化學(xué)敏化的MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥抗動(dòng)壓和爆轟性能的研究

程揚(yáng)帆，程　堯，周淑清，張　增，曹　俊，沈兆武，汪　泉

(1.安徽理工大學(xué)彈藥工程與爆炸技術(shù)系，安徽 淮南 232001；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230027)

化學(xué)敏化的MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥抗動(dòng)壓和爆轟性能的研究

程揚(yáng)帆1，2，程堯1，周淑清1，張?jiān)?，曹俊1，沈兆武2，汪泉1

(1.安徽理工大學(xué)彈藥工程與爆炸技術(shù)系，安徽 淮南 232001；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥 230027)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)乳化炸藥在使用過程中存在的壓力減敏和爆炸威力低的問題，研制出化學(xué)敏化的MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥，并利用包覆MgH2的方法有效控制了炸藥的發(fā)泡過程。沖擊波動(dòng)壓減敏實(shí)驗(yàn)和水下爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與玻璃微球型乳化炸藥相比，MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的沖擊波峰值壓力、比沖擊波能和比氣泡能分別增加了20.5%、21.2%和34.7%，同時(shí)具有優(yōu)異的抗動(dòng)壓減敏性能和儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：乳化炸藥；壓力減敏；儲(chǔ)氫材料；爆炸威力；儲(chǔ)存穩(wěn)定性中圖分類號(hào)：TJ55；TD235.21；O38

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)01-0146-04

乳化炸藥是應(yīng)用廣泛的工業(yè)炸藥，具有優(yōu)良的抗水、環(huán)保、安全和雷管起爆感度[1]。然而，在實(shí)際應(yīng)用過程中也存在著一些問題，如：在延遲爆破和深水爆破中，乳化炸藥因“壓力減敏”作用而導(dǎo)致的半爆和拒爆現(xiàn)象；傳統(tǒng)乳化炸藥爆炸威力較低，破巖效果不理想。這些問題不僅影響了爆破效果，延緩了施工進(jìn)度，而且處理盲炮容易引發(fā)安全事故。因此，研究壓力減敏問題和高威力乳化炸藥具有重要意義。國(guó)內(nèi)外有關(guān)乳化炸藥壓力減敏問題的研究主要集中在影響因素的分析上[2-4]，但乳化炸藥的抗壓力減敏能力未得到顯著提高；現(xiàn)有高威力乳化炸藥通常含有猛炸藥、高氯酸鹽和高能燃料(如鋁粉)[5-7]，在提高乳化炸藥爆炸威力的同時(shí)也降低了乳化炸藥的安全性。為了改善乳化炸藥的性能，研制出了化學(xué)敏化的MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥[8]。該炸藥通過MgH2水解產(chǎn)生氫氣泡使其發(fā)生敏化，并采用石蠟?zāi)ぐ睲gH2的方法有效控制其發(fā)泡過程，同時(shí)MgH2作為含能材料可以提高炸藥的爆炸威力。利用沖擊波動(dòng)壓減敏實(shí)驗(yàn)和水下爆炸實(shí)驗(yàn)，研究了MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的抗動(dòng)壓減敏性能、爆轟性能以及儲(chǔ)存穩(wěn)定性，并與傳統(tǒng)乳化炸藥的性能進(jìn)行了對(duì)比。

1抗動(dòng)壓減敏性能

利用沖擊波動(dòng)壓減敏裝置，模擬延遲爆破中乳化炸藥因受到先起爆炸藥的動(dòng)壓載荷而發(fā)生的減敏現(xiàn)象，研究MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的抗動(dòng)壓減敏性能，并與傳統(tǒng)的玻璃微球型和NaNO2型乳化炸藥進(jìn)行了比較。

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

乳化炸藥的動(dòng)壓減敏裝置結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，通過引爆中心處的壓裝RDX產(chǎn)生沖擊波動(dòng)壓，對(duì)兩側(cè)的乳化炸藥進(jìn)行動(dòng)壓加載，得到不同距離處(不用沖擊強(qiáng)度)的受壓乳化炸藥樣品，然后將其在水下爆炸塔中引爆并測(cè)量沖擊波壓力時(shí)程曲線，水下爆炸測(cè)試系統(tǒng)如圖1(b)所示，詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹和實(shí)驗(yàn)方法見文獻(xiàn)[9]～[10]。

實(shí)驗(yàn)用MgH2的平均粒徑為20μm，與水反應(yīng)會(huì)生成H2，購(gòu)于阿法埃莎(中國(guó))化學(xué)有限公司；玻璃微球的平均粒徑為55μm，購(gòu)于美國(guó)3M公司；NaNO2購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乳化基質(zhì)的密度為1.31g/cm3。動(dòng)壓減敏實(shí)驗(yàn)中乳化炸藥的配方如表1所示，每個(gè)乳化炸藥樣品的質(zhì)量為30g，在水下爆炸測(cè)試系統(tǒng)中，受壓乳化炸藥與傳感器的距離為70cm。

1.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2分別為三種乳化炸藥不同距離受壓后，水下爆炸的沖擊波壓力時(shí)程曲線。隨著受壓距離的減小(沖擊強(qiáng)度增大)，三種乳化炸藥的壓力峰值都出現(xiàn)不同程度的降低，說(shuō)明動(dòng)壓加載對(duì)乳化炸藥的爆轟性能產(chǎn)生了影響。為了定量的描述動(dòng)壓減敏對(duì)乳化炸藥爆轟性能的影響程度，引入?yún)?shù)“減敏率”，計(jì)算方法見文獻(xiàn)[11]。減敏率越大，說(shuō)明乳化炸藥的動(dòng)壓減敏現(xiàn)象越嚴(yán)重，乳化炸藥的抗動(dòng)壓能力越弱。減敏率為100%時(shí)，表明受壓后的乳化炸藥拒爆，減敏率為0時(shí)，表明受壓后的乳化炸藥爆轟性能未受影響。

圖1　實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

由表2可知，當(dāng)受壓距離為25cm時(shí)，玻璃微球型乳化炸藥的減敏率為100%，炸藥拒爆，NaNO2型乳化炸藥的減敏率也高達(dá)88.12%，而MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的減敏率只有38.97%；當(dāng)受壓距離為50cm時(shí)，玻璃微球型和NaNO2型乳化炸藥的減敏率分別為79.82%和71.63%，MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的減敏率為12.11%；當(dāng)受壓距離為75cm時(shí)，玻璃微球型乳化炸藥的減敏率依然高達(dá)63.64%，NaNO2型乳化炸藥的減敏率降為15.59%，MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的減敏率為11.76%。三種乳化炸藥不同距離的減敏率表明，化學(xué)敏化的MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥抗動(dòng)壓減敏能力要遠(yuǎn)強(qiáng)于另外兩種乳化炸藥，NaNO2型乳化炸藥次之，玻璃微球型乳化炸藥的抗壓性最差。

圖2　不同距離受壓后乳化炸藥壓力時(shí)程曲線

2爆轟性能的研究

利用水下爆炸實(shí)驗(yàn)，對(duì)化學(xué)敏化的MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的作功能力進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(b)所示。為了更好的體現(xiàn)MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的爆轟性能，實(shí)驗(yàn)將其與玻璃微球型和玻璃微球-Al粉型乳化炸藥進(jìn)行了對(duì)比，炸藥配方見表3，每個(gè)樣品測(cè)3次。

表2　三種乳化炸藥不同距離受壓后的減敏率

表3　乳化炸藥的配方設(shè)計(jì)/%

2.1水下爆炸實(shí)驗(yàn)

水下爆炸實(shí)驗(yàn)中，乳化炸藥樣品的質(zhì)量為50g，距離傳感器的距離為150cm。圖3是三種乳化炸藥的水下爆炸沖擊波壓力時(shí)程曲線，MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的峰值壓力最高。通過水下爆炸計(jì)算公式[9]可以得到?jīng)_擊波的相關(guān)參數(shù)，P為壓力峰值，θ為衰減時(shí)間，I為比沖量，Es為比沖擊波能，Eb為比氣泡能，E為總能量，如表4所示。

圖3　三種乳化炸藥水下爆炸壓力時(shí)程曲線

由表4可知，與傳統(tǒng)玻璃微球型乳化炸藥相比，化學(xué)敏化的MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的沖擊波峰值壓力P、比沖擊波能Es和比氣泡能Eb分別增加了20.5%、21.2%和34.7%，其沖擊波總能量E提高了29.4%。

向乳化炸藥中添加鋁粉能夠提高爆熱并延緩沖擊波的衰減，提高乳化炸藥的作功能力[12]，與傳統(tǒng)玻璃微球型乳化炸藥相比，玻璃微球-Al粉型乳化炸藥的沖擊波衰減時(shí)間θ和沖擊波總能量E分別增加了17.8%和12.86%，但是爆壓卻減小了1.6%。

表4　乳化炸藥水下爆炸沖擊波參數(shù)

2.2分析與討論

水下爆炸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的沖擊波主要參數(shù)均優(yōu)于玻璃微球型和玻璃微球-Al粉型乳化炸藥。并且，由前期研究結(jié)果[10]可知，與鋁粉單純作為含能添加劑提高炸藥能量不同，MgH2的加入改變了乳化炸藥的爆轟方式，使其爆轟反應(yīng)程度大幅提高(傳統(tǒng)的乳化炸藥爆轟不完全)，是乳化炸藥爆轟性能改善的主要原因。因此，MgH2作為一種新型含能添加劑提高乳化炸藥爆炸威力，具有研究?jī)r(jià)值。

3儲(chǔ)存穩(wěn)定性的研究

MgH2是一種離子型氫化物，遇水會(huì)發(fā)生快速的水解反應(yīng)而生成H2，化學(xué)敏化的MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥就是利用該原理實(shí)現(xiàn)敏化。然而，在實(shí)際操作過程中發(fā)現(xiàn)，MgH2的發(fā)泡時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致敏化氣泡過大，從而影響其爆轟性能以及產(chǎn)生后效作用，影響其儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

3.1發(fā)泡過程的控制

通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在乳化基質(zhì)中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的MgH2，就足以起到敏化的作用，剩余的MgH2主要通過參與爆轟反應(yīng)來(lái)提高爆炸威力，因此可將不參與敏化反應(yīng)的MgH2包覆起來(lái)，使其不發(fā)生水解。利用溶膠-凝膠法制備出了石蠟?zāi)ぐ驳腗gH2，圖4是MgH2包覆前后的微觀結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出石蠟?zāi)つ軌驅(qū)崿F(xiàn)MgH2的均勻包覆。

為了驗(yàn)證石蠟?zāi)さ姆浪Ч瑢?duì)包覆后的MgH2防水性能進(jìn)行了測(cè)試。如圖5所示，未包覆的MgH2加入水中后會(huì)快速反應(yīng)形成乳濁液并放出大量的氣泡，而石蠟?zāi)ぐ驳腗gH2與水不發(fā)生反應(yīng)而懸浮于水面上，具有很好的防水性能。因此，可以將石蠟包覆的MgH2和未包覆的MgH2按比例與混合后加入乳化基質(zhì)中，從而達(dá)到既不影響MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥爆轟性能又能控制其發(fā)泡過程的目的。

圖4　MgH2的微觀結(jié)構(gòu)圖

圖5　MgH2的防水性能測(cè)試

3.2炸藥的儲(chǔ)存穩(wěn)定性

乳化炸藥是民用炸藥，與軍用炸藥不同，其從生產(chǎn)到使用時(shí)間間隔較短，一般不超過5個(gè)月。因此，可以通過測(cè)試MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥儲(chǔ)存5個(gè)月后爆轟性能變化情況，并與傳統(tǒng)玻璃微球型乳化炸藥進(jìn)行比較，研究其儲(chǔ)存穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)中MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的配方為乳化基質(zhì)∶MgH2=100∶2，其中未包覆的MgH2占炸藥質(zhì)量的0.5%，其余的MgH2經(jīng)石蠟?zāi)ぐ蔡幚?，玻璃微球型乳化炸藥的配方為乳化基質(zhì)∶玻璃微球=100∶2。炸藥樣品的質(zhì)量為30g，離傳感器的距離為70cm。圖6是兩種乳化炸藥儲(chǔ)存5個(gè)月前后水下爆炸壓力時(shí)程曲線，表5是兩種乳化炸藥儲(chǔ)存前后沖擊波壓力峰值的變化情況。

由表5可知，儲(chǔ)存5個(gè)月以后，傳統(tǒng)的玻璃微球型乳化炸藥的壓力峰值從14.1MPa降到9.7MPa，減小率高達(dá)31%；MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的壓力峰值降低了0.2MPa，只降低了1.2%，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的玻璃微球型乳化炸藥。因此，MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的儲(chǔ)存穩(wěn)定性符合要求。

圖6　乳化炸藥儲(chǔ)存前后沖擊波壓力時(shí)程曲線

表5　乳化炸藥儲(chǔ)存前后沖擊波壓力峰值變化

4結(jié)論

1)化學(xué)敏化的MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥具有優(yōu)異的抗動(dòng)壓減敏性能，在受到相同強(qiáng)度的沖擊波壓縮后，其減敏率遠(yuǎn)低于NaNO2型乳化炸藥和玻璃微球型乳化炸藥。

2)與傳統(tǒng)玻璃微球型乳化炸藥相比，化學(xué)敏化的MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的沖擊波峰值壓力、比沖擊波能 和比氣泡能分別增加了20.5%、21.2%和34.7%，MgH2作為一種新型含能添加劑具有研究?jī)r(jià)值。

3)利用石蠟?zāi)ぐ睲gH2的方法，能夠有效控制MgH2型儲(chǔ)氫乳化炸藥的發(fā)泡過程，并提高其儲(chǔ)存穩(wěn)定性。

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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

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào)：1150211；51374189)；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目資助(編號(hào)：KJ2015A074)；安徽理工大學(xué)博士基金項(xiàng)目資助；安徽理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目資助

作者簡(jiǎn)介：程揚(yáng)帆(1987-)，男，博士，講師，主要從事含能材料的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。E-mail：cyf518@mail.ustc.edu.cn。