爆炸纳米多晶金刚石之爆炸力学的创新理论与技术

张凯,张路青

(中国大连凯峰超硬材料有限公司,辽宁大连116025)

爆炸纳米多晶金刚石之爆炸力学的创新理论与技术

张凯,张路青

(中国大连凯峰超硬材料有限公司,辽宁大连116025)

叙述了在研究和生产爆炸纳米多晶金刚石中必须要发展和应用的爆炸力学中诸多的创新理论与技术:药柱在水中爆炸时,轴对称一维的飞片飞行速度计算公式;新的击波通过二相粉末时的压力计算模型;击波通过有空隙率的二相粉末时的空隙分配理论;粉体空隙内残存空气在击波作用下发生的绝热压缩理论;飞片下空气在高速飞片飞行过程中不能向侧向排出,最终产生绝热压缩的理论;击波在粉体中的追赶理论;石墨通过爆炸相变为金刚石的新结构位置转变模型的诸问题。

创新理论与技术;压力计算模型;空隙分配理论;绝热压缩理论;爆炸相变的新结构位置转变模型

1 引言

1961年美国的Decarli[1]在受冲击后的石墨中发现有金刚石的证据,Decarli的工作开创了“爆炸纳米多晶金刚石”的诞生,从1968年[2]至今的40多年中无论从实验和理论上都证实石墨转变为金刚石的转变压力(动态)应在40GPa,冲击温度也应达到≥2000K[3]上下。如果采用将炸药和粉末直接混在一起的爆炸方法,所用的这些炸药密度约1.2g/cm3,爆速6000m/s上下,其爆轰压力PH≈11GPa,是不能期望将石墨转变为金刚石的。即使采用金属盒如圆管,内装粉末,而在外部直接贴上密度≥1.6g/cm2,爆速上7500m/s台阶的高爆速炸药直接爆炸的技术,收效也甚微,通用的方式只能是采用高速飞片(或高速飞管)打击粉末体的办法。更有甚者,即使飞片速度达到3000m/s以上,但如被冲击的粉末是纯石墨,则其压力也不可能达到≥40GPa,必须在粉末中加入某种高密度的金属粉,如钴、铜、铁等粉末,当击波进入混合粉体后,这些金属粉起着“打击板”的作用,才能提高冲击压力值,可是这样一来,被冲击粉末成为二相粉末了,二相粉末中的冲击波理论:包括二相粉末的状态方程?如何求冲击压力和波速?二相粉末如何卸载?这些问题又都成了难题。因此,“爆炸纳米多晶金刚石”对爆炸加工力学的理论与技术提出了创新的要求。但本文暂不涉及为解决新理论技术而创立的新工艺技术。

2 爆炸纳米多晶金刚石中的爆炸加工力学的创新理论与技术

2.1 创立药柱在水中爆炸形成轴对称一维的飞片飞行的速度计算公式

以平面飞片打击来说,必须解决如何去求出平面飞片飞行速度的理论方法,即选择好炸药后,测出其密度与爆速值,然后确定炸药与飞片的质量比R= ρoδo/ρδ,其中ρo、δo是炸药的密度与药柱高度,ρ、δ是飞片材料的密度与厚度,由于在水中爆炸,炸药爆后产生的爆轰气体流场实际上是二维轴对称流场,应用过去在爆炸加工中应用过的Gurney与Aziz公式[4]去求飞片速度已经不再符合实际,因此要创立一个新的计算公式,笔者实际上是把二维轴对称流场简化为轴对称一维后,把理想一维的Aziz公式经过修正,并通过实测验证,提出张凯―Aziz公式,其理论计算值与实验基本符合。

2.2 创立一个新的计算力学模型

可提出一个实际算例:对某一混合比例的铜/石墨粉,推出的均相分布理论下的莫乃汉状态方程为

2.3 粉体内空隙率的作用——提出空隙分配理论

实施爆炸技术的准备工作中,先要制作出一个粉体来,一般都由通用的压力机来制作,粉体的密度应该比其结晶密度低,所以粉体中都存在空隙,不抽真空时,在空隙中存在空气,事实上,压好的粉体很难抽真空。空隙率的大小是影响冲击温度高低的重要因素,一般空隙率大,冲击压力就低,但冲击温度变高,在爆炸纳米多晶金刚石研究中,空隙率从10%到30%都有。既然粉体中一定有空隙存在,则就产生了一个理论问题:冲击波通过粉体时,实际上是制造出了一个流场,即使是一维应变的流场,在这个流场内,金属颗粒、石墨颗粒、还有空隙都随时间(t)、位置(x)而变化,可以这样来理解,金属是带有空隙的松装金属,石墨也是帶有空隙的松装石墨,这二种物质在流场内不断地发生碰撞、压缩、剪切,最终产生击波压力和温度,这个压力、温度又高底依赖于空隙率的大小,那末就要问,粉末中金属粉和石墨粉各占多少空隙率呢?依据什么来判定空隙的分配率呢?这确实是一个很难回答的问题,但不解决空隙率的分配,真正的压力计算仍无法进行下去。笔者在2012年提出了一个二相粉末在一维应变流场中的空隙分配理论[6]:“带空隙度的两种不同粉末介质的混合粉体,在产生一维应变的击波作用下,在击波波阵面应只有一个波速,为满足此要求,此时不同粉末介质会自动调节占有空隙率的分配,使击波通过具有不同空隙度的不同介质粉体时的波速达到一致。”(笔者认为鉴于此理论的重要性,应命名为凯氏空隙分配理论。)

2.4 发现粉体空隙内残存空气发生可怕的“绝热压缩”

1997年秋冬之交在吉林烟筒山石墨矿做金刚石爆炸试验[7]。粉盒装置和炸药装置如图1和图2所示。

图1 粉盒装置图Fig.1 The powder case device

图2 炸药装置图Fig 2 The blasting charge

粉盒中装90/10=铜/石墨粉299.4克,初装密度86.3%,飞片厚度5.5mm,药柱沿轴向由上端引爆,侧向有水泥套,药柱由两种炸药组成,下部塑性炸药716克,ρ0=1.6g/cm3,爆速Vd=7600m/s,上部自制85/15=RDX/环氧炸药1210克,ρ0=1.328 g/ cm3,Vd=6898m/s。飞片速度Vp=2562m/s(计算值,未实测)。

预拌混凝土由指定搅拌站负责，采用混凝土罐车运输，每车装载量为7.5 m3。根据筏板基础施工平面布置、搅拌站生产能力、施工进度及人员等情况，在现场基坑两侧布置4台汽车泵，每台泵车配备5台混凝土运输车。

爆炸后,粉盒外部丝毫未破,按理,应100%回收,即应回收29.9克石墨粉,可打开一看,有一半多粉末完全烧焦,仅回收未烧焦石墨粉11.5克,只占总量的40%,烧焦粉全在粉盒底部,铜粉已完全达到融化状态,盒铁底板表面亦呈现熔化表象,铜的烧焦程度异常,无法从铁板上铲下,与铁完全熔化在一起了,铜在常压下的熔点是1083℃。可铜在高压52万atm下,熔点将达到2880℃左右,这样,铜的融化是在压力卸载后常压下熔化的吗?还是在高压下已经开始熔化了的呢?还不好早下定论,但据铁板表面已熔化的迹象看,该处温度至少在1600℃以上。

这个试验是1997年入冬时做的,一直到2006年,在笔者自己已创立计算压力模型后,用自己的计算模型作了重新计算,计算结果是

按笔者现在对金刚石理论的洞悉知识,可以明确地说,6.7155X104MPa的压力是非常好的,但温度太低,1469.8K的温度是不会有任何金刚石产生的,在一定的压力窗口下,至少大于peg=4.3118X104MPa下,产生金刚石的温度窗口大致在1800～2200K,低于1800K,一般不会产生金刚石,但这次试验从爆炸回收的11.5克石墨中用Hclo4处理后,但未经HF提纯处理,有0.7克毛金刚石,毛转化率有6.08%,可以肯定有金刚石产生了。这说明,除了冲击压缩外,一定还有另外的附加温度产生,这个附加温度在装粉装置的上部有400℃还多,亦即这个试验中的粉盒上部由于附加温度使压缩的温度上升到1800K多度,产生了金刚石。而在粉盒下部由于更大的附加温度又可能使粉末的温度达到≥2600K甚至更高(即T＞2300℃),从而使钢板表面熔化,石墨带着铜粉烧焦,这附加温度的来源就是粉体原空隙中存在的空气,实际上,粉末空隙中的空气在1cm3体积中只有0.1368cm3。全部装粉体积50.724cm3,所有空隙体积只有6.939cm3,空气量只有6.939×0.001225= 0.008500327克。这些气体虽然量很小,在冲击波的驱赶下全部被赶到装粉盒的底部,在冲击压力p= 6.67155×104MPa的压缩下,产生绝热压缩。粉体空隙中的残存空气会产生可怕的绝热压缩,国际上在这一学术领域中,这一理论是笔者在1997年首先在实验中发现的,整整过了9年,到2006年笔者才完全从理论上给予解决了,又过了8年,到2014年我才在成都召开的中国材料大会粉末组公开于世界,也就是说,这个问题从发现到公布经过17年,不容易呀!但重要的是要创造一种全新工艺技术去避免绝热压缩产生,我们做到了。

2.5 发现飞片下的气体不能向侧向排出,最终产生绝热压缩,形成巨大速度气流刀[8]

在爆炸合成和爆炸压实研究中,大多采用平面飞片打击方法来进行压力加载,且大多数实验都在常压空气下进行,即飞片飞行路程中是常压下的空气而不是真空的,迄今从事爆炸力学的学者大都认定:平面飞片下的空气随着飞片向下飞行,空气会向飞片四周自然排出,不会对飞片飞行构成大的阻力,且一般飞片飞行距离很短,飞片下体积内的常压气体量是个很小的量,怎么可能造成聚能效应呢?

2006年在阜新矿务局12厂,在他们的一个直径Ф1800×2000的壁厚为20mm的旧罐中试爆一次实验,见图3。飞片下的空间的空气量(大气状态下)为0.8876克。药柱上端的引爆药柱中间有惰性块,雷管引爆后,先将主装药柱的周边上部引爆,这样在主装药柱内造成的爆轰波面在中心区域是一个汇聚的球面波,迫使爆轰波面呈图3右侧形状,从而使得飞片的飞行姿态亦呈同样形态,当飞片以这样的形态打击粉盒盒盖时,原飞片下的大部分气体都集聚在CDA这个凹形区域内,而不从侧向流出,当飞片最终强行压向粉盒表面时,飞片下的向内凹形总会逐渐消失,而被压缩在凹形内的气体被绝热压缩到与飞片打击粉盒铁盖时的压力相等,凹坑内气体会被强迫从其四周侧向冲开一道细缝排出,速度会达到5万米/秒以上,高速气体喷出正好遇上同步飞下的3mm塑料板,塑料板自然将喷来气体挡住,由于飞片下冲出的气流方向一定偏向上方一个角度,是绝不可能沿水平方向喷出,从而塑料板在锋利的气流冲刷下会瞬态地被弯曲成图3下面那个图的形状,在塑料板还未被冲破以前,已将气流折转成近180°方向,向下冲去,气流成为一个“气刀”,将粉盒边缘10mm厚的铁边缘切去,切口光滑,无丝毫凹凸粗糙不平的冲刷痕迹,犹如“快刀断发”之利,足见“气刀”能量之巨。

图3 形成气流刀的实验装置Fig.3 Experimental facility for air knife

爆炸是在一个Ф1800×2000的由20mm厚锅炉钢板制作的埋在地下的旧罐中进行的,口与地表平,离罐口周围1m远处围有网眼约30mm大小的铁细网,高约3m,图3的爆炸装置采用悬挂式挂在离罐口约0.8m的半空中,在罐底正中放一个高0.6m内装200mm高湿锯末的半截子油桶,来承接回收任务。爆炸后,罐壁完好,无任何裂缝,罐底有一个裂缝,但没有发现粉盒残片,而在罐口地面发现2块粉盒碎块,每个碎块大约是原盒圈的1/4左右。这两碎块定是粉盒高速砸向罐底,碎成4块后,两块落在铁丝网内,而另两块穿越网高飞到网外去了,碎块飞越高度会超过5m。查看捡回来的两个碎块,看出粉盒外缘从Ф150mm到Ф184mm厚度10mm的边缘部分完全被气流切去,切口处气流流动痕迹非常清晰.取回那个装有湿锯末的半高油桶,虽已变形,但仍保持一个整体,并未破碎,粉盒内的粉末大都还在,且都呈未被冲击压缩的情况,还是装粉前状态;粉末未被飞片打击压实,是因粉盒已具有了相当大速度,甚至可能与飞片速度同一水平,从而飞片就达不到冲击粉末的结果。

阜新的这次试验,是一次非常重大的科学发现:“飞片飞行达到一定速度后,飞片下的气体大部分无法从飞片下排出,当飞片打击靶板时,气体会形成绝热压缩,产生极高速的气流,形成气流刀”,这件事足以让搞这一学科的科学家们惊讶莫名!笔者把这个实验结果另一重要实验结果(未列入本文)写成一篇论文“论平面飞片下气体绝热压缩后的聚能效应”2010年3月24日投到爆炸与冲击杂志。但一年之后,接到了稿件处理意见:“退稿”;二位审稿者意见一致是:“从来没有见到过飞片压缩空气会有如此巨大喷射这样的现象”,后来经过笔者严正的“科学争鸣”,和多位科学家的争论,论文终于在2011年发表了。这件事说明笔者在实验中的新科学发现,是国际上的首先发现者与解决者,只是目前难于被多数专家所理解而已。目前已创造了独特工艺防止这种“超速气流刀”对爆炸纳米多晶金刚石合成和固接的影响。

2.6 新装粉理论的形成和应用

笔者从1991到2013年的22年研究历程中,一直是恁直觉感性去确定装粉量的,最后根据获得的转化率再确定装粉量是否合理,这就是说,“装粉技术”一直没有上升到理论的水平,“装粉技术”应该是计算爆炸力学在爆炸纳米多晶金刚石生产中一项极为重要的实际应用,它关系金刚石的转化率和生产成本的升降,也是企业领导人,技术指挥者在生产中强大“自信”的表现。这项理论与击波通过二相粉体时发生的“波的追赶”,即“稀疏波对击波的追赶”有关。2013年笔者已顺利的运用计算爆炸力学方法推导出新装粉理论,已应用于实际生产。

2.7 石墨通过爆炸相变为金刚石的新结构位置转变模型[10]

石墨粉层受到击波高速冲击后,在高温高压下,会以固相结构方式转变为金刚石,笔者因此创立了一个新的转化模型,在文中简称为“凯”模型,包括:在ABCA型石墨的转化理论中,找到了具体那18个碳原子向金刚石晶胞转变的原子对应点结构,使活化能的计算可接近最小值。在ABA型石墨转化理论中,除石墨网格平面间的压缩之外,必须考虑层间剪切错动的作用,剪切变形与层间压缩的概率都是同样的多。标志其特性错动的距离是0.521h,h-层间压缩距离,理论被实验所征实。图4是金刚石立方晶胞的18个原子位量置,图5是对应的石墨各层上的18个原子位置。

图4 晶胞在空间位置Fig.4 The location of unit cell in space

图5 石墨转变为金刚石时的原子配置图Fig.5 Atomic configuration diagram of graphite when transformed into diamond

[1] Decarli P.S,Jamieson J.C.1961.Formation of diamond by explosive shock[J].Science,133:1821-1822.

[2] Mc Queen R.G,Marsh S.P.1968.Behavior of dense media under dynamic pressures.New York:Gordon&Breach:207.

[3] Erskine D.J,Nellis W.J.Shock-induced martensitic phase transformation of oriented graphite to diamond[J].Nature,349:317-319.1991.

[4] 邵丙渣,张凯.爆炸焊接原理及其工程应用[M].大连理工大学出版社,1987(10).

[5] 邵丙璜,汪全通.平面飞片作用下石墨相变为金刚石的热力学参量计算.中科院力学所内部资料,1977.

[6] 张凯,张路青.爆炸纳米多晶金刚石的技术进展,爆炸合成纳米金刚石和岩石安全破碎关键科学与技木[C].第188场中国工程科技论坛论文集,江旭光主编,冶金工业出版社,2014.

[7] 张凯,张路青.爆炸压实中存在于粉体中的气体的绝热压缩现象[C].中国材科大会2014,四川成都,2014.07.

[8] 张凯.论平面飞片下气体绝热压缩后的聚能效应[J].爆炸与冲击,2011,31(4):444-448.

[9] 张凯,张路青.石墨通过爆炸相变为金刚石的新结构位置转变模型[C].2011中国(郑卅)国际磨料磨具磨削技术发展论坛论文, 2011.11;中国超硬材料学报,2/2013,3/2013.

锆石和钻石区别

锆石(英文名称:zircon)是一种硅酸盐矿物,它是提炼金属锆的主要矿石。锆石广泛存在于酸性火成岩,也产于变质岩和其他沉积物中。锆石的化学性质很稳定,所以在河流的砂砾中也可以见到宝石级的锆石。锆石有很多种,不同的锆石会有不同的颜色,如黑、白、橙、褐、绿或无色透明,等等。经过切割后的宝石级锆石很像是钻石。钻石不用太多介绍,大家都知道一些相关知识,钻石是指经过琢磨的金刚石,金刚石是一种天然矿物,是钻石的原石。钻石是一种标准化产品,它不分产地不分品牌,为垄断商品,全球钻石供应商主要是南非商戴比尔斯公司,国内品牌钻石都是从这家公司分销的。

无色透明的锆石经过细心琢磨后,是钻石的良好代用品。锆石的折光率近于2,色散也与钻石相近。因此从外观上看,锆石也会闪烁着彩色光芒,与钻石很相像。在各种人造钻石出现之前,锆石是最佳的钻石代用品。目前,锆石已成为中低档宝石的佼佼者,但锆石相比于钻石,价格更低廉,消费者有必要了解锆石与钻石的区别。

锆石的主要鉴定特征有高折射率、强光泽、高双折射率、高密度、高色散和典型的光谱特征等,锆石的鉴别工具有镊子,小铲子,台灯,卡尺和A4纸。

钻石是已知最硬的物质,只有钻石才能刻画钻石,其摩氏硬度是10;锆石的摩氏硬度是8;刚玉(红、蓝宝石)是9;因此,钻石可以刻画刚玉;锆石不可刻画刚玉,刚玉不可刻画钻石;刚玉可以刻画锆石。

锆石具有很强的双折射,即它有两个折光率,并且两个折光率之间的差别较大。由此而产生了一种很特殊的光学现象,当用放大镜观察琢磨好的锆石成品时,由其顶面可以看出底部的面和棱线有明显的双影。钻石因为是“均质体”,绝不会有双影现象,由此可以区别锆石与真钻石。

锆石的比重为4.69,而钻石的比重只是3.52,即锆石是钻石的1.33倍。也就是说同样体积的2个宝石,重的是锆石,轻的是钻石。不过比重不便观察,只有用仪器测定后才能知道。 (搜狐网)

Innovative Theory and Technology of Explosion Mechanics of Explosion Nano Polycrystalline Diamond

ZHANG Kai,ZHANG Lu-qing
(Dalian Kai-Feng Extra Hard Material Ltd.Co.Dalian,Liaoning,China 116025)

The following innovative theories and technologies of explosion mechanics which should be developed and adopted for the research and production of explosion nano polycrystalline diamond have been discussed in this article:computational formula of flying speed of the one-dimensional axisymmetric flyer when the grain explodes in the water; pressure computation model of the new shock waves when they pass through the twophase powders;space allocation theory when the shock waves pass through the two-phase powders with certain voidage;adiabatic compression theory formed by the effect of shock waves to the trapped air between the gap of powders;the air underneath the flyer can not be discharged from lateral during the high speed flying of flyer,hence adiabatic compression is ultimately formed;theories of catching-up development of the shock waves in powders;the new structural position change model of the phase change of graphite into diamond through explosion.

innovative theory and technology;pressure computation model;space allocation theory;adiabatic compression theory;new structural position change model of the phase change through explosion

TQ164

A

1673-1433(2015)05-0033-06

2015-08-13

张凯(1931-),男,DLUT教授,1995年退休,曾任第3、第4屆全国爆炸力学专业委员会委员,全国爆炸加工学组委员和高速气体动力学组委会委员,现任中国材料研究学会理事。E-mail:kzh5@163.com。

张凯,张路青.爆炸纳米多晶金刚石之爆炸力学的创新理论与技术[J].超硬材料工程,2015,27(5):33-38.