含能微球敏化乳化炸药水下爆炸能量输出特性研究*

李雪交，吴 勇，王 琦，高玉刚，汪 泉，王奕鑫，马宏昊

（1. 安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大学能源与安全学院，安徽 淮南 232001；3. 中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司，安徽 淮北235000；4. 中国科学技术大学工程科学学院，安徽 合肥 230027）

乳化炸药因抗水性能和安全性能优良、爆轰性能和贮存性能稳定，以及绿色环保等特征，被应用于各类工程爆破以及特种爆破中。随着国内外研发技术的不断发展，爆破领域对其性能上的需求越来越多样化，然而在工程应用中依然存在诸多问题需要解决。乳化炸药中10%左右的含水质量提高了炸药的安全性的同时，也降低了爆炸威力。优化乳化炸药的爆炸性能和改善爆破效果一直受到国内外研究人员的广泛关注。Cheng 等在乳化炸药中添加TiH来提高爆炸威力。钱海等探究了含铝乳化炸药的做功能力，研究表明铝粉质量分数为20%炸药的爆炸性能最佳。陈海军等将直径8 µm 的钛纤维引入炸药以来改善炸药爆炸的做功能力。

乳化炸药主要组成包含乳化基质与敏化剂。敏化剂会影响炸药起爆感度和爆炸性能。当雷管起爆时，冲击波压缩敏化气泡形成热点，随后反应在周围炸药介质中增长导致炸药爆炸。化学敏化剂在此过程中受到冲击波作用会出现结构受损、气泡析出等现象，影响炸药爆炸性能。空心微球以其均匀的粒度分布、稳定的抗压性能、优良的敏化效果，逐渐成为乳化炸药理想的物理敏化剂。Fang 等探究玻璃微球质量分数及粒径大小对乳化炸药爆炸性能的影响并调配出性能最优的乳化炸药配方。Wang 等分析储氢玻璃微球对乳化炸药性能的影响并与其他储气微球进行对比。Yunoshev 等提出一种聚合物微球作为敏化剂添加到乳化基质中，通过对其爆速及爆轰压力的实验分析，结果表明该聚合物微球具有良好的物理敏化效果。

本文将一种新型含能微球作为物理敏化剂引入乳化基质，利用水下爆炸实验测量不同微球质量分数（0.2%～7%）乳化炸药在不同距离（0.8～1.4 m）的压力-时程曲线，通过分析水下爆炸性能参数（冲击波峰值压力、比气泡能、比冲击波能以及比爆炸能），探究含能微球对乳化炸药的水下爆炸性能影响，为优化乳化炸药配方及在爆破工程应用提供理论依据。

1 实 验

1.1 微球热膨胀

采用含能微球作为物理敏化剂，其外壳是热塑性聚合物，内部是低沸点烷烃类的高温发泡微球，测得其燃烧热为28 450 kJ/kg。将其放置在90 ℃恒温环境中发泡5 min，微球快速膨胀，其平均直径从15 µm增至70 µm，微球体积增大超过100 倍。含能微球发泡前后形貌如图1 所示。

图1 含能微球SEM 图Fig. 1 SEM images of energitic microballoons

1.2 乳化炸药制备

将硝酸铵、硝酸钠以及水置于95 ℃恒温下水解形成水相，石蜡置于85 ℃恒温下熔化形成油相（主要成分为CH），然后在100 ℃下，将油相与水相在乳化剂Span-80（CHO）的乳化作用下搅拌均匀，冷却后得到实验所用的乳化基质，其组分如表1 所示。

表1 乳化基质各组分的质量分数Table 1 Mass fraction of compositions in emulsion matrix

以乳化基质为基，将含能微球加入其中混合均匀，得到不同微球质量分数的乳化炸药。实验乳化炸药质量均为30 g，炸药各组分及配比如表2 所示。

表2 不同含能微球质量分数的乳化炸药配比Table 2 Ratio of emulsion explosive with different energitic microballoon mass fractions

为探究含能微球对乳化炸药形貌的影响，选择具有代表性的乳化炸药进行扫描电镜观察，其形貌如图2所示。从图2 可以看出：当微球质量分数较小时含能微球被乳化炸药包覆，形貌呈乳化基质的乳胶状。当含能微球质量分数增至7%，炸药由包覆微球转变为被微球包覆，其形貌呈图2(b)所示粉末状。

图2 不同微球质量分数的乳化炸药微观形貌Fig. 2 Microscopic morphology of emulsion explosive with different mass fraction of microballoon

1.3 水下爆炸系统

利用水下爆炸法测定炸药能量输出具有测量精确度高、操作简便等优点。Barnes 等提出小型爆炸水池可以作为测试炸药水下爆炸能量的一种新方式。因此，本实验在圆柱形的钢制爆炸水池（∅5 m×5 m）中进行，如图3 所示。实验装置包括PCB 水下压力传感器（W138A25）、PCB 恒流源（482A22）、Tektronix 示波器（8064A）。为减小边界对激波信号的影响，将球形药包置于水下3 m 处。8#工业雷管作为起爆能量，研究表明8#工业雷管可充分起爆微球质量分数为0.2%～7%的乳化炸药，其底部位于药包中心。分别在离药包中心0.8、1.0、1.2、1.4 m处放置压力传感器，测得4 个不同位置的水下冲击波压力-时程曲线。一次实验可以将两个压力传感器安置在不同位置同时测量，每种炸药做3 组平行试验。

图3 水下爆炸系统示意Fig. 3 Schematic diagram of the underwater explosion system

2 实验结果与讨论

球形装药爆炸瞬间转变为水下冲击波和高温高压的爆炸产物。一部分能量以冲击波形式在水介质中传播，另一部分能量使爆炸产物以气泡脉动形式继续向外膨胀。因此，可以通过水下爆炸实验测试参数来评价炸药的水下做功能力。本实验得到了不同含能微球质量分数的乳化炸药水下爆炸冲击波压力-时程曲线，其中距炸药中心0.8 m 处的测试结果如图4 所示。

由图4 可知，含能微球质量分数为0.2%乳化炸药冲击波峰值压力最高，且随着微球质量分数的增大，冲击波峰值压力逐渐降低。在冲击波压力衰减阶段，可以看出微球质量分数为0.2%时，炸药水下冲击波压力衰减速度反而最快，此阶段内，随着含能微球质量分数上升，冲击波压力衰减速度整体上逐渐放缓。

图4 水下爆炸压力时程曲线Fig. 4 Underwater explosion pressure-time curves

结合乳化炸药爆速来看（表3 和图5），含能微球质量分数为0.1%时，由于微球质量分数过小，8#工业雷管起爆能很难直接作用到微球上形成热点，从而出现拒爆现象。而微球质量分数为0.2%时，乳化基质被含能微球充分敏化，炸药爆速最高达到5150 m/s。当微球质量分数大于0.2%时，此时炸药中的含能微球具有敏化剂和稀释剂的双重作用，使得单位质量炸药的能量降低，并且爆轰波在炸药中的传播受到阻碍，导致炸药爆速会逐渐降低，但是衰减速度在变慢。当微球质量分数达到9%时，微球被炸药中的基质完全包覆，雷管起爆能难以直接作用到乳化基质上，乳化炸药再次拒爆。实验结果表明，含能微球作为一种含能物质，会参与到炸药的爆炸反应中，延缓水下爆炸冲击波的衰减速率，含能微球质量分数为0.2%的乳化炸药爆速最高。

图5 不同微球质量分数下乳化炸药爆速Fig. 5 Detonation velocity of emulsion explosive with different mass fraction of microballoon

表3 不同微球质量分数下乳化炸药爆速Table 3 Detonation velocity of emulsion explosives with different mass fraction of microballoon

经过处理分析不同微球质量分数的乳化炸药在各个位置水下爆炸压力-时程曲线，得到其峰值压力变化趋势，如图6 所示。

图6 不同微球质量分数乳化炸药峰值压力（pm）与距离（R）的关系Fig. 6 Changes of maximum pressure (pm) with distance (R) at different microballoon mass fractions in emulsion explosives

由图6 可知，相同测量位置处，含能微球质量分数为0.2%的乳化炸药冲击波峰值压力最高。随着微球质量分数的上升，乳化炸药冲击波峰值压力呈逐渐衰减趋势。相同含能微球质量分数的乳化炸药，其峰值压力随测量距离增加呈指数衰减趋势。根据爆炸相似率，球形药包水下爆炸冲击波峰值压力随距离的衰减规律可表述为：

式中：为药包质量，为传感器与药包中心距离，、α 为待拟合系数。

将不同微球的乳化炸药峰值压力按照式(1)进行拟合，由图6 可知，其拟合效果较好。因此可以用式(1)估算出乳化炸药在水下不同位置的峰值压力。具体拟合系数如表4 所示。

表4 不同微球质量分数的乳化炸药压力峰值拟合系数Table 4 Fit coefficient of pressure peak value of emulsion explosives with different mass fraction of microballoon

3 水下爆轰参数计算与分析

3.1 水下爆炸理论计算公式

水下爆炸比冲击波能是炸药爆炸能一部分，计算公式为：

3.2 水下爆炸试验结果分析

根据表5 得到不同微球质量分数的乳化炸药在各测量位置处的能量输出参数变化关系，如图7、8、9 所示：

表5 乳化炸药水下爆炸能量输出参数Table 5 Parameters of underwater explosion energy of emulsion explosives

图7 不同微球质量分数的乳化炸药的比冲击波能（Es）与距离（R）的关系Fig. 7 Specific shock wave energy (Es) vary to distance (R) at different microballoon mass fractions of emulsion explosive

图8 不同测距下的比气泡能Eb 与微球质量分数的关系Fig. 8 Relation of specific bubble energy (Eb) and mass fraction of microballoon at different measuring distances

图9 不同测距下比爆炸能Et 与微球质量分数关系图Fig. 9 Relation of specific explosion energy (Et) and mass fraction of microballoon at different measuring distances

由图7 所示，相同微球质量分数下，乳化炸药比冲击波能随着冲击波传播距离增加未发生明显变化。在相同测量距离处，随着含能微球质量分数的增大，乳化炸药的比冲击波能逐渐降低。含能微球质量分数为0.2%时，炸药比冲击波能最大。随着含能微球质量分数上升，乳化炸药能量密度下降明显，比冲击波能也随之下降。如图5 所示，随冲击波传播距离增加，其峰值压力逐渐降低，然而对比发现距离更远处的冲击波压力-时程曲线衰减速度会相对缓慢，如图10 所示。因此，乳化炸药的比冲击波能基本不受传播距离影响。

图10 距离炸药中心0.8 和1.0 m 处的压力时程曲线Fig. 10 Pressure-time curves at 0.8 and 1.0 m from charge center

如图8 所示，含能微球质量分数对乳化炸药比气泡能的影响明显不同于比冲击波能，炸药气泡脉动周期远远超过炸药爆炸所需的时间，这为含能微球发生二次反应提供了充足条件。相同测量距离处，比气泡能随微球质量分数上升先增大后下降。

距离药包中心不同距离处，当微球质量分数从0.2%增加到4%，乳化炸药的比气泡能开始随着微球质量分数增加而逐渐上升。随着微球质量分数增加，虽然炸药能量密度下降，但是含能微球会参与到与爆轰产物的二次反应中，为气泡脉动提供的能量逐渐增加。当微球质量分数增大到4%时，比气泡能最大，较含能微球质量分数为0.2%的乳化炸药提高了10.72%～11.34%，之后比气泡能随含能微球质量分数继续增大开始下降。当微球质量分数继续增加至超过4%时，乳化基质包覆于含能微球中，此时乳化炸药的爆炸能量密度已大大下降，进而影响炸药能量的释放，同时微球参与到爆轰产物反应已达到上限。随着微球质量分数进一步增加，不能继续为气泡脉动提供更多能量，而炸药能量密度继续下降，比气泡能开始降低。

如图9 所示，相同微球质量分数的乳化炸药的比爆炸能不随距离改变而发生明显变化。相同位置处的比爆炸能随着微球质量分数增加整体呈下降趋势。然而微球质量分数为3%和4%的乳化炸药比爆炸能较为接近。相同质量的乳化炸药，含能微球质量分数为3%的乳化炸药比冲击波能要比含能微球质量分数为4%的乳化炸药的稍大，然而含能微球会参与到与爆炸产物的二次反应中，使得3%含能微球质量分数乳化炸药比气泡能比含能微球质量分数为4%的乳化炸药的稍小，整体上含能微球质量分数为3%的乳化炸药比爆炸能与含能微球质量分数为4%的乳化炸药的较接近。

4 结 论

以乳化基质为基，含能微球作为物理气泡敏化剂，通过水下爆炸实验探究了含能微球对乳化炸药水下爆炸性能的影响，得到的主要结论如下：

（1）炸药水下爆炸比冲击波能和比爆炸能受到微球质量分数的影响，随着含能微球质量分数的增大而降低，但是不受传播距离的影响；而水下冲击波峰值压力受到微球质量分数和传播距离影响，随着含能微球质量分数和传播距离的增大而降低；

（2）含能微球作为一种可燃添加剂会参与到与爆轰产物的二次反应中，减慢冲击波衰减速度以及增强气泡脉动，影响乳化炸药水下爆炸能量输出；随着含能微球质量分数的递增，乳化炸药比气泡能先提高再降低，而比气泡能则不受传播距离影响；

（3）微球质量分数在0.2%～7%范围内，含能微球乳化炸药冲击波压力衰减速度与其传播距离呈负相关，距离越远，衰减越缓慢。