乳化炸药具有优良的抗水、安全、爆炸、贮存性能和雷管起爆感度，以及符合环保要求的良好特征，在工程爆破中得到了广泛应用，但是传统乳化炸药爆炸威力较低^[1]。法国诺贝尔炸药公司于1997年研制出能够代替代那买特的高能乳化炸药Emulstar8000，TNT当量威力1.19，在300 mm钢管中爆速5000 m·s^-1[2]。Jolanta Biegan′ska^[3]通过向乳化炸药里加入硝化纤维粉末来取代铝粉, 以提高炸药做功能力。国内张现亭^[2]、叶志文^[4]等通过设计乳化基质配方提高乳化炸药的爆炸威力。国内外高威力乳化炸药大多含有猛炸药、过氯酸盐或高能燃料，提高了炸药的感度。提高爆热能有效增强炸药的做功能力，在炸药中添加铝粉是常用的方式，但铝粉会降低炸药爆压、提高炸药感度^[5]，且铝粉颗粒易被氧化，影响存储稳定性；通过改变乳化基质配方的方法虽然能够一定程度的提高乳化炸药的爆炸威力，但是工艺复杂，影响了其大面积的推广应用。乳化炸药主要成分是乳化基质，但是乳化基质自身没有雷管感度，它必须通过物理或化学方法敏化制成乳化炸药后才能起爆，乳化炸药传统敏化方式有化学敏化、物理敏化(常用玻璃微球和珍珠岩敏化)，但这些敏化材料不是含能材料，对提高炸药能量没有帮助。储氢材料MgH₂和TiH₂是新型含能材料，在一定条件下乳化基质中的储氢材料MgH₂和TiH₂会水解释放出H₂，起到敏化作用；氢气的能量密度较高，是液态碳氢燃料的3倍，因而可以增加炸药的爆炸威力；H₂同氧气作用时，唯一产物是水，不产生任何污染；通过向乳化基质中添加储氢材料来提高乳化炸药的爆炸威力的方法，对乳化基质没有特殊要求，因而具有巨大的应用前景。储氢材料MgH₂和TiH₂在乳化炸药中起到了敏化剂和含能材料的双重作用。将储氢材料作为敏化剂和含能材料加入到乳化基质中制成乳化炸药，国内外尚无相关报道。本研究通过将储氢材料引入到乳化炸药中，制备出了两种适应于不同爆破环境的特种乳化炸药。

乳化炸药传统的敏化方式是玻璃微球敏化，通过前期实验^[6]可知：当物理敏化剂玻璃微球含量为4%时，乳化炸药得到充分敏化，爆炸时输出能量最大。为了更好的体现储氢材料MgH₂和TiH₂敏化乳化炸药的爆炸性能，实验将3种材料敏化的乳化炸药水下爆炸能量输出特性作了比较。为了排除乳化基质含量对乳化炸药能量输出的影响，实验样品的乳化基质含量都为50 g，炸药配方见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 乳化炸药的不同配方设计 Tab. 1 Different formulations of emulsion explosives component mass ratio emulsion matrix: glass microspheres 100：4 emulsion matrix: hydrogen storage material MgH2 100：1 emulsion matrix: hydrogen storage material TiH2 100：2

表 1 乳化炸药的不同配方设计 Tab.1 Different formulations of emulsion explosives

在水下爆炸能量输出结构的实验中，应设法避免或减弱边界条件对水下爆炸过程的影响，当装药量小于350 g时，采用直径为5 m，深度为5 m的水池，将装药置于水下2 m处就可以满足冲击波和气泡脉动的测试要求^[6]。本次试验药量为50 g，水池深度H为5 m，实验装药位于水面下h为2.5 m处，药包离传感器的距离R为1.5 m。采用Agilent5000A数字存储示波器记录数据，482A22型恒流源将电荷信号转换为电压信号；水下压力传感器为ICP138A25型。

图 1(Fig. 1)

图 1 水下爆炸实验装置 1—实验设备，2—传感器，3—炸药试样 Fig.1 Experimental system of underwater explosions 1—test instrument, 2—sensor, 3—emulsion explosives

实验得到三种乳化炸药的压力时程曲线如图 2所示。由图 2可以看到，相对于玻璃微球敏化的乳化炸药：MgH₂敏化的乳化炸药冲击波峰值压力增加明显，而TiH₂敏化的乳化炸药冲击波衰减时间增加，但峰值压力有所降低。

图 2(Fig. 2)

图 2 三种乳化炸药冲击波压力-时程曲线 Fig.2 Pressure-time history curves of three different emulsion explosives

炸药水中爆炸比冲量I(t)是冲击波压力对时间的积分^[7]，即：

式中, p(t)为距爆压中心R处爆炸冲击波超压随时间变化函数关系，Pa；一般水中初始压力比冲击波压力小的多，可忽略不计；θ为衰减时间常数，s，即取压力从峰值p_m衰减到p_m/e的时间，积分时间一般取5θ。

根据水中爆炸相似率有^[7]：

式中, E_s为冲击波能，kJ·kg^-1；R为药包离传感器的距离，m；W为装药量，kg；ρ_w为水的密度，kg·m^-3；C_w为水的音速，m·s^-1。

对于水中爆炸，通常用冲击波超压、冲击波能、能流密度、比冲量、衰减时间等参数来全面表征炸药水中爆炸的性能，能流密度是衡量冲击波能量输出的重要参数，一般将能流密度定义在5倍时间常数内对p²(t)的积分，并考虑水的蠕变流动^[8]，可得：

式中, E为能流密度，J·m^-2；ρ₀c₀为水的声阻抗，MPa/(m/s)；p_m为水中冲击波峰值压力，MPa；p(t)为距爆压中心R处爆炸冲击波超压随时间变化函数关系。

乳化基质中的NH₄NO₃水解会使乳化基质呈弱酸性，当储氢材料MgH₂和TiH₂加入到乳化基质后，外围的储氢材料会与H⁺反应生成H₂，破坏了储氢材料MgH₂和TiH₂的储氢结构，使其中储存的H₂释放出来。生成的H₂在乳化基质中形成了一个个均匀分布的小气泡，起到了敏化作用(反应过程如图 3所示)。为了便于数学描述，又不失热点的基本特征，将均匀分散在乳化基质中储氢材料微团和它周围的乳化基质简化为球壳元胞模型^[9]。根据Kim的微孔洞弹粘塑性塌缩热点理论^[10]，当冲击波掠过储氢型复合乳化炸药时，压缩氢气泡形成热点，且热点处的温度随时间而升高。空穴周围的整个化学反应与经典表层燃烧形式相似，热量从高温高压气体传到乳化基质中，在乳化基质中形成很大的温度梯度，使其表面发生固相到气相的转化，完成燃烧到爆轰的过程，并为后爆炸药的爆炸提供能量，从而使爆轰反应持续进行下去。

图 3(Fig. 3)

图 3 储氢材料敏化的乳化炸药爆轰反应过程 1—乳化基质, 2—储氢材料，3—氢气 Fig.3 Detonation process of emulsion explosives sensitized by hydrogen storage materials 1—emulsion matrix, 2—hydrogen storage material, 3—H2

储氢材料MgH₂敏化与玻璃微球敏化的乳化炸药水下爆炸实验数据见表 2对比可知，储氢材料MgH₂敏化的乳化炸药的冲击波超压、比冲量、冲击波能和能流密度都有了很大的增加, 其中冲击波超压提高了8.6%、比冲量增加了12.4%、能流密度和冲击波能都增加了32%以上。储氢材料MgH₂在乳化基质快速水解产生H₂从而引入均匀分布的小气泡，在冲击波作用下形成了一个“灼热点”，起到了敏化的效果。气泡中的H₂是含能分子，H₂爆炸提高了炸药的爆炸威力。

表 2(Tab. 2)

表 2 不同乳化炸药水下爆炸冲击波的相关参数 Tab. 2 Shockwave related parameters of different emulsion explosives energy output in underwater explosion emulsion explosive component pm/MPa θ/μs I/Pa·s E/J·m-2 Es/kJ·kg-1 emulsion matrix+glass microspheres 10.33 33.6 547.88 1784.41 2553.98 emulsion matrix+glass microspheres 10.35 37.08 588.34 1879.68 2643.87 emulsion matrix+glass microspheres 10.18 34.58 563.65 1821.84 2365.73 average value 10.29 35.14 566.62 1828.64 2521.19 emulsion matrix+hydrogen storage material MgH2 11.19 36.15 650.13 2323.14 3309.81 emulsion matrix+hydrogen storage material MgH2 11.13 35.23 623.39 2195.56 3287.65 emulsion matrix+hydrogen storage material MgH2 11.24 34.12 637.15 2414.32 3461.23 average value 11.18 35.16 636.89 2311.01 3352.90 emulsion matrix+hydrogen storage material TiH2 8.56 51.87 623.1 2046.72 2722.78 emulsion matrix+hydrogen storage material TiH2 8.49 50.74 614.64 1959.84 2747.82 emulsion matrix+hydrogen storage material TiH2 8.67 47.13 640.12 2121.90 2879.40 average value 8.57 49.91 625.95 2042.82 2750.00

表 2 不同乳化炸药水下爆炸冲击波的相关参数 Tab.2 Shockwave related parameters of different emulsion explosives energy output in underwater explosion

由表 2中储氢材料TiH₂敏化与玻璃微球敏化的乳化炸药水下爆炸实验数据对比可知，储氢材料TiH₂敏化的乳化炸药爆压相对较低，但衰减时间、比冲量、冲击波能和能流密度均大于玻璃微球敏化的乳化炸药，其中冲击波衰减时间增加了42%，比冲量、能流密度和冲击波能都增加了10%左右。储氢材料TiH₂在乳化基质中水解较MgH₂困难，只有部分水解，产生的气体在乳化基质形成均匀分布的小气泡，起到了敏化作用，但大部分储氢材料TiH₂在炸药爆轰时没有参加C-J面以前的反应或在C-J面远未反应完全, 它们在高温作用下发生热分解，在反应动力学上对反应物的浓度起稀释作用, 而且还要吸热和消耗一部分能量, 从而降低爆轰反应区的能量^[11], 使爆压降低。但是随后热分解的产物燃烧可以提高爆炸场的温度及持续时间, 延缓了冲击波的衰减，对提高乳化炸药毁伤效应具有积极作用。

作功能力和猛度是判断炸药爆炸威力的重要因素，因此本研究还对两种储氢材料敏化的乳化炸药进行了测量，并与玻璃微球敏化的乳化炸药进行了比较。猛度测定实验装置如图 4所示，铅柱直径为40 mm，高60 mm；钢片直径41 mm，厚度10 mm。每次实验样品所含的乳化基质都为50 g, 配方见表 1，用实验前后的铅柱的高度差Δh表示炸药的猛度^[6]。

图 4(Fig. 4)

图 4 铅柱压缩法装置 1—雷管, 2—乳化炸药，3—钢片，4—铅柱，5—厚钢板，6—细线 Fig.4 The device of lead column compression method 1—detonator, 2—emulsion explosive, 3—steel sheet, 4—lead column, 5—thick steel plate, 6—thin wire

表 3列出的是三种乳化炸药铅铸铅铸压缩值压缩值，表5是乳化炸药铅铸压缩前后的对比照。由图 5和表 3可知，储氢材料MgH₂敏化的乳化炸药的猛度和爆速最大，储氢材料TiH₂敏化的乳化炸药与玻璃微球敏化的乳化炸药猛度和爆速相当。由水下爆炸实验可知，储氢材料MgH₂敏化的乳化炸药能量最大，储氢材料TiH₂和玻璃微球敏化的乳化炸药能量输出接近，而输出能量的大小又直接影响到炸药的作功能力，因此在猛度测定实验中表现出如图 5所示的现象。在乳化基质中，储氢材料MgH₂比TiH₂容易水解，储氢材料TiH₂敏化的乳化炸药中含有未水解的储氢材料较多，敏化效果不及储氢材料MgH₂。在炸药爆炸过程中，未水解的储氢材料TiH₂在乳化炸药会发生二次反应(高温高压下分解)，玻璃微球在乳化炸药中首先会发生玻璃微球球壳塌陷然后形成热点再爆炸，因此影响力炸药爆轰波的传播，从而使爆速减小。

表 3(Tab. 3)

表 3 三种乳化炸药爆炸性能参数 Tab. 3 Parameters of explosion performance of different emulsion explosives emulsion explosive component density/g·m-3 Δh/mm detonation velocity/m·s-1 emulsion matrix+glass microspheres 1.17 16.24 4199 emulsion matrix+glass microspheres 1.17 15.97 4469 average value 1.17 16.10 4334 emulsion matrix+hydrogen storage material MgH2 1.23 18.52 5624 emulsion matrix+hydrogen storage material MgH2 1.23 18.64 5480 average value 1.23 18.58 5552 emulsion matrix+hydrogen storage material TiH2 1.27 16.14 4251 emulsion matrix+hydrogen storage material TiH2 1.27 16.03 4527 average value 1.27 16.09 4389 Note: Δh is brisance.

表 3 三种乳化炸药爆炸性能参数 Tab.3 Parameters of explosion performance of different emulsion explosives

图 5(Fig. 5)

图 5 不同敏化方式的乳化炸药铅柱压缩对比实验 a：实验用铅柱，高度60 mm；b：玻璃微球型乳化炸药铅柱压缩，压缩量16.10 mm；c：储氢材料MgH2型乳化炸药铅柱压缩，压缩量18.58 mm；d：储氢材料TiH2型乳化炸药铅柱压缩，压缩量16.09 mm Fig.5 The pre and post photos of lead column compression experiment a: Hight of uncompressed lead column is 60 mm; b: Amount of lead column compression is 16.10 mm; c: Amount of lead column compression is 18.58 mm; d: Amount of lead column compression is 16.09 mm;

(1) 储氢材料MgH₂和储氢材料TiH₂在乳化炸药中起到了敏化剂和含能材料的双重作用。

(2) 储氢材料MgH₂能够显著改善乳化炸药的爆炸性能，相对于玻璃微球敏化的乳化炸药，储氢材料MgH₂敏化乳化炸药在猛度、爆速、冲击波超压、能流密度、冲击波能的增加上非常明显，其中猛度增加了15.4%，冲击波峰值压力增加了8.6%，比冲量增加了12.4%，冲击波能增加了32%, 具有很好的工程应用价值。

(3) 储氢材料TiH₂敏化的乳化炸药爆压相对较低，相对于玻璃微球敏化的乳化炸药能量提高了10%，冲击波衰减时间长，对提高乳化炸药毁伤效应具有积极作用，可应用于一些特种爆破作业中。