基于储氢材料的高能乳化炸药爆轰机理和爆炸性能研究

【摘要】乳化炸药是世界使用量最大的一类工业炸药,但存在爆炸能量低、压力减敏和安全性等问题。然而,国外高威力乳化炸药大多含有猛炸药、过氯酸盐或高能燃料(如铝粉),在提高乳化炸药威力的同时也降低了炸药的安全性;国内外有关乳化炸药“压力减敏”的研究一般只停留在影响因素分析的阶段,乳化炸药的“压力减敏”问题未能得到很好的解决。为了改善其性能,课题组对储氢材料敏化的复合乳化炸药展开了全面系统的研究,储氢材料在乳化炸药中起到了含能材料和敏化剂的双重作用。MgH2型储氢复合乳化炸药的研究经历了水解敏化、复合敏化和动态敏化三个阶段,其中水解敏化和复合敏化的MgH2型储氢乳化炸药技术已趋于成熟,而动态敏化的MgH2型储氢乳化炸药仍有待后续工作中进一步深入研究。研究表明,该技术利用储氢材料受压时分解产生氢气实现乳化基质的敏化,具有动态敏化特性,这种创新性的敏化方式能有效增强乳化炸药的安全性,提高装药密度和爆炸威力,爆轰实验、压力减敏实验和微观实验结果表明：MgH2型储氢复合乳化炸药在做功能力、猛度、爆速和抗动压减敏等方面性能优异,与传统乳化炸药相比,MgH2型水解敏化储氢乳化炸药的冲击波能增加了30%以上,MgH2型复合敏化储氢乳化炸药的猛度(24.0mm)达到了军用炸药RDX的标准,具有良好的应用前景。本文对水解敏化和复合敏化的MgH2型储氢复合乳化炸药的爆轰机理、抗压力减敏机理以及储存稳定性进行了深入研究,并对动态敏化作用进行了初步的验证。具体的研究内容如下：通过文献调研,选定乳化炸药热点起爆模型,理论计算得到热点半径尺寸和形成热点所需热量的数量级,并推导出敏化气泡中气体温度的改变量与敏化气泡尺寸大小以及敏化气体定容比热的关系；建立了玻璃微球型乳化炸药爆轰反应物理模型和数学模型,计算出玻璃微球型乳化炸药的爆压、爆热、爆速、爆轰反应时间以及爆轰反应区长度等参数,计算结果与实验值吻合度较高,可为后期储氢型复合乳化炸药数学模型的研究提供理论指导。利用水下爆炸测试系统、猛度测量和爆速测量装置,研究了MgH2型水解敏化储氢乳化炸药的爆轰反应特性和爆轰机理。实验结果表明：与玻璃微球型乳化炸药相比,MgH2型水解敏化储氢乳化炸药水下爆炸冲击波总能量增加了32%以上,猛度达到18.58mm,爆速达到5000m/s；通过实验研究与理论分析发现,MgH2型水解敏化储氢乳化炸药的爆轰反应程度高于传统乳化炸药,这是其爆轰性能优于传统乳化炸药的主要原因,并且MgH2型水解敏化储氢乳化炸药的爆轰反应机理与传统乳化炸药不同,在乳化炸药爆轰反应的过程中还伴随着MgH2的放氢反应和H2的爆炸过程。通过对比实验研究,选择储氢材料MgH2的包覆材料和包覆工艺,并利用扫描电镜实验(SEM图)和抑制发泡实验对包覆的MgH2的包覆效果进行了研究,利用水下爆炸实验、猛度实验和爆速测量实验对MgH2型复合敏化储氢乳化炸药的爆轰性能以及“动态敏化效果”进行了研究。结果表明：将石蜡和硬脂酸作为包覆材料并采用溶胶-凝胶包覆法,能够将储氢材料MgH2很好地包覆起来；石蜡包覆的MgH2型复合敏化储氢乳化炸药的猛度超过24mm,达到军用炸药RDX的猛度；起爆可靠性实验和猛度结果表明,包覆的MgH2能够起到动态敏化的效果,但是效果欠佳,其中“热点”是影响动态敏化效果的主要因素。通过设计乳化炸药冲击波动态压缩装置,模拟乳化炸药在工程应用中的“压力减敏问题”。研究发现MgH2能够显著改善乳化炸药的抗压力减敏能力,受压乳化炸药扫描电镜图(SEM图)表明,乳化炸药受压后会发生破乳现象,并且炸药基质中的敏化气泡会遭到破坏,其中玻璃微球型乳化炸药破坏最严重,NaNO2型乳化炸药次之,MgH2型水解敏化储氢乳化炸药的敏化气泡受到的影响最小,对比研究得到“热点”是乳化炸药压力减敏的最主要因素；当受到的温度和压力达到一定程度时MgH2会释放出H2,从而在乳化基质中形成新的敏化气泡,MgH2的这种“动态敏化”作用是增强MgH2型储氢复合乳化炸药抗动压减敏性能的重要原因。扫描电镜实验的SEM图和EDS点扫描图表明,石蜡膜能够均匀的将若干个MgH2粉末包覆起来,包覆膜上有纳米量级的缝隙,每个包覆的MgH2中含有若干个MgH2微粒。防水实验表明石蜡膜能够起到很好的防水效果,而EDS点扫图的数据表明石蜡膜的抗氧化性能不佳,因此包覆工艺还需要继续改进,以提高储氢材料的储存稳定性；水下爆炸实验结果表明,MgH2型储氢复合乳化炸药储存5个月后爆轰性能没有太大改变,其储存稳定性符合要求。
【作者】程扬帆；
【导师】沈兆武；马宏昊；
【作者基本信息】中国科学技术大学，工程力学，2014，博士
【关键词】乳化炸药；MgH2；爆炸威力；压力减敏；稳定性；安全性；储氢材料；水下爆炸；

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