第6章 弹药的起爆机理

1第6章炸药的起爆机理2主要内容6.1基本概念6.2热起爆机理6.3机械作用起爆机理6.4冲击波起爆机理36.1基本概念46.1基本概念1、感度(Sensitivity)炸药虽然是一种能够发生爆炸变化的物质，但在通常条件下是处于相对稳定状态的。欲使炸药发生爆炸变化，必须给予一定的外界作用，使其失去稳定。这种由稳定状态到失去稳定状态的转变过程，就是炸药的起爆过程。炸药在外界作用下发生爆炸的难易程度称为炸药的敏感度或炸药的感度(Sensitivity)

。56.1基本概念2、起爆冲能把使炸药起爆所需的外界作用的临界能量，称为初始冲能或起爆冲能。起爆炸药的能量越小，则表明炸药越敏感，即感度越大。起爆炸药的能量越大，则表明炸药越钝感，即感度越小。66.1基本概念3、感度的分类根据外界作用能量形式的不同，感度可分为：加热感度、火焰感度、撞击感度、摩擦感度、针刺感度、冲击波感度、光感度、静电感度等。各种炸药对不同形式的初始冲能具有一定的选择性。例如太安（PETN）、特屈儿（Tetryl）对冲击波的作用很敏感，所以一般常用来作传爆药柱；而斯蒂夫酸铅对火焰作用很敏感，所以常用在火焰雷管中作第一装药。

76.1基本概念同一种装药激起起爆所需要的某种形式的能量不是一个严格固定的值。它随加载方式、加载速度的不同而不同。例如，突然加压的起爆能量比缓慢加压的起爆能量要小。同一种炸药对不同初始冲能的感度之间没有一定的当量关系。例如，叠氮化铅对机械能比对热能要敏感，而斯蒂夫酸铅则相反。86.1基本概念炸药在外界作用下可激发爆炸，那么外界作用是怎样激发炸药的？其化学物理过程的本质是怎样的？研究炸药的起爆机理及感度，对于炸药的安全存储、运输、加工处理，以及炸药的使用，都具有很重要的意义。96.2热起爆机理106.2热起爆机理炸药在热作用下发生爆炸的理论探索是从爆炸气体混合物热爆炸问题的研究开始的。谢苗诺夫建立了混合气体的热自动点火的热爆炸理论。它的基本观点是：在一定条件（温度、压力及其它条件）下，若反应放出的热量大于热传导所散失的热量，混合气体就会发生热积累，从而使反应自动加速，最后导致爆炸。弗兰克-卡曼涅斯基发展了定常热爆炸理论，考虑了温度在反应混合气体中的空间分布问题。116.2热起爆机理莱第尔、罗伯逊将热爆炸理论应用于凝聚炸药的起爆研究中，提出了热点学说，揭示了撞击、摩擦、发射惯性力等机械作用下炸药激发爆炸的机理和物理本质。热爆炸理论可分为定常热爆炸理论和非定常热爆炸理论。定常热爆炸理论研究的重点是发生热爆炸的条件，而非定常热爆炸理论则是重点研究具备热爆炸条件后，过程发展的速度。126.2热起爆机理定常热爆炸理论又可分为两种情况：均匀温度分布和不均匀温度分布。均温分布：容器中炸药各处温度均相等。不均温分布：炸药各处温度有一分布，中部温度最高，沿半径方向向外逐渐降低，壁面处温度最低。136.2.1均温分布的定常热爆炸理论146.2.1均温分布的定常热爆炸理论基本假设：（1）炸药各处温度相同。（2）环境温度T0＝常数。（3）炸药达到爆炸时的炸药温度T大于T0，但两者差值（T-T0）不大。谢苗诺夫提出了一个热爆炸的基本模型，用这个模型可以简单而明确地说明炸药热爆炸现象与自身化学反应和外界热作用之间的相互关系。如图6-1所示。156.2.1均温分布的定常热爆炸理论图6-1166.2.1均温分布的定常热爆炸理论首先，炸药在温度T时，单位时间里由于发生化学反应而放出的热量为Q1，此热量与单位质量的炸药产生的热量q（J/kg）和化学反应速率W(kg/s)有关，即

……(1)

并认为初始分解过程属于单分子分解反应，化学反应速度可以用Arrhenius(阿累尼乌斯)公式来表示，即：

……(2)式中m——炸药质量；

——炸药活化能；

R——气体常数。176.2.1均温分布的定常热爆炸理论由（2）式可知，炸药进行放热化学反应而产生的热量与温度的关系符合指数曲线，该曲线称为得热线，如图6-2所示。

186.2.1均温分布的定常热爆炸理论在单位时间里系统因热传导而散失的热量为：

……(3)式中——导热系数；S——传热面积；

——环境温度。而（3）式为一条直线，称为失热线，如图6-3所示。196.2.1均温分布的定常热爆炸理论图6-3失热曲线206.2.1均温分布的定常热爆炸理论图6-4炸药得热和失热的三种情况216.2.1均温分布的定常热爆炸理论当炸药的初温等于周围环境的温度，即时，炸药因化学反应而产生的热量大于散失的热量，Q1>Q2，温度自动升高，得热和失热都增加，但从图中可见在此温度范围内失热增加比得热情况增加要快。当温度升高到A点的位置时，Q1＝Q2，温度也会自动调节降低趋于A点。226.2.1均温分布的定常热爆炸理论如果炸药周围环境的温度T0＝T03，从图7－4可知，得热曲线在失热曲线的上方。在此种情况下，炸药处于任何温度时都因Q1>Q2，温度不断升高，最后导致热爆炸。当周围环境的温度T0＝T02时，这时失热曲线与得热曲线相切于B点，对应的温度为Tc。开始得热大于失热，温度升高，Q1和Q2都增加。当到达切点Tc时，Q1＝Q2，建立起热平衡。如果某些偶然因素导致炸药的温度升高，由于Q1>Q2，反应速度就会急剧增加，直至爆炸。236.2.1均温分布的定常热爆炸理论

表示热爆炸前的升温情况。从数学上看，切点必须满足两个条件，即不但Q1和Q2在该点的数值相等，且两条曲线的斜率也相等，即

Q1＝Q2

……(4)

……(5)246.2.1均温分布的定常热爆炸理论把（2）和（3）式代入（4）和（5）式，可得：

…(6)

……(7)（6）和（7）式联立消去，得到

……(8)它的解为：……(9)256.2.1均温分布的定常热爆炸理论对于大多数炸药，取负号的解，因为正号的解不符合实际情况。由于的值很小，取上式在附近的级数展开：

(10)266.2.1均温分布的定常热爆炸理论由于的值很小，可忽略上式中第三项后的各项，得：

……(5)

因此，炸药热爆炸前的升温为：

……(6)如果，则系统不可能发生热爆炸；如果，则系统必然发生热爆炸。276.2.1均温分布的定常热爆炸理论例如：RDX（黑索今）在T0＝277℃（550K）时发生爆炸，根据RDX分子的活化能Ea＝209275J/g，则RDX达到爆炸时的临界温度为：由此可知，环境温度T0＝277℃时，若炸药发生爆炸，则此时炸药温度为289℃。286.2.1均温分布的定常热爆炸理论炸药能否发生热爆炸，不仅与配方性质有关，而且与周围环境有关，同样也与传热系数有关。因此，炸药在运输和储存过程中要有良好通风散热条件，避免热爆炸灾害性事故。296.2.1均温分布的定常热爆炸理论环境温度T02是量变到质变的数量界限，环境温度低于T02时，得热线与失热线相交，炸药处于交点温度，进行稳定的、缓慢的反应，不会导致爆炸。而当环境温度大于T02时，曲线将在直线之上，得热大于失热，反应将自行加快，最后导致爆炸。T02是炸药能够导致爆炸的最低的环境温度。称T02为炸药的爆发点。306.2.1均温分布的定常热爆炸理论炸药爆发点并不是爆发瞬间炸药的温度。爆发点是炸药分解自行加速开始时环境的温度。从开始自行加速到爆炸有一定的时间，称为爆发延滞期。爆发点不是炸药的物理常数，不仅与炸药性质有关，而且与介质的传热条件有关。316.2.2炸药的热感度326.2.2炸药的热感度通常情况下，炸药的加热感度用爆发点来表示；火焰感度用发火上下限法表示。1、爆发点测定凝聚炸药的爆发点有两种方法：（1）一定量的炸药，从某一温度开始，以等速加热，记录从开始受热到发火或爆炸的时间和介质的温度，此温度即为爆发点。（2）一定量的炸药，在一定实验条件下，测定延滞期与温度的关系，实验结果用图表示。这种方法比较精确。336.2.2炸药的热感度

实验装置如图6-5所示。346.2.2炸药的热感度测定时，首先进行预备试验：将合金浴加热到100～1500C左右，放入一支盛有炸药试样的雷管壳，并继续升高温度直至爆炸，记录爆炸时的温度，以定出正式试验时的温度范围。356.2.2炸药的热感度测定时，将合金浴加热并恒定于预定温度，再把装有一定量炸药（火药、猛炸药通常取20mg~30mg，起爆药取10mg）的雷管壳迅速放入合金浴，同时打开秒表，记录爆炸或发火延滞时间。连续求出不同的恒定温度T1、T2、T3、…、Tn所对应的延滞期τ1、τ2、τ3…τn。366.2.2炸药的热感度根据试验作出T与τ，lnτ与1/T的关系图，由τ-T图可求得5s延滞期爆发点。试验得到的凝聚炸药爆发点与延滞期的关系为：lnτ=A+E/RT

式中τ为延滞期(s)；E为与爆炸反应相应的炸药活化能(J/mol)；R为通用气体常数；A为与炸药有关的常数；T为爆发点(K)。测得的爆发点越低，说明炸药的感度越大，反之则感度越小。376.2.2炸药的热感度爆发点/K爆发点/K炸药名称5s延滞期5min延滞期炸药名称5s延滞期5min延滞期黑火药－583~588奥克托今608－无烟药473453~473梯恩梯748568～573硝化甘油495473~478特屈儿520463～467太安498478~488阿马托80/20－573爆胶－475～481雷汞483443～453硝化棉（16.3%N)503－三硝基间苯二酚铅－543～553硝基胍548－梯/黑50/50493－黑索今533488～493叠氮化铅618598～613386.2.2炸药的热感度2、火焰感度的表示方法和实验火焰感度的表示方法和实验方法很多，但都比较粗糙。最简单的方法就是用密闭火焰感度仪进行测定。在一定条件下，黑火药燃烧时喷出的火焰或火星作用在炸药的表面上，观察是否发火，以发火的上下限来表示火焰感度。396.2.2炸药的热感度上限是指炸药100％发火的最大距离（黑火药药柱下端面到炸药表面的距离），下限是指100％不发火的最小距离。上限大则炸药的火焰感度大，下限大则炸药的危险性大。实验如图6-6所示。406.2.2炸药的热感度图6-6密闭火焰感度仪简图1-刻度尺；2-固定黑火药柱；3-火冒台

416.2.2炸药的热感度对于起爆药，若比较其准确发火的难易程度，应比较上限。从安全角度考虑应绝对避免和火焰接触。因此目前已不测定其下限。炸药名称100%发火的最大距离/cm炸药名称100%发火的最大距离/cm雷汞20特屈拉辛15叠氮化铅<8二硝基重氮酚17斯蒂酚酸铅54黑火药2426.3机械作用起爆机理436.3机械作用起爆机理最早是贝尔特罗提出的“热假说”：机械能转变为热能，使整个受试验的炸药温度升高到爆发点，使炸药发生爆炸。该观点受到质疑。因为即使起爆冲击能全部转化为热能被它吸收，象雷汞这样的炸药的温度也只能提高200C左右，根本不能使雷汞爆炸。后来又出现“摩擦化学假设”，没有实验依据。热点学说——较为公认。443.6.1炸药起爆的热点学说453.6.1炸药起爆的热点学说1、热点学说的基本观点热点学说认为，在机械作用下，产生的热来不及均匀地分布到全部试样上，而是集中在试样个别的小点上，例如集中在个别结晶的两面角，特别是多面棱角或小气泡处。在这些小点上温度达到高于爆发点的值时，就会在这些小点处开始爆炸。这种温度很高的局部小点称之为热点（或反应中心）。463.6.1炸药起爆的热点学说2、热点形成的原因炸药中空气隙或气泡在机械作用下的绝热压缩；炸药颗粒之间，炸药与杂质之间、炸药与容器壁之间发生摩擦而生热；液态炸药（或低熔点炸药）高速黏性流动加热；超声振动、高能粒子（电子、α粒子、中子等）轰击、静电放电、强光辐射、晶体成长中的内应力等。473.6.1炸药起爆的热点学说3、热点成长为爆炸的条件只有当形成的热点满足一定条件，即具有足够大的尺寸、足够高的温度和放出足够的热量时，才能逐渐发展而使整个炸药爆炸。研究表明，一般炸药热点要具备以下条件才能成长为爆炸：（1）热点温度：300～600度；（2）热点半径：10-3cm～10-5cm；（3）热点作用时间：10-7s以上；（4）热点所具有的热量：10-8J～10-10J。483.6.1炸药起爆的热点学说4、热点的成长过程热点形成和发展过程可分成以下几个阶段。（1）热点形成阶段。（2）由热点向周围着火燃烧阶段（快速燃烧过程）。（3）由快速燃烧转变为低速爆轰。（4）由低速爆轰转为高速爆轰。

注：热点成长不一定必须经历以上四个阶段，如叠氮化铅的爆轰成长过程不存在燃烧阶段。493.6.2炸药的机械感度503.6.2炸药的机械感度炸药的机械感度是指在机械作用下发生爆炸的难易程度。炸药在生产、运输、使用时，不可避免地要发生一些机械撞击、摩擦、挤压等作用。在这些作用下，炸药是否会发生爆炸，怎样才能保证炸药生产、运输和使用过程中的安全，是研究机械感度的目的。按机械作用的形式，炸药的机械感度包括：撞击感度、摩擦感度和针刺感度。51一、炸药撞击感度52一、炸药撞击感度1、撞击感度测定装置常见测定炸药撞击感度的仪器是立式落锤仪。这种落锤仪的结构如图6-7所示。它有两个固定的相互平行的立式导轨，重锤在导轨之间自由上下滑动，重锤可通过钢抓调整高度。锤的质量分2kg、5kg、10kg和20kg。重锤下落后，由火花、烟雾或声响判断炸药是否发生爆炸。53一、炸药撞击感度图6-7立式落锤仪

54一、炸药撞击感度2、撞击感度的表示方法与实验测定用立式落锤仪测定炸药的感度，主要有以下几种表示方法：（1）爆炸百分数法它是在一定落锤质量和一定落高下撞击炸药，以发生爆炸的百分数表示。最常用的实验条件为落锤质量10kg，落高25cm，药量为0.05±0.001g，一组25次，计算其爆炸百分数。55一、炸药撞击感度（2）上下限法爆炸感度的上限是指100％爆炸的最小落高H100，下限是指100％不爆炸的最大落高H0。实验测定撞击感度的上下限时，采用质量一定的落锤，改变落高，平行实验一般为10次。从安全角度出发，一般参考下限。56一、炸药撞击感度（3）特性落高法50％爆炸的落高称为特性落高H50。有些情况下，可采用H50表示炸药的撞击感度。对特性落高H50，可根据数理统计中的“阶梯法”，作20次试验，用下式计算求得：

……(1a)或……(1b)57一、炸药撞击感度式中，A——20次试验中最低落高（cm）；

B——试验间距（cm）；

D——20次试验中发生爆炸的次数；

D’——20次试验中不发生爆炸的次数；

i——落高水平序数，从0，1,…,i；

Ci——在某一落高中发生爆炸的次数；

C’i——在某一落高中不发生爆炸的次数。58一、炸药撞击感度【例】某试验阶梯表如表6-1所示，该表按落高大小排列阶梯式次序。由前一个试验结果来确定后一试验所需的落高大小，如果前一次试验不炸，则后一次试验落高提高一级。如果前一次试验炸，则后一次试验落高降低一级。此试验按这种方式连续进行到一预定次数为止。59一、炸药撞击感度表6-1落高阶梯表60一、炸药撞击感度对上述试验结果进行处理，见表6-2所示。表6-2试验结果处理61一、炸药撞击感度还可以得到：A＝30cm，B＝5cm，

D＝10，D’＝10

，或62一、炸药撞击感度【作业】：根据落锤实验规则，填充下表（第2、5、8、10、14列），用“×”表示不炸，用“O”表示炸，并统计每个落高下的爆炸次数与不炸次数。计算H50的值。落高/cm1234567891011121314151617181920炸不炸25×30O××O×O×××35OOOOO4063二、炸药的摩擦感度64二、炸药的摩擦感度一定量的炸药试样受到一短暂而强烈的恒定机械摩擦功的作用，观察是否发生爆炸（含燃烧、分解），以爆炸百分率比表示摩擦感度值。手榴弹中的拉火管是靠摩擦发火的。试验在国产WM－1型摆式摩擦仪上进行。如图6-8所示。65二、炸药的摩擦感度图6-8摩擦感度测定仪66二、炸药的摩擦感度试验条件为：摆锤质量为1500±1.5g，摆角900；表压为4MPa；滑柱移动距离为1.5～2mm，单质炸药试样质量为20mg，混合炸药试样为30mg。试验前用精制特屈儿对仪器进行标定，标定值为12±8％。67三、炸药对枪击的感度68三、炸药对枪击的感度当炸药在运输或使用过程中受到意外枪击时，其安全性可用枪击感度来评价。枪击感度用来表示炸药对子弹或破片撞击的敏感性。用于枪击试验的样品和试验场地布置如图6-9所示。69三、炸药对枪击的感度图6-9枪击感度试验70三、炸药对枪击的感度样品：Ф50×76mm。场地：距样品27m处用枪射击（56式7.62mm半自动步枪或12.7mm机枪）；距样品3m处放置传感器，测定样品爆炸冲击波超压。每组试验为6～10发。71四、苏珊试验72四、苏珊试验苏珊（Susan)试验是一种弹丸撞击感度试验。主要模拟固体炸药在高速碰撞时的安全性能。苏珊试验弹如图6-10所示。弹质量5.44kg，口径Ф82mm，装药质量320～400g。73四、苏珊试验图6-10苏珊试验弹74四、苏珊试验用炮将苏珊弹发射出炮口，并在弹丸飞行的正前方3.7m处垂直竖立一装甲靶板。弹丸撞靶后，顶端铝帽发生破裂，弹内装药受到冲击、挤压及摩擦等因素的作用，可能引起点火，甚至成长为爆轰。通过光电系统可以测量弹丸的飞行速度；通过高速摄影可详细记录弹丸的着靶姿态以及撞靶后挤压变形甚至点火爆炸的过程；通过数据采集系统可以测量炸药爆炸后形成的空气冲击波超压。75五、惯性力感度76五、惯性力感度加速、减速过程，炸药将受到很大的惯性力作用。在装药截面上会产生一定的应力。当应力的大小超过炸药装药所能承受的数值时，就可能引起爆炸。一般采用临界应力来表征炸药对惯性力的感度。炸药100％不发生膛炸和早炸时所能承受的最大应力叫做炸药的临界应力。77五、惯性力感度炸药的临界应力通常通过模拟炮弹进行射击试验测出。发射时炸药是否发生爆炸取决于临界应力与最大应力之间的关系。如果最大应力超过炸药的临界应力，则可能发生爆炸，如果最大应力小于临界应力，一般不会发生爆炸。在设计时，一般要求所使用的应力（即许用应力）必须大大低于临界应力，一般取786.4冲击波起爆机理796.4冲击波起爆机理一种炸药爆炸后产生的冲击波通过某一介质起爆另一炸药。如：引信的传爆药柱爆炸后往往经过金属管壳、纸垫或空气隙引爆主装药；聚能装药中用隔板来调整波形。殉爆。从起爆机理上看，均质炸药和非均质炸药的冲击起爆机理是不同的。806.4.1均质炸药的冲击起爆816.4.1均质炸药的冲击起爆所谓均质炸药是指物理结构非常均匀，具有均一的物理与力学性质的炸药，如液态硝基甲烷、溶化的TNT、RDX和太安炸药的单晶均属于均质炸药。研究表明，对于这类炸药，在冲击波进入炸药后，在波阵面后首先受到冲击的一层炸药整体被加热，激发爆轰化学反应，形成超高速爆轰波，该超速爆轰波赶上初始的入射冲击波后在未受冲击的炸药中发展成稳定的爆轰。826.4.1均质炸药的冲击起爆这种冲击起爆模型最早是由Campbell等学者在实验观察基础上提出来的。实验装置如图1所示。典型的照片如图2所示。图1冲击起爆液体均质炸药的实验装置图2硝基甲烷引爆发光扫描照片836.4.1均质炸药的冲击起爆846.4.1均质炸药的冲击起爆t冲击波微元轨迹化学反应冲击波实测平均爆速Xt1t2856.4.1均质炸药的冲击起爆Capbell等人发现，起爆的延迟时间，起爆发生的位置受到初始冲击波强度、炸药初温、隔板厚度及表面粗糙度的影响。如冲击压力由8.6GPa增加到8.9GPa时，起爆延迟时间由2.26us减小到1.74us；硝基甲烷的初始温度由1.6度增加到26.8度时，延迟时间由5.0us缩短到1.8us。866.4.1均质炸药的冲击起爆起爆深度：是指炸药中出现爆轰点的位置距隔板－炸药分界面的距离，它与初始冲击波强度、隔板厚度及隔板粗糙度有关。临界起爆压力：当入射压力低于某一临界值时，被发炸药将不能被起爆，此压力称之为炸药的临界起爆压力，用Pc来表示。87886.4.2非均质炸药的冲击起爆896.4.2非均质炸药的冲击起爆1.非均质炸药冲击起爆的现象及特点所谓非均质炸药是指炸药在浇铸、结晶过程或压装过程所引起的炸药物理结构的不均匀性，如气泡、缩孔、裂纹、粗结晶、密度不均匀以及由于种种原因在炸药中混入杂质等。实验研究表明，非均匀炸药冲击起爆现象特点就是起爆从受冲击炸药中的某些局部高温区——即所谓“热点”处开始。906.4.2非均质炸药的冲击起爆热点形成的原因：1、在有气泡或缩孔的部位，由于冲击绝热压缩作用而形成很高的温度，形成热点；2、在强冲击下炸药晶粒间，炸药晶粒与硬质杂质间会发生急烈的摩擦，从而形成热点；3、缩孔或较大空穴处在冲击作用下发生的高速塌陷，或由于高速粘塑性形变而引起的粘性流动、局部绝热剪切和断裂破坏，以及冲击加载时发生的相变等。916.4.2非均质炸药的冲击起爆美国学者Campbell等人在1961年做了气泡冲击压缩形成热点的实验，在硝基甲烷液体中加入不同尺寸的氩气泡。如图3所示。图3926.4.2非均质炸药的冲击起爆还用钨或塑料的小圆柱体代替气泡做了冲击起爆实验，发现也能成为起爆中心，如图4所示。图4936.4.2非均质炸药的冲击起爆前苏联的科学家在1963年用电磁传感器测隔板－炸药分界面运动速度的变化来判断被发炸药是否起爆。946.4.2非均质炸药的冲击起爆前苏联科学家在研究分析实验结果的基础上，得出均质炸药与非均质炸药的冲击起爆有很大的不同：（1）在均质炸药中，初始冲击波的速度是恒定的或随时间而略为降低。而在非均质炸药中，相应的波在它整个传播过程中是加速的。（2）在均相炸药中，到高速爆轰的过渡是很突然的，在非均相炸药中，此过渡没有这样突然。956.4.2非均质炸药的冲击起爆（3）均质炸药起爆所需的冲击波压力要比非均质炸药高得多。（4）均质炸药中观察到起爆发生在隔板－炸药的分界面处，而压装的非均质炸药中激发爆轰的地点往往在冲击波阵面及其附近，具有较短的起爆延迟时间。966.4.2非均质炸药的冲击起爆（5）在均相炸药中，直到起爆开始之前，初始冲击波后面的物质基本上不导电。在非均相炸药中，初始冲击波阵面后的物质是完全导电的，并且过渡到高速爆轰时，变得更明显。（6）在均相炸药中，起爆过程对于初温的变化或冲击波压力的变化比在非均相炸药中敏感。976.4.2非均质炸药的冲击起爆2.非均质炸药冲击起爆的机理——“热点