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炸药概论及基本理论

归档日期:08-21       文本归类:氮化铅      文章编辑:爱尚语录

  炸药技术概论 一、炸药概论及基本理论 1.1 炸药和爆炸 1.2 炸药的发展历程 1.3 炸药热分解通性 1.4 炸药的爆炸变化 1 一、炸药概论及基本理论 1.1 炸药和爆炸 1.2 炸药的发展历程 1.3 炸药热分解通性 1.4 炸药的爆炸变化 2 1.1 炸药和爆炸 ? 一、爆炸和化学爆炸特征 ? 爆炸是物质迅速的物理变化或化学变化。 ? ? 广义的爆炸过程包括爆轰及爆燃。 爆燃是燃速很高(可达1 km/s)的燃烧 3 1.1 炸药和爆炸 ? 爆炸一般分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸。 ? 炸药的爆炸则属于化学爆炸,此时化学反应能转变 为机械能、热能、光能、声能。 ? 炸药的化学爆炸有三个特征: ? ? ? (1)反应的放热性 (2)反应的高速性 (3)生成大量气体产物 4 1.1 炸药和爆炸 ? 二、炸药基本特征 ? 炸药是在外部激发能作用下,能发生爆炸并对周 围介质作功的化合物(单质炸药)或混合物(混合炸 药)。 ? (一)炸药基本特征 ? 炸药具有四个特点:高体积能量密度,自行活化 ,亚稳态,自供氧。 5 1.1 炸药和爆炸 6 1.1 炸药和爆炸 ? (二)爆炸性基团 7 1.1 炸药和爆炸 ? ? ? ? ? 三、对炸药的基本要求 (1)能量水平 (2)安全性能 (3)安定性和相容性 (4)装药工艺 ? ? (5)原材料及生产工艺 (6)生态和环境保护 8 1.1 炸药和爆炸 ? 四、炸药分类 ? 按化学组分可分为单质炸药(单组分炸药)和混合炸药 ? 按应用领域可分为军用炸药和工业炸药。 ? 按作用方式可将广义的炸药分为猛炸药、起爆药、火 药及烟火剂 ? 但通常称谓的炸药有时仅指猛炸药(也称高级炸药、 次发炸药或第二炸药)。 9 1.1 炸药和爆炸 ? (一)单质炸药 单质炸药分子含有爆炸性基团,其中最重要的有 C—N02,N—NO2及O—N02三种。 ? (二)混合炸药 混合炸药常由单质炸药和添加剂或由氧化剂、 可燃剂和添加剂按适当比例混制而成。 ? ? 1.军用混合炸药 2.民用混合炸药 10 1.1 炸药和爆炸 ? (三)起爆药 ? 在较弱外部激发能作用下,即可发生燃烧,并能 迅速转变成爆轰的炸药称为起爆药。 ? 1.单质起爆药 ? 2.混合起爆药 ? 3.复盐起爆药 ? 4.配位化合物起爆药 11 一、炸药概论及基本理论 1.1 炸药和爆炸 1.2 炸药的发展历程 1.3 炸药热分解通性 1.4 炸药的爆炸变化 12 1.2 炸药的发展历程 ? 从中国有正式可考的黑火药文字记载算起,炸药已 有一千多年的历史,它的发展可分为四个时期: ? ①黑火药时期; ? ②近代炸药的兴起和发展时期; ? ③炸药品种增加和综合性能不断提高时期; ? ④炸药发展的新时期。 13 1.2 炸药的发展历程 ? 20世纪90年代研制的炸药是与“高能量密度材料 (HEDM)”这一概念相联系的。 ? 1987年美国的A.T· 尼尔逊(Nielsen)合成出了六硝 基六氮杂异伍兹烷(HNIW),英、法等国也很快掌握 了合成HNIW的方法。 ? 1994年,中国也合成出了HNIW,成为当今世界上能 生产HNIW的少数几个国家之一。 14 1.2 炸药的发展历程 ? 在这一时期合成出的高能量密度化合物还有八硝 基立方烷(ONC)、1,3,3—三硝基氮杂环丁烷 (TNAZ)及二硝酰胺铵(ADN)。 ? 另外,美国于20世纪90年代开始研制以HNIW为基 的高聚物黏结炸药,其中的RX—39—AA、AB及AC ,相当于以奥克托今为基的LX—14系列高聚物黏 结炸药,可使能量输出增加约15%。 15 一、炸药概论及基本理论 1.1 炸药和爆炸 1.2 炸药的发展历程 1.3 炸药热分解通性 1.4 炸药的爆炸变化 16 1.3 炸药热分解通性 ? 一、炸药热分解的一般规律 ? 通常把炸药的热分解分为三个阶段。 ? (1)热分解的延滞期 ? (2)热分解的加速期 ? (3)热分解降速期 ? 炸药的起始热分解速度只受温度的影响。 每种炸药在固定温度下的起始热分解速度是 定值,且可用阿累尼乌斯(Arrhenius)方程 式。 17 1.3 炸药热分解通性 ? 二、炸药热分解的初始反应 ? 初始反应是炸药热分解的开始阶段,是炸药分子 发生键断裂的最早步骤。 ? 气态炸药的初始反应,可认为是分子中最薄弱的 键首先断裂。例如对于硝酸酯来说,首先是发生 O—N键的断裂。 18 1.3 炸药热分解通性 三硝基氮杂环丁烷(硝胺—硝基化合物) 19 1.3 炸药热分解通性 ?对于凝聚态炸药,由于分子结构的复杂及分子间的 相互作用,最薄弱的键不一定是计算键能最小的键。 ?例如,对某些结构复杂的硝基苯的烷基衍生物: 20 1.3 炸药热分解通性 ? 不同相态炸药分子的热分解速度是不同的 21 1.3 炸药热分解通性 ? 三、炸药热分解的二次反应 ? 有些热分解初始反应产物(如N02)相当活泼,可 以继续和分解形成的其他产物或者炸药本身相互作 用,这类后续反应统称为热分解的二次反应。 二次反应很复杂,由多元反应组成,它们可以是 氧化反应、水解反应、催化反应等。 ? ? 硝酸酯热分解的二次反应: ? 三硝基氮杂环丁烷的二次反应: 22 硝酸酯热分解的二次反应 23 三硝基氮杂环丁烷的二次反应 24 1.3 炸药热分解通性 ? 由于二次反应的复杂性,很难确定其动力学规 律,通常只能笼统地用简化了的唯象动力学方 程表示,且这类反应一般具有自催化性质。 ? 二次反应与一些环境条件有关,不完全由炸药 本质所决定。 25 1.3 炸药热分解通性 ? 四、炸药热分解的加速历程 ? 炸药的热分解过程,如单质炸药的热分解,其 初始反应速度只随炸药本身性质(如化学结构、晶 型、相态及颗粒等)和环境温度而改变。 ? 在一定温度下,加速历程决定炸药最大可能的 热安定性。 ? 二次反应与外界条件有关,所以在一定范围和 条件下,可以人为控制热分解的加速历程,以提 高炸药的安全性。 26 1.3 炸药热分解通性 ? 自动加速反应的历程一般是比较复杂的,基本类型 如下: ? ? ? (1)热积累自动加速 (2)自催化加速 (3)自由基链加速 ? (4)局部化学反应加速 27 一、炸药概论及基本理论 1.1 炸药和爆炸 1.2 炸药的发展历程 1.3 炸药热分解通性 1.4 炸药的爆炸变化 28 1.4 炸药的爆炸变化 ? ? 炸药爆炸变化有燃烧和爆轰两种典型形式。 炸药的燃烧是一种猛烈的物理化学变化,反应区 沿炸药表面法线方向传播的速度称为燃速,一般在 几毫米至数百米每秒,且随外界压力的升高而显著 增加。 炸药的爆轰是以爆轰波形式沿炸药高速自行传播 的现象,速度一般在数百米到数千米每秒,且传播 速度受外界条件的影响很小。 29 ? 1.4 炸药的爆炸变化 ? 一、引燃 ? 引燃是燃烧的起始阶段。凝聚炸药的引燃,系在外 界热源作用下,表面温度升高,高温又逐步向系统 内部传递,形成厚度为hh的加热层。 ? 引燃的基础参量(略) 30 1.4 炸药的爆炸变化 ? 二、燃烧 ? 炸药被引燃后,火焰向深层传播,使炸药燃烧。 以燃烧反应波的形式传播,反应区的能量通过热传 导、辐射及燃烧气体产物的扩散传人下层炸药。 影响炸药燃烧的主要因素是炸药的化学组成、导 热性、装药直径、密度、几何形状、孔隙性及环境 条件等。 ? 31 1.4 炸药的爆炸变化 ? ? (一)稳定燃烧与不稳定燃烧 在一定条件下,炸药的引燃可导致稳定燃烧,此 时燃速是稳定的,通常只与环境压力和温度有关, 不随燃烧过程而变化。简言之,即燃速不随过程变 化的燃烧,称为稳定燃烧。 炸药发生稳定燃烧时,在其表面层有一稳定的反 应区,并沿表面法线形成以某种规律表示的温度分 布曲线,该曲线以恒定速度沿炸药推移,燃烧乃层 层传递,平行传播。 32 ? 1.4 炸药的爆炸变化 33 1.4 炸药的爆炸变化 ? 如被燃烧的炸药柱具有密度低、多孔隙等特征,则 炸药燃烧产生的高温气体可向药柱孔隙内渗入,可 点燃孔隙深处的炸药,燃速发生不规则的变化,时 大时小,不再保持稳定的燃速,这就形成了不稳定 燃烧。 ? 炸药不稳定燃烧时,燃烧表面被强烈扭曲,燃烧表 面明显扩大,燃速大大增高。 ? 不稳定燃烧有两种发展可能,一是转变为热分解, 一是转变为低速爆轰或正常爆轰。 34 1.4 炸药的爆炸变化 ? 三、爆轰 ? 爆轰是炸药化学反应的最激烈形式,爆速可达几 千米每秒,爆压可达几十吉帕,爆温可达几千摄氏 度。爆轰时,炸药释放能量的速率也很快,因此可 产生很高功率。 高压、高温、高功率决定了炸药作功的强度。爆 轰反应是极其复杂的化学反应,它的传播具有波动 性质。可把爆轰的传播视为爆轰波的传播。 35 ? 1.4 炸药的爆炸变化 ? 爆轰波的传播与炸药装药的直径有关。 ? 装药爆速达到极大值时的最小直径称为极限直径, 爆速的极大值称为极限爆速。 ? 当装药直径小于某一临界值时,不可能稳定爆轰。 ? 能够传播稳定爆轰的最小装药直径称为临界直径, 对应于临界直径的爆速称为临界爆速。 36 1.4 炸药的爆炸变化 ? ? (一)爆轰变化方程 是计算炸药爆炸的五个特征量(爆速、爆压、爆 热、爆容和爆温)的基础和依据,是根据炸药爆轰 产物写出的。 爆轰产物的测定常在厚壁钢弹中进行。 产物成分的分析可采用化学吸收法或气相色谱 法,但所得的均为冷却后的爆轰产物组分。 ? ? 37 1.4 炸药的爆炸变化 ? ? 确定炸药的化学反应是一困难而又复杂的问题, 而得到的炸药反应方程也只能是近似的。 1.氧平衡 ? ? 氧平衡是指炸药中的氧用来完全氧化可燃元素以 后,单位质量炸药所多余或不足的氧量。 氧平衡说明炸药中含氧量的多少,与炸药的爆速 、爆压、爆热、作功能力都有密切的关系,是炸药 的一个重要参数。 38 1.4 炸药的爆炸变化 ? 对于通式CaHbOcNd的单质炸药: 39 1.4 炸药的爆炸变化 ? 2.爆轰变化方程的简化理论确定法 ? 对CaHbOcNd 类炸药,根据其含氧量的不同可分为三种 类型进行简化处理。 ? (1)第一类炸药 c≥(2a+b/2) ? (2)第二类炸药 (2a+b/2)c≥(a十b/2) ? (3)第三类炸药 c(a十b/2) 40 1.4 炸药的爆炸变化 ? 3.爆轰变化方程的经验确定法 ? (1)第一类炸药 ? (2)第二类炸药 ? (3)第三类炸药 41 1.4 炸药的爆炸变化 ? (二)爆轰的C-J理论 ? ? 爆轰过程的基本理论是爆轰流体力学理论。 19世纪末、20世纪初提出的气体爆轰流体力学理 论,其基本点是将爆轰波简化为含化学反应的一维 定常传播的强间断面,通常称为Chap-man-Jouguet 理论,简称C—J理论。 42 1.4 炸药的爆炸变化 ? 1.理论的基本假定 ? C—J理论考察平面一维理想爆轰波的稳定传播过 程,故假设: ? ①爆轰波阵面是一维平面波; ? ②爆轰波传播过程中无能量耗散; ? ③化学反应是瞬时完成的,且化学反应区中释放的 能量全部用来支持爆轰波的自行传播。 43 1.4 炸药的爆炸变化 44 1.4 炸药的爆炸变化 ? 按图1—12将坐标取在爆轰波面上,则爆轰波以爆 速(D)沿爆炸物向前运动,而反应区相对于该坐标 系的速度便等于零。 ? 由质量、动量及能量守恒可分别得: 45 1.4 炸药的爆炸变化 ? 还有一个爆轰产物的状态方程式: ? 爆轰波定型传播的条件,即所谓C—J条件,可提供 第五个状态方程。 ? 可求解的五个爆轰波参数 (p1、 、u1、T1及D1)。 46 1.4 炸药的爆炸变化 ? (三)凝聚炸药的爆轰理论 ? ? 1.凝聚炸药的爆轰反应机理 凝聚炸药的爆轰机理与炸药化学组成、物理状态 及爆轰条件等有关。人们曾提出了如下几种爆轰反 应机理。 (1)整体反应机理 在强冲击波的作用下,波阵 面上的炸药受到强烈的绝热压缩,炸药层各处均匀 地升温,因而化学反应在整个反应区内进行,故称 整体反应机理。 47 ? 1.4 炸药的爆炸变化 ? (2)表面反应机理 在冲击波的作用下,波阵面上的 炸药受到强烈压缩,而炸药层中的温升不均匀,化学 反应首先系从“起爆中心”开始,进而发展到整个炸 药层。由于起爆中心容易在颗粒表面及炸药中所含气 泡周围形成,故此机理称为表面反应机理。 ? (3)混合反应机理 此机理是非理想的混合炸药,特 别是固体混合炸药所特有的。这种反应不在整体炸药 内进行,而是在一些分界面上分阶段进行的。 48 1.4 炸药的爆炸变化 ? 2.爆轰产物的状态方程 ? ? ? 建立能正确描述凝聚炸药爆轰产物热力学行为的 状态方程是计算爆轰参数所必需的。 对凝聚态炸药,爆轰产物的高压、高温和高密度 已不适于采用理想气体状态方程。 建立爆轰产物状态方程,有三种代表性的模型。 49 1.4 炸药的爆炸变化 ? ? ? (1)固体模型 将爆轰产物近似看成是固态。 (2)气体模型 将爆轰产物视为线)液体模型 将爆轰产物视为液体,是介于气体 和固体之间的一种模型。 50 1.4 炸药的爆炸变化 ? (四)燃烧转爆轰 ? 燃烧和爆轰是两个本质不同的过程,但两者又互 有联系,在一定条件下,前者会转变为后者。 ? 凝聚炸药的燃烧转爆轰,是由于燃烧产物聚集, 使反应区压力不断增加,燃速也相应增加,当燃速 达某一临界值后,原来稳定均匀的燃烧可突跃地转 变为爆轰。 ? 凝聚炸药燃烧转爆轰经过顺层燃烧、对流燃烧、 低速爆轰和稳定爆轰四个阶段。 51 Thank You for Your Attention! 52

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