含能微球敏化乳化炸藥水下爆炸能量輸出特性研究*

李雪交，吳 勇，王 琦，高玉剛，汪 泉，王奕鑫，馬宏昊

（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)能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001；3. 中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，安徽 淮北235000；4. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230027）

乳化炸藥因抗水性能和安全性能優(yōu)良、爆轟性能和貯存性能穩(wěn)定，以及綠色環(huán)保等特征，被應(yīng)用于各類工程爆破以及特種爆破中。隨著國(guó)內(nèi)外研發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，爆破領(lǐng)域?qū)ζ湫阅苌系男枨笤絹?lái)越多樣化，然而在工程應(yīng)用中依然存在諸多問題需要解決。乳化炸藥中10%左右的含水質(zhì)量提高了炸藥的安全性的同時(shí)，也降低了爆炸威力。優(yōu)化乳化炸藥的爆炸性能和改善爆破效果一直受到國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。Cheng 等在乳化炸藥中添加TiH來(lái)提高爆炸威力。錢海等探究了含鋁乳化炸藥的做功能力，研究表明鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%炸藥的爆炸性能最佳。陳海軍等將直徑8 μm 的鈦纖維引入炸藥以來(lái)改善炸藥爆炸的做功能力。

乳化炸藥主要組成包含乳化基質(zhì)與敏化劑。敏化劑會(huì)影響炸藥起爆感度和爆炸性能。當(dāng)雷管起爆時(shí)，沖擊波壓縮敏化氣泡形成熱點(diǎn)，隨后反應(yīng)在周圍炸藥介質(zhì)中增長(zhǎng)導(dǎo)致炸藥爆炸?；瘜W(xué)敏化劑在此過程中受到?jīng)_擊波作用會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)受損、氣泡析出等現(xiàn)象，影響炸藥爆炸性能。空心微球以其均勻的粒度分布、穩(wěn)定的抗壓性能、優(yōu)良的敏化效果，逐漸成為乳化炸藥理想的物理敏化劑。Fang 等探究玻璃微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)及粒徑大小對(duì)乳化炸藥爆炸性能的影響并調(diào)配出性能最優(yōu)的乳化炸藥配方。Wang 等分析儲(chǔ)氫玻璃微球?qū)θ榛ㄋ幮阅艿挠绊懖⑴c其他儲(chǔ)氣微球進(jìn)行對(duì)比。Yunoshev 等提出一種聚合物微球作為敏化劑添加到乳化基質(zhì)中，通過對(duì)其爆速及爆轟壓力的實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明該聚合物微球具有良好的物理敏化效果。

本文將一種新型含能微球作為物理敏化劑引入乳化基質(zhì)，利用水下爆炸實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)（0.2%～7%）乳化炸藥在不同距離（0.8～1.4 m）的壓力-時(shí)程曲線，通過分析水下爆炸性能參數(shù)（沖擊波峰值壓力、比氣泡能、比沖擊波能以及比爆炸能），探究含能微球?qū)θ榛ㄋ幍乃卤ㄐ阅苡绊?，為?yōu)化乳化炸藥配方及在爆破工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 微球熱膨脹

采用含能微球作為物理敏化劑，其外殼是熱塑性聚合物，內(nèi)部是低沸點(diǎn)烷烴類的高溫發(fā)泡微球，測(cè)得其燃燒熱為28 450 kJ/kg。將其放置在90 ℃恒溫環(huán)境中發(fā)泡5 min，微球快速膨脹，其平均直徑從15 μm增至70 μm，微球體積增大超過100 倍。含能微球發(fā)泡前后形貌如圖1 所示。

圖1 含能微球SEM 圖Fig. 1 SEM images of energitic microballoons

1.2 乳化炸藥制備

將硝酸銨、硝酸鈉以及水置于95 ℃恒溫下水解形成水相，石蠟置于85 ℃恒溫下熔化形成油相（主要成分為CH），然后在100 ℃下，將油相與水相在乳化劑Span-80（CHO）的乳化作用下攪拌均勻，冷卻后得到實(shí)驗(yàn)所用的乳化基質(zhì)，其組分如表1 所示。

表1 乳化基質(zhì)各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of compositions in emulsion matrix

以乳化基質(zhì)為基，將含能微球加入其中混合均勻，得到不同微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化炸藥。實(shí)驗(yàn)乳化炸藥質(zhì)量均為30 g，炸藥各組分及配比如表2 所示。

表2 不同含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化炸藥配比Table 2 Ratio of emulsion explosive with different energitic microballoon mass fractions

為探究含能微球?qū)θ榛ㄋ幮蚊驳挠绊?，選擇具有代表性的乳化炸藥進(jìn)行掃描電鏡觀察，其形貌如圖2所示。從圖2 可以看出：當(dāng)微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小時(shí)含能微球被乳化炸藥包覆，形貌呈乳化基質(zhì)的乳膠狀。當(dāng)含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至7%，炸藥由包覆微球轉(zhuǎn)變?yōu)楸晃⑶虬玻湫蚊渤蕡D2(b)所示粉末狀。

圖2 不同微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化炸藥微觀形貌Fig. 2 Microscopic morphology of emulsion explosive with different mass fraction of microballoon

1.3 水下爆炸系統(tǒng)

利用水下爆炸法測(cè)定炸藥能量輸出具有測(cè)量精確度高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。Barnes 等提出小型爆炸水池可以作為測(cè)試炸藥水下爆炸能量的一種新方式。因此，本實(shí)驗(yàn)在圓柱形的鋼制爆炸水池（?5 m×5 m）中進(jìn)行，如圖3 所示。實(shí)驗(yàn)裝置包括PCB 水下壓力傳感器（W138A25）、PCB 恒流源（482A22）、Tektronix 示波器（8064A）。為減小邊界對(duì)激波信號(hào)的影響，將球形藥包置于水下3 m 處。8#工業(yè)雷管作為起爆能量，研究表明8#工業(yè)雷管可充分起爆微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%～7%的乳化炸藥，其底部位于藥包中心。分別在離藥包中心0.8、1.0、1.2、1.4 m處放置壓力傳感器，測(cè)得4 個(gè)不同位置的水下沖擊波壓力-時(shí)程曲線。一次實(shí)驗(yàn)可以將兩個(gè)壓力傳感器安置在不同位置同時(shí)測(cè)量，每種炸藥做3 組平行試驗(yàn)。

圖3 水下爆炸系統(tǒng)示意Fig. 3 Schematic diagram of the underwater explosion system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

球形裝藥爆炸瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)樗聸_擊波和高溫高壓的爆炸產(chǎn)物。一部分能量以沖擊波形式在水介質(zhì)中傳播，另一部分能量使爆炸產(chǎn)物以氣泡脈動(dòng)形式繼續(xù)向外膨脹。因此，可以通過水下爆炸實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)炸藥的水下做功能力。本實(shí)驗(yàn)得到了不同含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化炸藥水下爆炸沖擊波壓力-時(shí)程曲線，其中距炸藥中心0.8 m 處的測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知，含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%乳化炸藥沖擊波峰值壓力最高，且隨著微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，沖擊波峰值壓力逐漸降低。在沖擊波壓力衰減階段，可以看出微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，炸藥水下沖擊波壓力衰減速度反而最快，此階段內(nèi)，隨著含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升，沖擊波壓力衰減速度整體上逐漸放緩。

圖4 水下爆炸壓力時(shí)程曲線Fig. 4 Underwater explosion pressure-time curves

結(jié)合乳化炸藥爆速來(lái)看（表3 和圖5），含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時(shí)，由于微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)過小，8#工業(yè)雷管起爆能很難直接作用到微球上形成熱點(diǎn)，從而出現(xiàn)拒爆現(xiàn)象。而微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，乳化基質(zhì)被含能微球充分敏化，炸藥爆速最高達(dá)到5150 m/s。當(dāng)微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.2%時(shí)，此時(shí)炸藥中的含能微球具有敏化劑和稀釋劑的雙重作用，使得單位質(zhì)量炸藥的能量降低，并且爆轟波在炸藥中的傳播受到阻礙，導(dǎo)致炸藥爆速會(huì)逐漸降低，但是衰減速度在變慢。當(dāng)微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到9%時(shí)，微球被炸藥中的基質(zhì)完全包覆，雷管起爆能難以直接作用到乳化基質(zhì)上，乳化炸藥再次拒爆。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含能微球作為一種含能物質(zhì)，會(huì)參與到炸藥的爆炸反應(yīng)中，延緩水下爆炸沖擊波的衰減速率，含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的乳化炸藥爆速最高。

圖5 不同微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)下乳化炸藥爆速Fig. 5 Detonation velocity of emulsion explosive with different mass fraction of microballoon

表3 不同微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)下乳化炸藥爆速Table 3 Detonation velocity of emulsion explosives with different mass fraction of microballoon

經(jīng)過處理分析不同微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化炸藥在各個(gè)位置水下爆炸壓力-時(shí)程曲線，得到其峰值壓力變化趨勢(shì)，如圖6 所示。

圖6 不同微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)乳化炸藥峰值壓力（pm）與距離（R）的關(guān)系Fig. 6 Changes of maximum pressure (pm) with distance (R) at different microballoon mass fractions in emulsion explosives

由圖6 可知，相同測(cè)量位置處，含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的乳化炸藥沖擊波峰值壓力最高。隨著微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升，乳化炸藥沖擊波峰值壓力呈逐漸衰減趨勢(shì)。相同含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化炸藥，其峰值壓力隨測(cè)量距離增加呈指數(shù)衰減趨勢(shì)。根據(jù)爆炸相似率，球形藥包水下爆炸沖擊波峰值壓力隨距離的衰減規(guī)律可表述為：

式中：為藥包質(zhì)量，為傳感器與藥包中心距離，、α 為待擬合系數(shù)。

將不同微球的乳化炸藥峰值壓力按照式(1)進(jìn)行擬合，由圖6 可知，其擬合效果較好。因此可以用式(1)估算出乳化炸藥在水下不同位置的峰值壓力。具體擬合系數(shù)如表4 所示。

表4 不同微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化炸藥壓力峰值擬合系數(shù)Table 4 Fit coefficient of pressure peak value of emulsion explosives with different mass fraction of microballoon

3 水下爆轟參數(shù)計(jì)算與分析

3.1 水下爆炸理論計(jì)算公式

水下爆炸比沖擊波能是炸藥爆炸能一部分，計(jì)算公式為：

3.2 水下爆炸試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表5 得到不同微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化炸藥在各測(cè)量位置處的能量輸出參數(shù)變化關(guān)系，如圖7、8、9 所示：

表5 乳化炸藥水下爆炸能量輸出參數(shù)Table 5 Parameters of underwater explosion energy of emulsion explosives

圖7 不同微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化炸藥的比沖擊波能（Es）與距離（R）的關(guān)系Fig. 7 Specific shock wave energy (Es) vary to distance (R) at different microballoon mass fractions of emulsion explosive

圖8 不同測(cè)距下的比氣泡能Eb 與微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系Fig. 8 Relation of specific bubble energy (Eb) and mass fraction of microballoon at different measuring distances

圖9 不同測(cè)距下比爆炸能Et 與微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系圖Fig. 9 Relation of specific explosion energy (Et) and mass fraction of microballoon at different measuring distances

由圖7 所示，相同微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，乳化炸藥比沖擊波能隨著沖擊波傳播距離增加未發(fā)生明顯變化。在相同測(cè)量距離處，隨著含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，乳化炸藥的比沖擊波能逐漸降低。含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)，炸藥比沖擊波能最大。隨著含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升，乳化炸藥能量密度下降明顯，比沖擊波能也隨之下降。如圖5 所示，隨沖擊波傳播距離增加，其峰值壓力逐漸降低，然而對(duì)比發(fā)現(xiàn)距離更遠(yuǎn)處的沖擊波壓力-時(shí)程曲線衰減速度會(huì)相對(duì)緩慢，如圖10 所示。因此，乳化炸藥的比沖擊波能基本不受傳播距離影響。

圖10 距離炸藥中心0.8 和1.0 m 處的壓力時(shí)程曲線Fig. 10 Pressure-time curves at 0.8 and 1.0 m from charge center

如圖8 所示，含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)乳化炸藥比氣泡能的影響明顯不同于比沖擊波能，炸藥氣泡脈動(dòng)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過炸藥爆炸所需的時(shí)間，這為含能微球發(fā)生二次反應(yīng)提供了充足條件。相同測(cè)量距離處，比氣泡能隨微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升先增大后下降。

距離藥包中心不同距離處，當(dāng)微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.2%增加到4%，乳化炸藥的比氣泡能開始隨著微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而逐漸上升。隨著微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，雖然炸藥能量密度下降，但是含能微球會(huì)參與到與爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)中，為氣泡脈動(dòng)提供的能量逐漸增加。當(dāng)微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大到4%時(shí)，比氣泡能最大，較含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的乳化炸藥提高了10.72%～11.34%，之后比氣泡能隨含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大開始下降。當(dāng)微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加至超過4%時(shí)，乳化基質(zhì)包覆于含能微球中，此時(shí)乳化炸藥的爆炸能量密度已大大下降，進(jìn)而影響炸藥能量的釋放，同時(shí)微球參與到爆轟產(chǎn)物反應(yīng)已達(dá)到上限。隨著微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步增加，不能繼續(xù)為氣泡脈動(dòng)提供更多能量，而炸藥能量密度繼續(xù)下降，比氣泡能開始降低。

如圖9 所示，相同微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乳化炸藥的比爆炸能不隨距離改變而發(fā)生明顯變化。相同位置處的比爆炸能隨著微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加整體呈下降趨勢(shì)。然而微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%和4%的乳化炸藥比爆炸能較為接近。相同質(zhì)量的乳化炸藥，含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的乳化炸藥比沖擊波能要比含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的乳化炸藥的稍大，然而含能微球會(huì)參與到與爆炸產(chǎn)物的二次反應(yīng)中，使得3%含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)乳化炸藥比氣泡能比含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的乳化炸藥的稍小，整體上含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的乳化炸藥比爆炸能與含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的乳化炸藥的較接近。

4 結(jié) 論

以乳化基質(zhì)為基，含能微球作為物理氣泡敏化劑，通過水下爆炸實(shí)驗(yàn)探究了含能微球?qū)θ榛ㄋ幩卤ㄐ阅艿挠绊?，得到的主要結(jié)論如下：

（1）炸藥水下爆炸比沖擊波能和比爆炸能受到微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響，隨著含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而降低，但是不受傳播距離的影響；而水下沖擊波峰值壓力受到微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)和傳播距離影響，隨著含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)和傳播距離的增大而降低；

（2）含能微球作為一種可燃添加劑會(huì)參與到與爆轟產(chǎn)物的二次反應(yīng)中，減慢沖擊波衰減速度以及增強(qiáng)氣泡脈動(dòng)，影響乳化炸藥水下爆炸能量輸出；隨著含能微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)的遞增，乳化炸藥比氣泡能先提高再降低，而比氣泡能則不受傳播距離影響；

（3）微球質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%～7%范圍內(nèi)，含能微球乳化炸藥沖擊波壓力衰減速度與其傳播距離呈負(fù)相關(guān)，距離越遠(yuǎn)，衰減越緩慢。