(也稱高級(jí)炸藥、次發(fā)炸藥或第二炸藥)。1.1炸藥和爆炸(一)單質(zhì)炸藥單質(zhì)炸藥分子含有爆炸性基團(tuán)，其中最重要的有C—N02，N—NO2及O—N02三種。(二)混合炸藥混合炸藥常由單質(zhì)炸藥和添加劑或由氧化劑、可燃劑和添加劑按適當(dāng)比例混制而成。

1．軍用混合炸藥2．民用混合炸藥1.1炸藥和爆炸

(三)起爆藥在較弱外部激發(fā)能作用下，即可發(fā)生燃燒，并能迅速轉(zhuǎn)變成爆轟的炸藥稱為起爆藥。1．單質(zhì)起爆藥2．混合起爆藥3．復(fù)鹽起爆藥4．配位化合物起爆藥1.1炸藥和爆炸一、炸藥概論及基本理論1.1炸藥和爆炸1.2炸藥的發(fā)展歷程1.3炸藥熱分解通性1.4炸藥的爆炸變化從中國(guó)有正式可考的黑火藥文字記載算起，炸藥已有一千多年的歷史，它的發(fā)展可分為四個(gè)時(shí)期：①黑火藥時(shí)期；②近代炸藥的興起和發(fā)展時(shí)期；③炸藥品種增加和綜合性能不斷提高時(shí)期；④炸藥發(fā)展的新時(shí)期。

1.2炸藥的發(fā)展歷程20世紀(jì)90年代研制的炸藥是與“高能量密度材料(HEDM)”這一概念相聯(lián)系的。1987年美國(guó)的A．T·尼爾遜(Nielsen)合成出了六硝基六氮雜異伍茲烷(HNIW)，英、法等國(guó)也很快掌握了合成HNIW的方法。1994年，中國(guó)也合成出了HNIW，成為當(dāng)今世界上能生產(chǎn)HNIW的少數(shù)幾個(gè)國(guó)家之一。1.2炸藥的發(fā)展歷程在這一時(shí)期合成出的高能量密度化合物還有八硝基立方烷(ONC)、1，3，3—三硝基氮雜環(huán)丁烷(TNAZ)及二硝酰胺銨(ADN)。另外，美國(guó)于20世紀(jì)90年代開始研制以HNIW為基的高聚物黏結(jié)炸藥，其中的RX—39—AA、AB及AC，相當(dāng)于以?shī)W克托今為基的LX—14系列高聚物黏結(jié)炸藥，可使能量輸出增加約15％。1.2炸藥的發(fā)展歷程一、炸藥概論及基本理論1.1炸藥和爆炸1.2炸藥的發(fā)展歷程1.3炸藥熱分解通性1.4炸藥的爆炸變化

一、炸藥熱分解的一般規(guī)律通常把炸藥的熱分解分為三個(gè)階段。

(1)熱分解的延滯期(2)熱分解的加速期

(3)熱分解降速期炸藥的起始熱分解速度只受溫度的影響。每種炸藥在固定溫度下的起始熱分解速度是定值，且可用阿累尼烏斯(Arrhenius)方程式。1.3炸藥熱分解通性

二、炸藥熱分解的初始反應(yīng)初始反應(yīng)是炸藥熱分解的開始階段，是炸藥分子發(fā)生鍵斷裂的最早步驟。氣態(tài)炸藥的初始反應(yīng)，可認(rèn)為是分子中最薄弱的鍵首先斷裂。例如對(duì)于硝酸酯來(lái)說(shuō)，首先是發(fā)生O—N鍵的斷裂。1.3炸藥熱分解通性1.3炸藥熱分解通性三硝基氮雜環(huán)丁烷(硝胺—硝基化合物)1.3炸藥熱分解通性對(duì)于凝聚態(tài)炸藥，由于分子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜及分子間的相互作用，最薄弱的鍵不一定是計(jì)算鍵能最小的鍵。例如，對(duì)某些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的硝基苯的烷基衍生物：不同相態(tài)炸藥分子的熱分解速度是不同的1.3炸藥熱分解通性三、炸藥熱分解的二次反應(yīng)有些熱分解初始反應(yīng)產(chǎn)物(如N02)相當(dāng)活潑，可以繼續(xù)和分解形成的其他產(chǎn)物或者炸藥本身相互作用，這類后續(xù)反應(yīng)統(tǒng)稱為熱分解的二次反應(yīng)。二次反應(yīng)很復(fù)雜，由多元反應(yīng)組成，它們可以是氧化反應(yīng)、水解反應(yīng)、催化反應(yīng)等。硝酸酯熱分解的二次反應(yīng)：三硝基氮雜環(huán)丁烷的二次反應(yīng)：1.3炸藥熱分解通性硝酸酯熱分解的二次反應(yīng)三硝基氮雜環(huán)丁烷的二次反應(yīng)

由于二次反應(yīng)的復(fù)雜性，很難確定其動(dòng)力學(xué)規(guī)律，通常只能籠統(tǒng)地用簡(jiǎn)化了的唯象動(dòng)力學(xué)方程表示，且這類反應(yīng)一般具有自催化性質(zhì)。二次反應(yīng)與一些環(huán)境條件有關(guān)，不完全由炸藥本質(zhì)所決定。1.3炸藥熱分解通性

四、炸藥熱分解的加速歷程炸藥的熱分解過程，如單質(zhì)炸藥的熱分解，其初始反應(yīng)速度只隨炸藥本身性質(zhì)(如化學(xué)結(jié)構(gòu)、晶型、相態(tài)及顆粒等)和環(huán)境溫度而改變。在一定溫度下，加速歷程決定炸藥最大可能的熱安定性。二次反應(yīng)與外界條件有關(guān)，所以在一定范圍和條件下，可以人為控制熱分解的加速歷程，以提高炸藥的安全性。1.3炸藥熱分解通性自動(dòng)加速反應(yīng)的歷程一般是比較復(fù)雜的，基本類型如下：

(1)熱積累自動(dòng)加速

(2)自催化加速

(3)自由基鏈加速

(4)局部化學(xué)反應(yīng)加速1.3炸藥熱分解通性一、炸藥概論及基本理論1.1炸藥和爆炸1.2炸藥的發(fā)展歷程1.3炸藥熱分解通性1.4炸藥的爆炸變化

炸藥爆炸變化有燃燒和爆轟兩種典型形式。炸藥的燃燒是一種猛烈的物理化學(xué)變化，反應(yīng)區(qū)沿炸藥表面法線方向傳播的速度稱為燃速，一般在幾毫米至數(shù)百米每秒，且隨外界壓力的升高而顯著增加。炸藥的爆轟是以爆轟波形式沿炸藥高速自行傳播的現(xiàn)象，速度一般在數(shù)百米到數(shù)千米每秒，且傳播速度受外界條件的影響很小。1.4炸藥的爆炸變化

一、引燃引燃是燃燒的起始階段。凝聚炸藥的引燃，系在外界熱源作用下，表面溫度升高，高溫又逐步向系統(tǒng)內(nèi)部傳遞，形成厚度為hh的加熱層。引燃的基礎(chǔ)參量（略）1.4炸藥的爆炸變化

二、燃燒炸藥被引燃后，火焰向深層傳播，使炸藥燃燒。以燃燒反應(yīng)波的形式傳播，反應(yīng)區(qū)的能量通過熱傳導(dǎo)、輻射及燃燒氣體產(chǎn)物的擴(kuò)散傳人下層炸藥。影響炸藥燃燒的主要因素是炸藥的化學(xué)組成、導(dǎo)熱性、裝藥直徑、密度、幾何形狀、孔隙性及環(huán)境條件等。1.4炸藥的爆炸變化

(一)穩(wěn)定燃燒與不穩(wěn)定燃燒在一定條件下，炸藥的引燃可導(dǎo)致穩(wěn)定燃燒，此時(shí)燃速是穩(wěn)定的，通常只與環(huán)境壓力和溫度有關(guān)，不隨燃燒過程而變化。簡(jiǎn)言之，即燃速不隨過程變化的燃燒，稱為穩(wěn)定燃燒。炸藥發(fā)生穩(wěn)定燃燒時(shí)，在其表面層有一穩(wěn)定的反應(yīng)區(qū)，并沿表面法線形成以某種規(guī)律表示的溫度分布曲線，該曲線以恒定速度沿炸藥推移，燃燒乃層層傳遞，平行傳播。1.4炸藥的爆炸變化1.4炸藥的爆炸變化如被燃燒的炸藥柱具有密度低、多孔隙等特征，則炸藥燃燒產(chǎn)生的高溫氣體可向藥柱孔隙內(nèi)滲入，可點(diǎn)燃孔隙深處的炸藥，燃速發(fā)生不規(guī)則的變化，時(shí)大時(shí)小，不再保持穩(wěn)定的燃速，這就形成了不穩(wěn)定燃燒。炸藥不穩(wěn)定燃燒時(shí)，燃燒表面被強(qiáng)烈扭曲，燃燒表面明顯擴(kuò)大，燃速大大增高。不穩(wěn)定燃燒有兩種發(fā)展可能，一是轉(zhuǎn)變?yōu)闊岱纸?，一是轉(zhuǎn)變?yōu)榈退俦Z或正常爆轟。1.4炸藥的爆炸變化

三、爆轟爆轟是炸藥化學(xué)反應(yīng)的最激烈形式，爆速可達(dá)幾千米每秒，爆壓可達(dá)幾十吉帕，爆溫可達(dá)幾千攝氏度。爆轟時(shí)，炸藥釋放能量的速率也很快，因此可產(chǎn)生很高功率。高壓、高溫、高功率決定了炸藥作功的強(qiáng)度。爆轟反應(yīng)是極其復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，它的傳播具有波動(dòng)性質(zhì)?？砂驯Z的傳播視為爆轟波的傳播。1.4炸藥的爆炸變化爆轟波的傳播與炸藥裝藥的直徑有關(guān)。裝藥爆速達(dá)到極大值時(shí)的最小直徑稱為極限直徑，爆速的極大值稱為極限爆速。當(dāng)裝藥直徑小于某一臨界值時(shí)，不可能穩(wěn)定爆轟。能夠傳播穩(wěn)定爆轟的最小裝藥直徑稱為臨界直徑，對(duì)應(yīng)于臨界直徑的爆速稱為臨界爆速。1.4炸藥的爆炸變化

(一)爆轟變化方程是計(jì)算炸藥爆炸的五個(gè)特征量(爆速、爆壓、爆熱、爆容和爆溫)的基礎(chǔ)和依據(jù)，是根據(jù)炸藥爆轟產(chǎn)物寫出的。爆轟產(chǎn)物的測(cè)定常在厚壁鋼彈中進(jìn)行。產(chǎn)物成分的分析可采用化學(xué)吸收法或氣相色譜法，但所得的均為冷卻后的爆轟產(chǎn)物組分。1.4炸藥的爆炸變化確定炸藥的化學(xué)反應(yīng)是一困難而又復(fù)雜的問題，而得到的炸藥反應(yīng)方程也只能是近似的。

1．氧平衡氧平衡是指炸藥中的氧用來(lái)完全氧化可燃元素以后，單位質(zhì)量炸藥所多余或不足的氧量。氧平衡說(shuō)明炸藥中含氧量的多少，與炸藥的爆速、爆壓、爆熱、作功能力都有密切的關(guān)系，是炸藥的一個(gè)重要參數(shù)。1.4炸藥的爆炸變化對(duì)于通式CaHbOcNd的單質(zhì)炸藥：1.4炸藥的爆炸變化

2．爆轟變化方程的簡(jiǎn)化理論確定法對(duì)CaHbOcNd類炸藥，根據(jù)其含氧量的不同可分為三種類型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。(1)第一類炸藥c≥(2a+b／2)(2)第二類炸藥(2a+b／2)>c≥(a十b／2)(3)第三類炸藥c<(a十b／2)1.4炸藥的爆炸變化

3．爆轟變化方程的經(jīng)驗(yàn)確定法(1)第一類炸藥(2)第二類炸藥(3)第三類炸藥1.4炸藥的爆炸變化(二)爆轟的C-J理論爆轟過程的基本理論是爆轟流體力學(xué)理論。19世紀(jì)末、20世紀(jì)初提出的氣體爆轟流體力學(xué)理論，其基本點(diǎn)是將爆轟波簡(jiǎn)化為含化學(xué)反應(yīng)的一維定常傳播的強(qiáng)間斷面，通常稱為Chap-man-Jouguet理論，簡(jiǎn)稱C—J理論。1.4炸藥的爆炸變化

1．理論的基本假定

C—J理論考察平面一維理想爆轟波的穩(wěn)定傳播過程，故假設(shè)：①爆轟波陣面是一維平面波；②爆轟波傳播過程中無(wú)能量耗散；③化學(xué)反應(yīng)是瞬時(shí)完成的，且化學(xué)反應(yīng)區(qū)中釋放的能量全部用來(lái)支持爆轟波的自行傳播。1.4炸藥的爆炸變化1.4炸藥的爆炸變化按圖1—12將坐標(biāo)取在爆轟波面上，則爆轟波以爆速(D)沿爆炸物向前運(yùn)動(dòng)，而反應(yīng)區(qū)相對(duì)于該坐標(biāo)系的速度便等于零。由質(zhì)量、動(dòng)量及能量守恒可分別得：1.4炸藥的爆炸變化還有一個(gè)爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程式：爆轟波定型傳播的條件，即所謂C—J條件，可提供第五個(gè)狀態(tài)方程?？汕蠼獾奈鍌€(gè)爆轟波參數(shù)(p1、、u1、T1及D1)。1.4炸藥的爆炸變化

(三)凝聚炸藥的爆轟理論

1．凝聚炸藥的爆轟反應(yīng)機(jī)理凝聚炸藥的爆轟機(jī)理與炸藥化學(xué)組成、物理狀態(tài)及爆轟條件等有關(guān)。人們?cè)岢隽巳缦聨追N爆轟反應(yīng)機(jī)理。

(1)整體反應(yīng)機(jī)理在強(qiáng)沖擊波的作用下，波陣面上的炸藥受到強(qiáng)烈的絕熱壓縮，炸藥層各處均勻地升溫，因而化學(xué)反應(yīng)在整個(gè)反應(yīng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，故稱整體反應(yīng)機(jī)理。1.4炸藥的爆炸變化(2)表面反應(yīng)機(jī)理在沖擊波的作用下，波陣面上的炸藥受到強(qiáng)烈壓縮，而炸藥層中的溫升不均勻，化學(xué)反應(yīng)首先系從“起爆中心”開始，進(jìn)而發(fā)展到整個(gè)炸藥層。由于起爆中心容易在顆粒表面及炸藥中所含氣泡周圍形成，故此機(jī)理稱為表面反應(yīng)機(jī)理。(3)混合反應(yīng)機(jī)理此機(jī)理是非理想的混合炸藥，特別是固體混合炸藥所特有的。這種反應(yīng)不在整體炸藥內(nèi)進(jìn)行，而是在一些分界面上分階段進(jìn)行的。

1.4炸藥的爆炸變化

2．爆轟產(chǎn)物的狀態(tài)方程建立能正確描述凝聚炸藥爆轟產(chǎn)物熱力學(xué)行為的狀態(tài)方程是計(jì)算爆轟參數(shù)所必需的。對(duì)凝聚態(tài)炸藥，爆轟產(chǎn)物的高壓、高溫和高密度已不適于采用理想氣體狀態(tài)方程。建立爆轟產(chǎn)物狀態(tài)方程，有三種代表性的模型。1.4炸藥的爆炸變化

(1)固體模型將爆轟產(chǎn)物近似看成是固態(tài)。

(2)氣體模型