【科学实验】碰撞摩擦火花的点燃性能

一些固体在相互之间碰撞与摩擦时会产生一种火花，被称为“机械火花”。

机械火花，这是一个十分生僻的专业术语，被定义为，一种由两个或多个固体发生碰撞或摩擦时，从固体上分离出来的微粒在碰撞或摩擦能量作用下发生燃烧的现象。

机械火花在很多场合也被称作碰撞摩擦火花，是一种非电气放电的，由金属与金属、金属与岩石、岩石与岩石之间发生碰撞或摩擦而产生的火花。已经有很多文献记载，这种火花能够点燃爆炸性气体混合物。

在工业生产实践中，生产机械之间、生产机械与产品之间、生产机械与岩石之间常常发生碰撞和摩擦。在存在爆炸性气体混合物的生产现场，由碰撞和摩擦而产生的机械火花点燃爆炸性气体混合物的可能性是比较大的。事实上，已经多次发生过这样的点燃。

1.机械火花的一般概念

机械火花点燃爆炸性气体混合物的现象是相当复杂的，很难从理论上作出准确的描述。

但是，从动力学观点出发，在物体发生碰撞和摩擦时总要发生能量的转换：动能转化成热能或其他形式的能。实际上，在碰撞和摩擦时，碰撞部分的变形使其内部的摩擦增加，发生晶格变形，因而，温度升高。碰撞部分晶格的变形越大，温度升高越高。另外，碰撞时常常有一些碰撞体的物质微粒从碰撞体上分离出来。这些微粒本身具有很高的温度和很大的动能，从碰撞体上分离出来时能够发光，并且可以飞出很远。这就是所谓的机械火花。

实质上，在碰撞摩擦（不包括“转子”的连续摩擦）时，碰撞部分的温度并不危险，因为碰撞体的热容量很大，所以，温度不会太高。然而，从碰撞体上飞出的微粒却能发光，这是因为微粒的热容量小，一个不大的能量就能使其温度上升很高，因而，碰撞摩擦火花对于点燃爆炸性气体混合物来说是相当危险的。

在研究碰撞摩擦点燃爆炸性气体混合物这一问题时，主要是研究机械火花的点燃性能。我们已经知道，机械火花的实质就是，从碰撞体上飞出的炽热的微粒从碰撞体上飞出时已获得了足够的热量和一定的速度。在微粒飞行过程中，炽热的微粒同空气中的氧气接触，发生氧化反应，又进一步放出热量，直到微粒燃烧殆尽（机械火花熄灭）。在这个过程中，如果燃烧与爆炸的条件具备，机械火花就能够点燃爆炸性气体混合物。如果飞出的炽热微粒在飞行过程中没有得到充分氧化，在飞行过程中与空气发生热交换损失的热量没有得到补充或增加的话，那么，这种火花就不能够点燃爆炸性气体混合物（即使其他燃烧与爆炸的条件存在）。

2.影响机械火花点燃爆炸性气体混合物的主要因素

机械火花点燃爆炸性气体混合物的或然性与很多因素有关。它们都影响着机械火花的点燃能力。例如，两种物体碰撞时的碰撞角，混合物中可燃性气体的浓度，碰撞时的碰撞能量，碰撞时的碰撞速度，碰撞体的表面状态（例如是否有锈蚀），碰撞体的材质和硬度，环境的温度和湿度等因素，都不同程度地影响着机械火花的点燃能力。这里就这些因素予以简单的讨论。

（1）碰撞角度的影响

试验研究指出，在自由落体冲击试验时被冲击物平面与冲击方向之间的夹角不同，机械火花点燃爆炸性气体混合物的能力也不同。点燃或然率与碰撞角度的关系如图1.7所示。一般认为，当碰撞角为50°左右时，机械火花的点燃或然率最大。

从图1.7中可以看出，随着碰撞角的增大或减小，点燃或然率都在减小。这一点可以这样认为，当增大碰撞角时，碰撞就接近“法线式”碰撞，碰撞的动能大部分用于使碰撞体变形，转化成热能，不会产生火花；当碰撞角减小时，碰撞就出现了“滑动式”摩擦，碰撞的动能只有很小一部分消耗在碰撞接触部分。因而，这两种趋势都不太容易从碰撞体上分离出微粒，不太容易形成火花，不太容易发生点燃。在碰撞角为50°左右时，碰撞的有效能量处于最佳值，可以产生激烈的火花，因而，容易发生点燃。

图1.7 点燃或然率与碰撞角的关系

（2）混合物浓度的影响

试验研究指出，混合物中可燃性气体的浓度对机械火花的点燃能力有很大的影响。对于机械火花的点燃特性来说，各种混合物都有一个最易点燃的浓度最佳值。有关文献指出，氢气-空气混合物和乙炔-空气混合物的机械火花点燃或然率与其浓度的关系如图1.8所示。

图1.8 点燃或然率与混合物浓度的关系

a）乙炔 b）氢气

从图1.8中可以看出，机械火花点燃爆炸性气体混合物的最佳浓度都是处于爆炸极限的低浓度侧（乙炔的爆炸极限为2.3%～100%，氢气的爆炸极限为4%～77%）。这主要是与混合物中氧气的相对含量有关。在低浓度侧氧气的相对含量大，有利于火花微粒的进一步氧化，而此时混合物中可燃性气体的浓度又适于被点燃。随着混合物浓度的增加，氧气的相对含量减小，不利于氧化放热反应进行。对于其他的可燃性气体混合物，机械火花点燃的最佳浓度值，亦有同样的解释。

（3）碰撞能量的影响

在固体的碰撞摩擦中，碰撞能量对点燃爆炸性气体混合物有着很大的影响。在自由落体冲击试验中发现，点燃或然率随碰撞能量的增加而增加。图1.9所表示的是，铝镁合金（含镁量为92.6%）与生锈钢板碰撞时，机械火花点燃甲烷-空气混合物（甲烷浓度为6.4%）的或然率与碰撞能量的关系。

图1.9所表示的曲线的试验条件是，碰撞角为50°，落下重物的质量为16.3kg，甲烷-空气混合物的浓度为6.4%。对于其他的爆炸性气体混合物，点燃或然率与碰撞能量的关系也是一种呈非线性增长的曲线。碰撞能量对机械火花点燃能力的影响可以这样来理解，碰撞能量大，用于点燃的有效能量就大，于是，点燃或然率就增加。

（4）碰撞体表面状态的影响

在碰撞摩擦试验中发现，相互碰撞摩擦的表面覆盖有煤尘、铁锈或表面潮湿，对点燃爆炸性气体混合物有不同程度的影响。试验指出，当表面有铁锈时，轻金属与这种钢板碰撞发出的机械火花最容易点燃爆炸性气体混合物。碰撞表面的状态对点燃或然率的影响如图1.10所示。

图1.9 点燃或然率与碰撞能量的关系

从图1.10中可以看出，铁锈对点燃能力的提高有很大的影响。在轻合金（铝）同生锈的钢板碰撞时，观察到了明亮的火花闪光。试验指出，在试验条件下，由潮湿的生锈钢板碰撞时机械火花点燃甲烷-空气混合物的或然率为50%，而由干燥的生锈钢板碰撞时的火花点燃或然率为20%。

图1.10 表面状态对点燃或然率的影响(www.xing528.com)

1—潮湿的生锈钢板的情况 2—干燥的生锈钢板的情况 3—钢板上覆盖煤尘的情况 4—钢板上覆盖潮湿煤尘的情况

分析可知，潮湿的铁锈的主要成分是氢氧化铁。氢氧化铁若被加热到500℃以上就会分解成三氧化二铁。在碰撞摩擦时，铁锈就可以被加热到500℃以上。此时，碰撞形成的细微轻金属微粒比铁微粒更活泼，同氢氧化铁的分解生成物发生激烈的反应，并释放出大量的热量，化学反应式为

Fe（OH）₃+2Al=Al₂O₃+Fe+1.5H₂+821kJ （1.11）

轻合金的微粒甚至在室温条件下也能同铁锈中和混合物中的水分子、空气中的氧分子进行反应，并释放出热量，化学反应式为

2Al+3H₂O=Al₂O₃+3H₂+1339.3kJ （1.12）

2Al+1.5O₂=Al₂O₃+1646.6kJ （1.13）

反应[式（1.11）]一旦开始，还原铁和空气中的氧之间、加热到高温（大约1000℃）的轻合金微粒和铁的氧化物（Fe₂O₃）之间就会相互发生反应，并释放出热量，化学反应式为

2Fe+1.5O₂=Fe₂O₃+817.9kJ （1.14）

2Al+Fe₂O₃=Al₂O₃+2Fe+829.6kJ （1.15）

在轻合金同潮湿的生锈钢板碰撞摩擦时发生的上述反应，加剧了火花形成的猛烈性，于是，发生了点燃。

试验指出，将生锈钢板加热到500℃以上，用轻合金碰撞时，即使产生火花，也没有以前那样激烈，结果没有点燃甲烷-空气混合物。这主要是因为，把生锈钢板加热到500℃以上时氢氧化铁已经分解，化学反应式为

2Fe（OH）₃=Fe₂O₃+3H₂O （1.16）并且，水分已经蒸发掉。此外，混合物中的水分减少，空气中的氧气减少，这样一来，氧化放热反应就难以进行。

在进行的比较性试验中，混合物中的含氧量很小（1.7%）时，从碰撞点也能观察到火花，但是，比在空气（21%氧）中试验时的火花小得多，而且也不明亮。

从以上的分析可知，潮湿的铁锈中包含的水分和铁锈中的氧分子在碰撞时是一种氧气“发生源”，能够加速火花的氧化反应，使火花变得更加激烈。但是，铁锈不是机械火花的产生因素。

（5）硬度和材质的影响

在碰撞摩擦时，材料的硬度和材质对机械火花的点燃能力也有不同程度的影响。材料的硬度越大，碰撞时越容易分离出炽热的金属微粒，形成火花；硬度小时，碰撞时发生范性变形，吸收碰撞能量，难以分离出金属微粒。

人们分别使用青铜、钢和锌铝合金制成的冲头来进行冲击生锈钢板的试验。试验结果如表1.8所示。

表1.8 几种材料的冲头对生锈钢板的碰撞结果

从表1.8中可以看出，即使碰撞能量很大，硬度小的锌铝合金也不产生机械火花，因而，没有发生点燃。有试验指出，用洛氏硬度188的钢制试样进行试验时，机械火花点燃了甲烷-空气混合物（富氧25.5%，甲烷6%）的点燃或然率为19%，而经淬火（洛氏硬度770）的同样试样点燃同样的混合物的点燃或然率为71%。

碰撞体的材质（即化学成分）对点燃或然率的影响也有极大的不同。例如，用碳、锰、镁制成的合金碰撞时从碰撞体上分离的金属微粒会发生激烈的氧化反应，容易点燃爆炸性气体混合物。用硅、镉制成的合金碰撞时从碰撞体上分离的金属微粒表面会形成一层很薄的难熔的氧化膜。这种氧化膜能够防止金属微粒进一步氧化。因此，此时的机械火花难以点燃爆炸性气体混合物。总而言之，碰撞体的化学成分对点燃或然率的影响的实质是，合金的化学成分中某些成分是有利于机械火花的形成和发展（氧化），还是阻碍机械火花的形成和发展。

合金中化学成分对点燃或然率的影响没有一定的规律性。例如，一般认为，在合金中加入微量的铍（Be）能够降低机械火花的点燃能力。

但是，试验指出，这种结论是不完全正确的。用铍铜铸件试样以565.7J的能量冲击钢板时点燃30%的氢气-空气混合物的或然率为0（即没有发生点燃，在20次试验中没有发生一次点燃），而用铍铝合金铸件试样以510J的能量进行同样的试验时，点燃或然率为30%（即在20次试验中有6次发生点燃）。对于这种情况，可以这样解释，同样是铍合金，但前者是铜基铍合金，后者是铝基铍合金，铝比铜活泼，所以，即使后者的冲击能量比前者稍小一些，也点燃了爆炸性气体混合物。

以上简单地讨论了影响机械火花点燃能力的几个主要因素。然而，机械火花点燃爆炸性气体混合物的机理是十分复杂的，这些因素对点燃或然率的影响是综合的，不可能单独分开地进行考虑。也有一些情况不符合这些因素的影响规律，例如，在高速冲击时（用步枪子弹冲击被试物时），最容易点燃的碰撞角不是50°，而是15°，随着角度的增加点燃或然率将减少。

此外，还必须强调指出，有很多试验表明，试验物体之间的冲击与被冲击顺序，也影响着机械火花的点燃能力。例如，用甲冲击乙产生的机械火花点燃了爆炸性气体混合物，然而，在其他试验条件不变的情况下，用乙冲击甲产生的机械火花未必就能够点燃爆炸性气体混合物。这一点应该引起人们足够的注意。

3.机械火花点燃爆炸性气体混合物的最易点燃浓度

机械火花点燃爆炸性气体混合物时，同其他点燃源点燃爆炸性气体混合物时一样，同样存在一个最易点燃浓度。试验人员对几种可燃性气体进行了测试，得到了表1.9所示结果。

表1.9 机械火花点燃几种可燃性气体的最易点燃浓度

分析可知，机械火花点燃爆炸性气体-空气混合物的最易点燃浓度，通常情况下，趋近于爆炸极限的下限侧。这是很容易理解的，因为机械火花点燃时需要较多的氧气来氧化从碰撞体上飞出的炽热颗粒，使之继续进行燃烧，直至燃烧殆尽。低浓度（大于爆炸极限下限）的混合物含氧量相对要多一些，支撑了炽热颗粒的氧化反应。