1.火炸药
火炸药是一类化学能源材料,是一种不稳定的含能化学物质。在火炸药的组分中含有氧化剂和可燃物,当受到不大的外界作用被激发后,在没有外界物质参与下能进行剧烈的化学反应,在极短时间内释放出巨大的热量,并产生大量气体,对周围介质具有巨大的做功能力。火炸药主要用于军事,是武器的主要能源,在军用技术中具有重要的地位。它不但可作为弹丸发射和战斗部推进的装药,而且是摧毁目标的能源,也是某些驱动装置与爆炸装置的能源。火炸药技术是决定武器威力和射程的关键技术。
2.火炸药的组成
火炸药的第一种组成形式是单组分化合物,其分子结构中含有一些特殊基团,可作为单组分炸药或混合炸药和火药的组分。火炸药的第二种组成形式是混合物,其中主要是由氧化剂和可燃物组成的混合物。火炸药组成中的另一类重要成分是附加物,其目的是调节火炸药的性能以及改善火炸药的工艺性能,如钝感剂、键合剂、燃烧催化剂、消焰剂、安定剂、能量添加剂、增孔剂、稀释剂等。
组成现有火炸药的基本化学元素主要是碳、氢、氧、氮等,因为该类火炸药在安定性、烧蚀性、腐蚀性、相容性以及感度、烟、焰等性能方面具有优势。有些火炸药中还含有硫、硅、硼、钾、铅等可燃元素。从火炸药的能量考虑,一些化合物(如金属的氢化物、氟氮化合物、氟碳化合物等高能量物质)在潜能上具有优势。
3.火炸药的化学反应过程
火炸药的化学反应本质是可燃元素与氧化元素之间发生极其迅速而猛烈的氧化还原反应。火炸药的放热过程是连续进行的,直到原子、分子碎片、离子和原子团形成稳定的最终产物。火炸药的化学反应具有三个特征:反应的高速性;反应的放热性;产生大量气体。火炸药的化学反应可以在隔绝大气的条件下进行,能在瞬间输出巨大的功率,其反应过程可以控制。
按化学反应的传播方式和传播速度,火炸药化学反应过程可分为爆燃和爆轰。
1)燃烧
以热传导、扩散和辐射形式将能量向前传播的反应过程称为燃烧。火炸药的燃烧又称为爆燃,从本质上是一种自行传播的剧烈的化学反应,与一般燃料燃烧的区别在于它仅依靠自身所含的氧快速反应。火炸药燃烧一般过程:首先,火炸药表面着火;然后,火焰向火炸药内部传播。火炸药着火有两种方式:一种是在外界高温热源的强制下点火,称为强制点火(简称“点火”);另一种是由火炸药本身热分解、自动加速而产生,称为自动着火。火炸药点火后发生剧烈燃烧反应,在反应区释放大量热量和燃烧产物,强烈的热效应通过热传导和燃烧产物的扩散会导致预热区(与反应区邻近的火炸药)受热分解并形成待反应混合气体,随着热量积累,后者自动着火形成新的燃烧反应区,原来的反应区则被燃烧产物填充,这种持续、循环的推进过程构成了火炸药的燃烧。火炸药燃烧的火焰阵面位于反应区和预热区之间,因此,火炸药的燃烧过程还可以看作火焰阵面沿火炸药(柱)体传播的过程(图12.1),而火焰传播的基本途径是热传导和燃烧产物的扩散。火焰阵面沿火炸药(柱)体传播的线速度(反应区进入未反应区的速度)称为燃烧速度(简称“燃速”)。火炸药燃烧的燃速低于反应物中的声速(一般为几毫米每秒至几百米每秒)。燃烧反应受外界影响较大。
图12.1 火炸药燃烧火焰传播示意(www.xing528.com)
2)爆轰
当冲击波在火炸药中传播时,可能有两种不同的情况。一是未能引起火炸药的化学反应,没有外界能量的继续补充,冲击波在传播过程中逐渐衰减;二是由于冲击波足够强,火炸药受到冲击波的强烈冲击(或剧烈压缩)而引起火炸药的高速化学反应,反应放出的能量又支持冲击波的传播,继续对下层火炸药进行冲击压缩,并引起新的反应,从而使冲击波得以维持定速而不衰减,这种紧跟着发生化学反应的冲击波(伴有化学反应的冲击波)称为爆轰波。火炸药起爆后产生爆轰波,并以它传递能量使反应沿药体向前传播的过程,称为爆轰。在爆轰过程中,火炸药的反应速度极大,其反应区进入未反应区的速度大于反应物中的声速(几千米每秒至几万米每秒)。爆轰波沿药体传播的速度,称为爆轰速度,简称“爆速”。炸药爆速与装药直径、密度、粒度、外界的约束条件、起爆条件等一系列因素有关。
燃烧与爆轰在性质上有着本质差别,主要表现在以下3方面。
(1)传播速度不同:燃速低于火炸药中的声速;爆速高于火炸药中的声速。
(2)传播能量方式不同:燃烧过程是以热传导、辐射及燃烧气体的扩散方式来传播;爆轰过程的传播则是借助于沿装药传播的爆轰波对未爆炸炸药的冲击压缩作用来实现的。
(3)传播速度受外界影响不同:燃速受外界条件的影响大;爆速极快,几乎不受外界条件的影响。
燃烧和爆轰是两个不同的过程,但它们都是火炸药高速化学反应的基本形式,二者之间有一定联系,并且在特定条件下燃烧可以转变为爆轰,但在一般情况下,某些火炸药的主要反应形式是燃烧,而另一些火炸药的主要反应形式是爆轰。通常意义下的爆炸,是指火炸药在极短时间内,释放出大量能量,产生高温,并放出大量气体,在周围介质中造成高压的化学反应或状态变化,反应区进入未反应区的速度不稳定(几十米每秒或几千米每秒)。
4.火炸药的类型
火炸药的种类很多,分类方法也很多。
(1)按火炸药正常使用中的反应速度,火炸药可分为低速火炸药(通常称为火药)和高速火炸药(通常称为炸药)。
(2)按用途,火炸药可分为猛炸药、起爆药、发射药和烟火剂。
(3)按火炸药的组成,火炸药可分为化合火炸药、混合火炸药。
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