1 引言

乳化炸药作为一种油包水型工业炸药, 因其优良的抗水、安全、爆炸、环保性能而广泛的应用于工程爆破中, 但传统乳化炸药也存在着爆炸威力低的缺点^[1]。为了提高乳化炸药的作功能力, 近年来研制高威力乳化炸药已成为国内外研究热点^[2-4]。向乳化炸药中加入高能物质是提高炸药能量的方式之一。Jolanta^[5]从过期弹药中提取的硝化纤维粉可以取代铝粉的作用, 将硝化纤维粉添加到乳化炸药中可以提升炸药的作功能力, 从而实现对废旧资源的再利用; 钱海等^[6]研究了铝粉含量与粒径对乳化炸药的作功能力的影响, 结果表明当铝粉含量为20%时, 含铝乳化炸药的爆炸能量达到最大值, 且小粒径的铝粉有助于炸药释放能量; 虽然铝粉会提高炸药的作功能力, 但同时也提高炸药的感度, 降低了炸药的爆压, 且铝粉易氧化, 影响炸药的储存稳定性。龚悦等^[7]对含钛乳化炸药的爆轰性能与热分解性能进行研究, 研究表明含钛乳化炸药(钛粉量为10%)的猛度提高了17.6%, 钛粉较之铝粉和硼粉, 其对乳化炸药的热安定影响作用小; 程扬帆等^[8-10]通过向炸药中添加储氢材料MgH₂, 制得储氢型乳化炸药, 并研究了其爆轰性能、抗压减敏机理、敏化方式对炸药作功能力的影响, 结果表明MgH₂乳化炸药具有优良的爆轰性能与抗压力减敏能力。但MgH₂在乳化炸药弱酸环境中容易水解产生氢气, 影响贮存稳定性。玻璃微球具有低密度, 高流动性、高强度等物理化学性质, 其单位质量的理论贮氢效率为13%~16%^[11], 是一种可观的贮氢材料, 但目前国内外尚未报道将贮氢玻璃微球用作乳化炸药的敏化剂。

基于此, 本研究通过高压将H₂引入到玻璃微球中, 制得贮氢玻璃微球并作为敏化剂加入到乳胶基质中, 得到贮氢玻璃微球敏化乳化炸药。对添加不同含量贮氢玻璃微球的乳化炸药进行水下爆炸试验与猛度、爆数测试, 并与普通乳化炸药的爆轰性能进行对比, 为其在高能乳化炸药的配方设计与应用提供依据。

2 实验部分 2.1 实验试剂

乳化炸药常用的敏化方式为物理敏化与化学敏化, 物理敏化主要是玻璃微球敏化(Glass Microspheres, GM)敏化。根据已有研究^[12], 乳化炸药中玻璃微球的含量为4%时, 乳化炸药的爆炸性能最佳。所用玻璃微球购于美国3M公司, 平均粒径(D₅₀)为55 μm, 堆积密度为0.25 g·cm^-3; 乳胶基质购于淮南舜泰化工公司, 密度为1.45 g·cm^-3, 乳胶基质的配方见表 1。制备添加玻璃微球含量为4%的乳化炸药, 标记为1^#样品, 制备添加含量分别为4%、5%、6%的贮氢玻璃微球的乳化炸药, 分别标记为2^#、3^#、4^#样品。

2.2 玻璃微球的贮氢过程

玻璃微球充放氢过程是利用微球球壳内外氢气的压力差来实现的。将普通玻璃微球置于高压氢气瓶中, 向氢气瓶中充入氢气, 压力为5.5 MPa, 静压贮存4个月后取出玻璃微球, 即可制得贮氢玻璃微球。对于20 g的普通玻璃微球经过静压贮氢后, 其质量增加了1 g, 故可求得该类型的贮氢玻璃微球的质量贮氢效率为5%。

2.3 水下爆炸试验

水下爆炸试验在直径D为5 m, 深度H为5 m的水下爆炸塔中进行。测试装置包括示波器(Tektronix)、水下压力传感器(PCB, ICP W138A25)、恒流源(482A22), 试验装置如图 1所示。当在有限水域进行水下爆炸试验时，为了消除水池边界与水池底部对测试的影响^[13], 将包含30 g乳化炸药的球形药包置于水下2.5 m处, PCB压力传感器距离药包分别1 m与1.2 m。试验中, 每组样品至少做三组平行试验, 并用其平均值表示水下爆炸冲击波参数。

2.4 炸药的猛度与爆速测试

猛度与爆速是判断炸药爆炸威力的重要性能, 实验在空中爆炸舱中进行。炸药的猛度可用铅柱的压缩量来度量, 其中铅柱的高度为60 mm, 直径为40 mm; 钢片的厚度为10 mm, 直径为41 mm。每次测试的炸药质量为50 g。

炸药爆速采用离子探针法测试, 将乳化炸药置于PVC管中, 其中PVC管的直径为25 mm, 长度为200 mm, 探针的间距为40 mm, 使用ZBS10多段智能爆速测量仪测量。

3 结果与讨论 3.1 炸药水下爆轰参数计算 3.1.1 冲击波比冲量

水下爆炸冲击波冲量计算公式^[14]为

$ I(t) = \int_0^{6.7\theta } {\Delta p(t){\rm{d}}t} $

(1)

式中, I(t)为冲击波冲量, kPa·s; Δp(t)为距离爆源R处冲击波压力随时间变化曲线, θ为冲击波衰减时间, μs, 一般为冲击波压力从压力峰值p_m衰减到p_m/e的时间。

3.1.2 冲击波比冲击波能、比气泡能、总能量的计算

水下爆炸比冲击波的计算公式^[14]为

$ {E_s} = \frac{{4{\rm{ \mathsf{ π} }}{R^2}}}{{W{\rho _w}{c_w}}}\int_0^{6.7\theta } {\Delta {p^2}(t){\rm{d}}t} $

(2)

式中, E_s为比冲击波能, MJ·kg^-1; W为装药质量, kg; ρ_w为水的密度, kg·m^-3; c_w为声音在水中传播的速度, m·s^-1。

水下爆炸比气泡能计算公式为^[14]

$ {E_{\rm{b}}} = {\left( {\sqrt {1 + 4C{T_b}} - 1} \right)^3}/8{C^3}{k_1}^3W $

(3)

$ {k_1} = 1.135\rho _{\rm{w}}^{1/2}/p_{\rm{h}}^{5/6} $

(4)

式中, E_b为比气泡能, MJ·kg^-1; T_b为气泡的第一次脉动周期, s; C为实验条件测得的校正系数^[12]-0.4464, s^-1。

炸药总能量计算公式为^[14]

$ \mu = 1 + 1.3328 \times {10^{ - 1}}{p_{{\rm{CJ}}}} - 6.5775 \times {10^{ - 3}}{p_{{\rm{CJ}}}} + {\rm{ }}1.2594 \times {10^{ - 4}}p_{{\rm{CJ}}}^3 $

(5)

$ {p_{{\rm{CJ}}}} = {\rho _0}{D^2}/4 $

(6)

$ E = {K_{\rm{f}}}(\mu {E_{\rm{s}}} + {E_{\rm{b}}}) $

(7)

式中, E为水下爆炸比总能量, MJ·kg^-1; μ为冲击波损失系数; K_f为炸药形状参数, 对于球形装药K_f取1.00; ρ₀为炸药的密度, kg·cm^-3; p_CJ为C-J压力, GPa。

3.2 水下爆炸实验结果分析

结合式(1)~式(7), 计算得到玻璃微球乳化炸药与贮氢玻璃微球乳化炸药的比冲击波能E_s、比气泡能E_b、冲击波损失系数μ、炸药的总能量E。其中表 2与表 3分别是传感器距爆源1.2 m与1 m处测得的数据结果(1.2 m与1 m水下爆炸能量输出参数), 四种乳化炸药在1.2 m处水下爆炸的冲击波爆炸压力、比冲击波能时程曲线如图 2与图 3所示。

由表 2和图 2、图 3可以看出, 贮氢玻璃微球含量为4%的乳化炸药(2^#)在水下爆炸时产生的冲击波压力峰值p_m, 较普通乳化炸药(1^#)的p_m提高了11.41%, 贮氢乳化炸药的比冲击波能高于普通乳化炸药, 但随着乳化炸药中贮氢玻璃微球含量的增加, 冲击波压力峰值、比冲击波能开始逐渐降低, 4^#乳化炸药(贮氢玻璃微球的含量为6%)的压力峰值较2^#下降了7.68%。

表 2显示, 冲量I、冲击波能E_s、比气泡能E_b、都随微球的含量增加呈递减趋势。因为乳化炸药接近零氧平衡, 向乳化炸药中引入氢改变了其原有的氧平衡, 添加含量越多, 其负氧程度越大, 负氧化使得乳化炸药反应不完全, 从而降低其爆轰性能。在水下爆炸的能量方面, 与普通乳化炸药(1^#)相比, 贮氢乳化炸药(2^#)的比冲量I提高了8.71%、冲击波能E_s提高了11.69%、气泡能E_b提高了8.85%、总能量E提高了10.52%。

表 3是传感器距爆源1 m处测得的实验数据, 结果显示:贮氢乳化炸药(2^#)较普通乳化炸药(1^#)的比冲量I、比冲击波能、气泡能E_b、总能量E分别提高了8.39%、14.22%、11.11%、12.67%, 且贮氢乳化炸药的爆轰参数变化规律与表 2所呈现的数据规律一致, 体现了水下爆炸试验结果重复性好的优点。综上所述, 贮氢玻璃微球对乳化炸药的能量有明显的影响, 适当加入贮氢玻璃微球能够提高乳化炸药的冲击波参数和能量, 其爆炸性能呈现规律性的变化。

传统的玻璃微球乳化炸药, 当冲击波压缩乳化炸药时, 会首先压缩乳化炸药中的玻璃微球, 待玻璃微球压溃后, 其里面的气泡会绝热压缩, 气泡周围的压力与温度急剧增加^[15]。对于乳化炸药, 爆炸反应释放的能量与乳化炸药的燃烧的表面积成正比^[16]。冲击波掠过贮氢乳化炸药后, 首先压缩氢气泡形成“热点”, 当热点处的温度高于氢气的爆炸临界值时, 氢气发生爆炸生成水蒸气, 乳化基质内向破裂进入气泡中^[17], 这增加了乳化炸药的燃烧面积。持续的冲击波压缩导致该区域温度升高, 热量从高温高压气体不断地传递到乳化基质中, 从而形成温度梯度。当温度升高到炸药的爆炸极限时, 乳化基质表面发生从固相到气相的转变, 完成燃烧转爆轰反应, 并为后续反应提供能量。贮氢玻璃微球, 既向乳化基质中提供了热点, 增大了乳胶基质的燃烧面积, 同时氢气又是含能材料, 参与炸药的爆轰反应, 为乳化炸药的燃烧转爆轰过程提供能量, 使乳化炸药爆轰反应更加充分。这也是贮氢玻璃微球型乳化炸药爆轰性能高于普通乳化炸药的主要原因。

3.3 猛度测试结果

为了准确地估计猛度, 采用如下公式表示^[18]:

$ \alpha = \frac{{\Delta h}}{{({h_0} - \Delta h)}} = \frac{{\Delta h}}{{{h_{\rm{k}}}}} $

(8)

式中，Δh为铅柱的压缩量, mm; h₀为压缩前铅柱体的高度, mm; h_k为压缩后铅柱体的高度, mm。其中函数α考虑了铅柱体阻力随压缩程度的增加而增加的因素。

对1^#、2^#、3^#、4^#样品进行猛度、爆数测试, 表 4列出了四种乳化炸药的铅柱压缩量、爆速值、密度和α值, 铅柱压缩前后的对比图如图 4所示。由表 4可知贮氢玻璃微球敏化乳化炸药的猛度与爆速均高于普通乳化炸药, 其中贮氢乳化炸药(2^#)较普通乳化炸药(1^#)的压缩量提高了3.03 mm、爆数值提高了197 m·s^-1、α值提高了23.03%。用爆轰产物作用在与传播方向垂直的单位面积冲量(比冲量)来代表炸药的猛度。

理论计算表明, 爆轰产物作用在壁上(铅柱上表面)的压力p为^[19]:

$ p = \frac{{16}}{{27}}\frac{{{\rho _0}}}{D}{(\frac{l}{t})^3} $

(9)

由此, 作用在铅柱上的比冲量为^[19]:

$ I = \int {{\rm{pd}}t} = \int_{\frac{l}{D}}^\infty {\frac{{16}}{{27}}\frac{{{\rho _0}}}{D}{{(\frac{l}{t})}^3}} {\rm{d}}t = \frac{8}{{27}}l{\rho _0}D $

(10)

式中, l为爆轰波传播的距离, m; D为炸药的爆速, m·s^-1; t为作用时间, s。根据公式(10)计算得到1^#、2^#、3^#、4^#炸药的比冲量分别为539.75, 562.51, 564.51, 548.12 Pa·s, 贮氢乳化炸药的比冲量均要高于普通乳化炸药的比冲量, 这与水下爆炸测试得到的比冲量数据趋势相符合。

4 结论

(1) 通过高压贮氢技术制得贮氢玻璃微球, 该类型的玻璃微球的质量贮氢效率为5%, 其在乳化炸药中起到了敏化剂和含能材料的双重作用, 从而改善了乳化炸药的爆轰性能。

(2) 贮氢玻璃微球对乳化炸药的爆炸性能影响显著, 与普通玻璃微球乳化炸药相比, 贮氢玻璃微球敏化的乳化炸药(贮氢玻璃微球的含量为4%)的比冲量I、冲击波能E_s、气泡能E_b、总能量E分别提高了12.44%, 12.44%, 11.11%, 12.67%。且随着贮氢玻璃微球的含量的上升, 贮氢型乳化炸药的水下爆炸能量输出参数呈现递减的趋势。

(3) 贮氢玻璃微球含量为4%的乳化炸药较普通乳化炸药的爆速与猛度均有提升, 其中猛度(铅柱压缩量)提高了3.03 mm、爆速提升了4.63%。