蜂窩型低爆速乳化炸藥的制備及應(yīng)用

李雪交，繆廣紅,楊 明，汪 泉，馬宏昊，沈兆武，黃文堯，畢志雄

(1. 安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué)力學(xué)與光電物理學(xué)院，安徽 淮南 232001；3.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系材料力學(xué)行為和設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 232007)

引 言

爆速是金屬爆炸焊接的重要工藝參數(shù)，一般采用低爆速炸藥作為焊接炸藥，炸藥的稀釋劑通過阻礙爆轟波傳播、減小炸藥能量密度等方式降低爆速，可用于管、板、棒、箔材的爆炸復(fù)合[1-4]。

目前國(guó)內(nèi)常采用膨化硝銨炸藥、改性銨油炸藥、粉狀乳化炸藥為基制備爆炸焊接炸藥[5-8]。但粉狀硝銨炸藥存在吸濕性強(qiáng)、密度不均等缺點(diǎn)，使得爆轟波傳播不穩(wěn)定，造成復(fù)合材料界面結(jié)合不均勻。由于炸藥的臨界直徑較大，有時(shí)端部炸藥無法完全起爆。Gülenc等[9]采用Elbar-5炸藥(硝酸銨、柴油、梯恩梯質(zhì)量比為92∶5∶3)進(jìn)行了Al/Al爆炸焊接；Fronczek等[10]采用銨油炸藥進(jìn)行了A1050鋁合金與AZ31鎂合金的爆炸焊接；王勇等[11]采用質(zhì)量比為94.5∶5.5的膨化硝銨與柴油，通過調(diào)節(jié)稀釋劑的含量，制備了爆炸焊接用低爆速銨油炸藥。

本實(shí)驗(yàn)通過改變玻璃微球尺寸與含量，研究其對(duì)乳化炸藥密度和爆速的影響，然后采用乳化炸藥填充蜂窩板孔隙，制備了蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥，探究了蜂窩結(jié)構(gòu)對(duì)乳化炸藥臨界直徑和爆速的影響，為研制適用于金屬板材爆炸焊接的蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 樣品及儀器

乳化基質(zhì)和8號(hào)導(dǎo)爆管雷管，安徽省淮南舜泰化工有限公司，乳化基質(zhì)由硝酸銨、硝酸鈉、水、石蠟、司盤-80和柴油組成，其質(zhì)量比為73∶10∶10∶4∶2∶1；空心玻璃微球，浙江海岳新材料股份有限公司，粒徑分別為5～100μm和70～200μm，壁厚為1～2μm，其密度分別為0.25和0.13g/cm3；鋁蜂窩板，佛山市商美復(fù)合材料有限公司，厚度為50μm，蜂窩孔隙邊長(zhǎng)為8mm；T2銅，尺寸為2mm×150mm×300mm，佛山市華儒銅業(yè)有限公司；Q235鋼，尺寸為20mm×150mm×300mm，上海浩程金屬材料有限公司。

2BS-110型數(shù)字測(cè)試儀，南京理工大學(xué)；Axio Imager A1mLeica金相顯微鏡，德國(guó)Carl Zeiss公司；不銹鋼密度杯，南京順來達(dá)測(cè)控設(shè)備有限公司； BSA124S 電子天平，德國(guó)Sartorius公司。

1.2 樣品制備

將粒徑分別為5～100μm和70～200μm的玻璃微球加入乳化基質(zhì)中，于60℃恒溫?cái)嚢?，混合均勻后冷卻至常溫，制備了10種玻璃微球含量的乳化炸藥，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、2%、3%、5%、7%、15%、25%、30%、35%和40%。

選取粒徑為5～100μm的玻璃微球，制備質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的乳化炸藥。利用鋁蜂窩板作為藥框，然后將制備的乳化炸藥填滿蜂窩板孔隙，得到銅/鋼爆炸焊接的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)乳化炸藥，如圖1所示。

圖1 鋁蜂窩結(jié)構(gòu)乳化炸藥Fig.1 Aluminum honeycomb emulsion explosive

1.3 性能測(cè)試

采用數(shù)字測(cè)試儀測(cè)量乳化炸藥的爆速，探針間距為50mm；采用密度杯測(cè)量炸藥密度，體積為100mL；采用金相顯微鏡分析復(fù)合板界面微觀形貌，目鏡、物鏡倍數(shù)分別為10倍和50倍。

1.4 銅/鋼爆炸焊接實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用T2銅板和Q235鋼板分別作為爆炸焊接的覆層與基層。采用爆速為2483m/s的乳化炸藥制備蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥，將其平鋪在覆層表面后，進(jìn)行銅/鋼爆炸焊接，爆炸焊接裝置采用平行安裝結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 銅/鋼爆炸復(fù)合裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of copper/steel explosive welding set-up

2 結(jié)果與討論

2.1 玻璃微球含量對(duì)乳化炸藥形貌的影響

為研究不同尺寸玻璃微球含量對(duì)乳化炸藥形貌的影響，選取2種尺寸(粒徑分別為5～100μm、70～200μm)、3種質(zhì)量分?jǐn)?shù)(5%、15%、25%)玻璃微球的乳化炸藥形貌進(jìn)行觀察，如圖3所示。

由圖3可知，乳化基質(zhì)由連續(xù)相向非連續(xù)相過渡。玻璃微球含量較小時(shí)，玻璃微球被乳化基質(zhì)完全包覆，炸藥呈乳膠狀。玻璃微球隨著含量的增加過渡為包覆乳化基質(zhì)，乳化炸藥形貌呈粉末狀。對(duì)比圖3(c)、(d)、(e)和(f)可知，當(dāng)玻璃微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，大尺寸(粒徑為70～200μm)炸藥的邊緣處玻璃微球與乳化基質(zhì)結(jié)合良好，而小尺寸(粒徑為5～100μm)炸藥的邊緣處出現(xiàn)開裂。當(dāng)玻璃微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，大尺寸玻璃微球的炸藥邊緣開始出現(xiàn)開裂，而小尺寸玻璃微球炸藥的形貌已呈粉末狀。對(duì)于含量相同的玻璃微球，小尺寸玻璃微球顆粒比大尺寸的多，所以乳化炸藥形貌呈粉末狀所需小尺寸的玻璃微球含量比大尺寸的要少。

圖3 不同尺寸玻璃微球含量的乳化炸藥形貌Fig.3 Emulsion explosive morphology of glass microspheres with different contents and sizes

2.2 玻璃微球含量對(duì)乳化炸藥密度與爆速的影響

為探究玻璃微球含量對(duì)乳化炸藥密度與爆速的影響，采用2種尺寸(粒徑分別為5～100μm、70～200μm)玻璃微球，分別測(cè)量10種質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%、2%、3%、5%、7%、15%、25%、30%、35%、40%)玻璃微球的乳化炸藥密度和爆速。

2.2.1 對(duì)乳化炸藥密度的影響

不同尺寸玻璃微球含量的乳化炸藥密度見表1。

表1 不同尺寸玻璃微球含量的乳化炸藥密度Table 1 Density of emulsion explosive with different contents of glass microsphere

注:w為炸藥含量；d為玻璃微球粒徑；ρ為炸藥密度。

根據(jù)表1得到乳化炸藥密度隨不同尺寸玻璃微球含量的變化關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 乳化炸藥密度與不同尺寸玻璃微球含量的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curves of density of emulsion explosive and glass microsphere content with different sizes

由圖4可知，乳化炸藥密度隨著玻璃微球含量的增大而減小。玻璃微球含量相同的乳化炸藥，小尺寸(粒徑為5～100μm)玻璃微球的炸藥密度均比大尺寸(粒徑為70～200μm)玻璃微球的大。玻璃微球含量相同時(shí)，小尺寸玻璃微球的乳化炸藥體積比大尺寸玻璃微球的小，所以含小尺寸玻璃微球的乳化炸藥密度比大尺寸玻璃微球的大。

2.2.2 對(duì)乳化炸藥爆速的影響

兩種尺寸下，不同玻璃微球含量的乳化炸藥爆速見表2。根據(jù)表2得到乳化炸藥爆速與不同尺寸玻璃微球含量的關(guān)系曲線，如圖5所示。

表2 不同尺寸玻璃微球含量的乳化炸藥爆速Table 2 Detonation velocity of emulsion explosive of glass microsphere with different contents

注:D為炸藥爆速。

圖5 乳化炸藥爆速與不同尺寸玻璃微球含量的關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve of detonation velocity of emulsion explosive and glass microsphere content with different sizes

由圖5可知，對(duì)于小尺寸(粒徑為5～100μm)的玻璃微球，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%時(shí)炸藥無法被起爆，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%時(shí)炸藥開始被引爆，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)的最大爆速為5087m/s，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時(shí)再次發(fā)生拒爆現(xiàn)象。而對(duì)于大尺寸(粒徑為70～200μm)的玻璃微球，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%和2%時(shí)乳化炸藥出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)開始被起爆，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)爆速達(dá)到最大，爆速為4935m/s，質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到40%時(shí)乳化炸藥發(fā)生拒爆現(xiàn)象。

當(dāng)玻璃微球含量較小時(shí)，乳化基質(zhì)完全將玻璃微球包覆起來，周圍的乳化基質(zhì)與玻璃微球受到雷管起爆能壓縮，產(chǎn)生的高溫不足以達(dá)到炸藥的爆發(fā)點(diǎn)。而且含量較低時(shí)，玻璃微球能夠形成的熱點(diǎn)較少，所以玻璃微球含量較小的乳化炸藥無法被起爆。

當(dāng)玻璃微球作為物理敏化劑，8號(hào)導(dǎo)爆管雷管作為起爆能量，雷管被引爆時(shí)，周圍乳化炸藥包含的玻璃微球受到壓縮，導(dǎo)致玻璃微球溫度迅速升高，達(dá)到炸藥爆發(fā)點(diǎn)，形成熱點(diǎn)被引爆，然后迅速擴(kuò)展到整個(gè)炸藥的爆炸。相同含量小尺寸的玻璃微球顆粒比大尺寸的多，能夠形成更多的熱點(diǎn)，所以玻璃微球作為敏化劑，8號(hào)導(dǎo)爆管雷管作為起爆能量引爆炸藥時(shí)，所需小尺寸玻璃微球含量比大尺寸的少。而且相比大尺寸玻璃微球，小尺寸玻璃微球包覆的氣體體積較小，受到壓縮后更容易達(dá)到炸藥爆發(fā)點(diǎn)，能夠形成的熱點(diǎn)比例和效率更高，小尺寸玻璃微球敏化的乳化炸藥最大爆速比大尺寸高。因此，小尺寸玻璃微球敏化效果比大尺寸的好。

炸藥爆速達(dá)到最大后，炸藥爆速隨著玻璃微球含量增加而減小。其中小尺寸的玻璃微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)從3%增至7%時(shí)，炸藥爆速隨著玻璃微球含量的增加而微降。由于含量較少時(shí)玻璃微球被乳化基質(zhì)完全包覆，爆轟波傳播基本未受影響，單位炸藥能量密度變化較小，所以乳化炸藥的爆速變化不大。

對(duì)于小尺寸的玻璃微球，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%～30%時(shí)，主要作為稀釋劑調(diào)節(jié)炸藥密度和爆速，炸藥爆速隨著玻璃微球含量增加而降低。由于乳化基質(zhì)過度被玻璃微球包覆，爆轟波的傳播受到阻礙，單位體積炸藥能量密度減小，所以炸藥爆速隨著玻璃微球含量增加迅速降低。當(dāng)玻璃微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%時(shí)，乳化基質(zhì)被玻璃微球完全包覆起來，在雷管起爆能作用下玻璃微球受到壓縮，形成的高溫被周圍無雷管感度的玻璃微球阻隔，難以作用在乳化炸藥上達(dá)到爆發(fā)點(diǎn)，從而導(dǎo)致拒爆現(xiàn)象的產(chǎn)生。

作為敏化劑，小尺寸玻璃微球的乳化炸藥最大爆速比大尺寸玻璃微球的高，表明小尺寸玻璃微球敏化效果比大尺寸的好。作為稀釋劑時(shí)，相同含量的玻璃微球，小尺寸玻璃微球的炸藥爆速比大尺寸的低，說明其調(diào)節(jié)爆速能力比大尺寸的強(qiáng)。

綜上所述，小尺寸(粒徑為5～100μm)玻璃微球敏化及調(diào)節(jié)爆速效果均比大尺寸(粒徑為70～200μm)的好。

3 鋁蜂窩結(jié)構(gòu)乳化炸藥的臨界厚度

爆炸焊接專用炸藥一般采用低爆速炸藥，為得到乳化炸藥以及鋁蜂窩結(jié)構(gòu)乳化炸藥的臨界厚度和爆速，分別選用4種不同厚度的炸藥進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，填充鋁蜂窩板的低爆速乳化炸藥平均爆速為2483m/s，其臨界厚度為18mm，而鋁蜂窩結(jié)構(gòu)炸藥的平均爆速為2530.5m/s，其臨界厚度為9mm。蜂窩孔的各向約束可提高乳化炸藥的傳爆能力，降低炸藥臨界厚度，炸藥爆速也有所提高。由于蜂窩結(jié)構(gòu)孔隙的各向約束作用，而且蜂窩結(jié)構(gòu)材質(zhì)為鋁合金，使得炸藥爆炸時(shí)其作為高能燃料參與反應(yīng)，所以鋁蜂窩板可降低乳化炸藥的臨界直徑。

表3 乳化炸藥和鋁蜂窩結(jié)構(gòu)乳化炸藥的臨界厚度及爆速Table 3 Critical thickness and detonation velocity of emulsion explosive and aluminum honeycomb structure emulsion explosive

注:h為炸藥厚度。

4 銅/鋼爆炸焊接應(yīng)用

4.1 爆炸焊接參數(shù)

爆炸焊接存在可焊性窗口，在此窗口內(nèi)均可獲得良好的結(jié)合質(zhì)量。用于銅/鋼金屬爆炸焊接初始參數(shù)分別為：炸藥密度為0.77g/cm3；單位面積藥質(zhì)量為1.73g/cm2；炸藥爆速為2483m/s；炸藥厚度為23mm。

4.2 銅/鋼復(fù)合板金相組織

為研究銅/鋼復(fù)合板界面結(jié)合性能，采用金相顯微鏡進(jìn)行微觀形貌觀察，如圖6所示。

圖6 銅/鋼爆炸焊接復(fù)合板界面微觀形貌Fig.6 Micromorphology at the interface of copper/steel explosive welding clad plate

由圖6可知，銅/鋼界面呈波狀結(jié)合，結(jié)合界面波長(zhǎng)為80～120μm，波幅為40～60μm。界面未出現(xiàn)縫隙、氣孔、裂紋等微觀缺陷。爆炸復(fù)合有3種結(jié)合形式：微波、小波和大波狀。界面呈小波狀結(jié)合，表明銅/鋼爆炸焊接復(fù)合板界面具有良好的結(jié)合性能。

5 結(jié) 論

(1)以乳化基質(zhì)為基，玻璃微球作為敏化劑和稀釋劑，鋁蜂窩板作為炸藥藥框，制備了鋁蜂窩結(jié)構(gòu)乳化炸藥。隨著玻璃微球含量的增加，乳化炸藥的宏觀形貌從乳膠狀變?yōu)榉勰睢?/p>

(2)小尺寸(粒徑為5～100μm)玻璃微球敏化和稀釋效果均比大尺寸(粒徑為70～200μm)的好，作為敏化劑時(shí)，小尺寸玻璃微球(質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%)的乳化炸藥最高爆速比大尺寸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%)的微大；作為稀釋劑時(shí)，乳化炸藥爆速和密度均隨玻璃微球含量增加而降低。

(3) 平均爆速為2530.5m/s的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)乳化炸藥臨界厚度為9mm，表明鋁蜂窩板可以降低乳化炸藥臨界直徑。

(4) 銅/鋼爆炸焊接界面呈小波狀，具有良好的結(jié)合質(zhì)量。

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