1-炸药与爆炸的基本理论

炸药和爆炸的基本概念炸药的氧平衡炸药的起爆和感度冲击波与爆轰波的基本知识炸药的热化学参数炸药的性能1炸药与爆炸的基本理论1.1炸药和爆炸的基本概念1.1.1爆炸的概念1.1.2爆炸现象及其分类1.1.3炸药的化学反应及其基本形式1.1.4炸药爆炸反应的三要素1.1.5炸药产品及其分类1炸药与爆炸的基本理论1.1炸药和爆炸的基本概念1.1.1概念---什么是爆炸爆炸（explosion）是一种现象，其基本特征是物质的能量急剧释放并对外界做机械功。一般特点：在爆炸现象发生的过程中，大量能量在有限空间内急剧释放，产生一个压力极高并向外传播的冲击波，同时生成大量的高温高压气体产物。通过冲击波的冲击作用和高温高压气体产物的膨胀作用，对炸药周围的介质（如岩石）做机械功，可使此介质迅速产生巨大的机械性破坏。外部特征：震动、声、光、热1.1.2爆炸现象及其分类根据爆炸的性质，可将其分为三类：◆物理爆炸◆化学爆炸◆核爆炸●物理爆炸由系统的物理变化引起的爆炸。在爆炸前后，物质的化学成份没有变化，发生变化的只是物态（物质的物理性态）。如锅炉爆炸，是由于内部蒸汽压力超过容器的极限强度，但爆炸前后蒸汽的成份相同，都是H20，只不过由高压变成低压罢了。再如自行车车胎爆炸、强放电（如闪电雷击）爆炸等。●化学爆炸由化学变化引起的爆炸称为化学爆炸，在爆炸前后，不仅有物理状态的改变，而且物质的化学成份也发生变化，如炸药的爆炸、瓦斯或煤尘的爆炸等。工程中应用最为广泛的是化学爆炸，而且主要是利用其破坏作用。●核爆炸由核裂变或核聚变引起的爆炸。如U235的裂变或氘、氚、锂的聚变等。1.1.3炸药的化学反应及其基本形式炸药是不稳定的化学体系，但它在普通环境中处于相对稳定的状态。在接受到外界一定能量的作用之前，一般不会自行发生爆炸反应。在一定的环境条件下，炸药会发生以下四种不同形式的化学变化：分解（热分解）燃烧爆炸爆轰（1）分解（decomposition）●缓慢●在整个炸药中展开，没有集中反应区域●其反应速度与环境温度有关炸药的分解速度随着温度的升高而呈指数地增大。当通风散热条件不好时，分解热不易散失，很容易使炸药温度加速升高，导致炸药的燃烧甚至爆炸。（2）燃烧(combustion)在无氧环境中发生在炸药的局部区域内开始发生，形成燃烧反应区并逐渐传播、扩大氧化反应，发光、发热燃烧反应区的扩散速度称为燃烧线速度，通常称为燃烧速度。炸药的燃烧速度一般不超过每秒几米，其快速燃烧（每秒数百米或更高）又称爆燃（deflagration）。炸药的燃烧速度低于音速。炸药在燃烧过程中，若燃烧速度保持定值，不发生波动，就称为稳定燃烧，否则称为不稳定燃烧。不稳定燃烧一般是由于燃烧过程中的热量传导或散失不平衡所致。不稳定燃烧可导致燃烧的熄灭、震荡或转变为爆炸。（3）爆炸（explosion）●在炸药的局部区域内发生，形成爆炸反应区并在炸药体系内高速传播（爆炸反应区的传播速度称为爆速）●爆炸反应区产生爆炸冲击波，以高压作用于相邻炸药和周围介质●剧烈的氧化反应，强光、高热、高压●爆炸反应一旦发生，即与环境温度无关一般炸药的爆速为每秒数千米，高于音速。在炸药爆炸过程中，若爆速保持定值，称为稳定爆炸，否则称为不稳定爆炸。其中，炸药化学反应区的传播速度低于声速时，称为爆燃（Deflagration）。（4）爆轰（detonation）爆轰是指炸药以最大稳定速度（爆轰波传播速度）进行传播的爆炸。换言之，爆轰（detonation）是爆炸的最高形式。讨论：BasicformsofchemicalreactionDecompositionBurningDeflagration:Noshockwavecanbeobservedinlowexplosivebuttheexplosiveburnswithanextremelyrapidratelowerthansound.Detonation:Aprocessofpropagationofashockwavethroughtheexplosive,whichisaccompaniedbyachemicalreactionthatfurnishesenergytomaintaintheshockwavepropagationinastablemanner.通过燃烧释放炸药的能量，其速度相对缓慢；燃烧是通过热传导和热辐射来传递能量；燃烧受环境条件的影响较大。燃烧和爆燃的速度都是亚音速的，爆炸则是借助于冲击波对炸药一层层的强烈冲击压缩作用来传递能量和激起化学反应的；爆炸反应比燃烧反应更为激烈，放出热量的速度和形成的温度也更高；爆炸和爆轰的速度则是超音速的。1.1.4化学爆炸的基本特征炸药发生化学爆炸反应时，必然具有以下特征：放出热量反应迅速，速度极高生成大量气态产物这是炸药爆炸反应所具有的基本特征，缺一不可，故也称之为炸药爆炸的三要素。1.1.4炸药爆炸反应的三要素1）放热反应Ag2C2O4=2Ag+2CO2＋123.3kJ/mol(NH4)C2O4=2NH3+H2O+CO+CO2－263.3kJ/mol2）反应速度极高5个150g2#铵梯炸药药卷的功率约为1.4X107kW，大致相当于一个大型水电站的功率；煤40,000kj/kg，一般民用炸药2900～6300kj/kg。2）生成大量气态产物ZnC2O4=Zn+2CO2-205.00kJ/molCuC2O4=Cu+2CO2+23.86kJ/molAg2C2O4=2Ag+2CO2+123.3kJ/mol炸药爆炸在气体产物膨胀过程中对外界做机械功。由于爆炸反应的速度极高，反应结束瞬间，其能量几乎全部聚集在炸药爆炸前所占据的空间内，因而能够达到很高的能量密度。炸药发生爆炸变化所达到的能量密度比一般燃料燃烧时达到的能量密度要高数百至数千倍。正是由于这种原因，爆炸过程才具有巨大的作机械功的能力和强烈的破坏效应。讨论：可见，放出热量，生成气体产物和反应的高速度是形成爆炸反应的三个基本条件，也是化学爆炸不同于一般化学反应的三个重要特点。还应看到，上述三个条件是相辅相成的，缺一不可，只有它们的综合效果才能使化学反应变化过程具有爆炸的性质。由此可以得出炸药爆炸的定义：炸药爆炸是一种高速进行且能持续自行传播的化学反应，在此反应过程中放出大量的热，并生成大量的气态产物。讨论：1.1.5炸药产品及其分类成分特点：氧化剂，还原剂化学特性：不稳定物质体系。在接受到外界能量的作用之前处于暂时的相对稳定的状态。一定形式和一定大小的外界能量可用于克服炸药的这种相对稳定状态，从而引爆炸药。1.1.5炸药及其分类炸药的品种繁多，它们的组成、物理性质、化学性质和爆炸性能可有显著差异。根据炸药的某些特点，对其进行归纳分类，便于研究和使用炸药。常见的炸药的分类方法有以下几种：①按炸药的物质构成分类②按炸药的主要成分分类③按炸药的作用特性和用途分类④按炸药的物理状态分类根据炸药组成成份的不同，常把炸药分为单质炸药和混合炸药两类。单质炸药，如TNT混合炸药，如黑火药、铵油炸药（ANFO）和乳化炸药按炸药组成分类1）单质炸药（explosivecompound）在民用炸药与爆破器材中，单质炸药大多用作混合炸药的组分或起爆器材的装药（例如雷管、导爆索等），很少单独用来进行爆破作业。按炸药组成分类2）混合炸药（compositeexplosive）黑火药（blackpowder）：用硝酸钾、木炭粉和硫黄粉混合而制成，一般含硝酸钾约75%。铵油炸药（ANFO）：由硝酸铵和柴油混合而成。乳化炸药（emulsion）：主要成份为硝酸盐水溶液、可燃剂(柴油和石蜡)、发泡剂(亚硝酸钠、空心玻璃球等）和乳化剂(多脂肪族化合物)）等。铵梯炸药（ammonite）：其主要成分是硝酸铵加少量的TNT和木粉混合而成。混合炸药在爆破工程领域占有重要地位。按炸药组成分类根据炸药作用特性和用途的不同，可分为起爆药、猛炸药、火药和烟火剂四大类。1)起爆药（Primaryexplosive）如雷汞(Mercuryfulminate(Hg(CNO)2))和氮化铅(leadnitride(Pb(N3)2)等，敏感度高，威力不一定很大，一般用于起爆其它炸药。2)猛炸药（Highexplosive）一般工业炸药，如梯恩梯和各类混合炸药。感度较低，威力较大。3)发射药（Propelant）如黑火药，火焰感度高，多作为推进剂。按作用特性和用途分类2）猛炸药（highexplosive）猛炸药指那些利用爆轰所释放的能量对周围介质作功的炸药。猛炸药因其对周围介质的破坏作用猛烈而得名。无论军用还是民用，大量使用的仍是由混合炸药组成的猛炸药。不同的是民用混合炸药以廉价的硝酸铵为主要成分，而军用混合炸药则很少使用硝酸铵，只是在特定条件下将其当作一种代用品。按作用特性和用途分类2）黑火药（blackpowder）黑火药的化学变化形式主要是燃烧，生成大量气体和热能，可用于抛射或推射。因此，又称为发射药或固体推进剂。与黑火药类似的高分子复合火药则主要用作发射弹药的能源，如火炮的发射药、火箭发动机的推进剂等。按作用特性和用途分类2）烟火剂（pyrotechniccomposition）烟火剂是由氧化剂和可燃剂为主体制成并在燃烧时能产生声、光、热、烟等特定效应的炸药。烟火剂包括照明剂、燃烧剂、烟幕剂、信号剂和曳光弹等，通常用于装填特种弹药或烟火材料，产生特定的烟火效应。按作用特性和用途分类根据炸药的主要成分，可分为：◆雷酸盐、叠氮化物类炸药◆醇基硝酸酯类炸药◆芳香族硝基化合物类炸药◆硝甘炸药◆硝铵炸药◆黑火药等在民用爆破工程领域，应用最为广泛的是硝铵炸药。按炸药的主要成分分类◆固体炸药◆液体炸药◆气体炸药◆多相炸药按炸药的物理状态分类氧化剂＋还原剂（Oc）（Ca,Hb,Nd）炸药爆炸H2OCO2等等热!!1炸药与爆炸的基本理论1.2炸药的氧平衡炸药由富含氧的氧化剂和可以燃烧的还原剂构成。还原剂一般为C和H，但炸药产品大多也含有相当量的N。炸药的化学构成可以通式的形式表示为：CaHbOcNd炸药爆炸反应的生成物一般包括：H2OCO2以及可能的NO2，NO,CO,NH2,CH4,等等。所谓氧平衡（oxygenbalance），系指炸药自身的含氧量与其生成H2O和CO2所需氧量之间的数量关系。一般用每克炸药中剩余或不足氧量的克数或百分数来表示炸药的氧平衡状态。★何谓氧平衡？对单质炸药:O.B.=16[c-(2a+b/2)]/M对混合炸药：O.B.=∑((O.B.)i×ki)当炸药中成份不同或爆炸条件不同时，根据炸药的氧平衡不同，将可能产生以下几种情况：●炸药的氧平衡（oxygenbalance）(1)零氧平衡炸药中氧的含量恰好能将碳、氢完全氧化，此时炸药的氧平衡为零，即c-(2a+b/2)＝0◆因氧和可燃元素都得到了充分利用，故在理想反应条件下，炸药的热量释放最为充分，爆炸产物为H2O、CO2和N2，不会生成有毒气体。(2)正氧平衡炸药中的氧将碳、氢完全氧化后仍有剩余，此时氧平衡大于零，即c-(2a+b/2)0◆氧量过剩，爆炸产物除H2O、CO2和N2外，爆炸反应剩余的氧将与游离氮反应生成毒性强烈的氮氧化物NO和NO2。氮的氧化反应是吸热反应，会相应降低炸药的威力。(3)负氧平衡炸药中的氧含量不足以将碳、氢完全氧化，此时氧平衡小于零，即c-(2a+b/2)0◆负氧平衡炸药：由于氧的不足，爆炸产物除有H2O、CO2和N2外，因部分C不能充分氧化而形成有毒气体CO（负氧严重时还会生成固态C），炸药威力相应降低。另外，负氧平衡炸药的产物中的双原子气体，可能增加生成气体的数量和体积。炸药的氧平衡状态的影响：▲爆生气体产物的种类和体积▲有毒气体含量▲炸药的爆炸威力（对外界做机械功的能力）对于工业炸药，一般应使其氧平衡处于弱负氧平衡状态。一般的工业炸药是混合炸药，可通过调节其成分配比来控制其氧平衡。表1-1常见单质炸药和混合炸药常用组分的氧平衡名称分子式（或实验式）氧平