2.1　炸藥沖擊起爆機(jī)理

2.1.1　均質(zhì)炸藥沖擊起爆機(jī)理

均質(zhì)炸藥是指物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)在各處都可以假定一致的炸藥。例如，不含氣泡、雜質(zhì)的液態(tài)炸藥及單晶均勻的炸藥，如硝基甲烷、液態(tài)硝化甘油、PETN單晶等。

1961年Campbell最早提出，當(dāng)沖擊波進(jìn)入均質(zhì)炸藥后，在初始波陣面后面，炸藥首先是受沖擊整體加熱，然后出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)。在最先受沖擊的地方，炸藥將在極短的時(shí)間內(nèi)完成反應(yīng)，產(chǎn)生超速爆轟。這種超速沖擊波趕上初始入射沖擊波以后，在未受沖擊的炸藥內(nèi)發(fā)展成為穩(wěn)定爆轟。均質(zhì)炸藥的沖擊波起爆特性如圖2.1所示。

在圖2.1中，當(dāng)初始沖擊波進(jìn)入均質(zhì)炸藥，先以常速u（或稍有衰減）前進(jìn)，同時(shí)界面以質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動速度u_s（低于沖擊波速度）前進(jìn)，在界面上的炸藥經(jīng)過一定的延滯期之后，開始爆炸反應(yīng)，并在均質(zhì)炸藥中產(chǎn)生爆轟波。由于此爆轟波既是在已經(jīng)受到初始沖擊波壓縮的炸藥（密度增大）中進(jìn)行的，又是在運(yùn)動著的界面上進(jìn)行的，因此其爆速比原密度炸藥的穩(wěn)定爆速要大，所以是以超速爆轟波速度D_s前進(jìn)。該爆轟波經(jīng)過一段時(shí)間后，趕上初始沖擊波，兩波重疊并出現(xiàn)過激爆速（約比穩(wěn)定爆速高10%），然后很快地降到炸藥的穩(wěn)定爆轟速率D。

1970年Walker和Wasley發(fā)現(xiàn)，如果入射沖擊波的持續(xù)時(shí)間較長，壓力較低，則在沖擊波陣面后的反應(yīng)過程中以低速度進(jìn)行。熱爆炸發(fā)生在初始沖擊波入射面和沖擊波陣面之間的區(qū)域內(nèi)。當(dāng)入射沖擊波壓力較高時(shí)，熱爆炸出現(xiàn)在接近沖擊波入射面的地方。

1982年，F(xiàn).E.Walker和A.M.Karo用分子動力學(xué)的方法計(jì)算了單晶PTEN的沖擊起爆后認(rèn)為，在沖擊波陣面內(nèi)可以由存在缺陷和界面使共價(jià)鍵斷裂引起爆炸。但他們所用的方法完全是數(shù)值模擬的方法。章冠人據(jù)此在1992年提出了均質(zhì)炸藥的共振起爆機(jī)理，他認(rèn)為所有的介質(zhì)，包括單晶炸藥都不可能是完全均勻的，晶體內(nèi)總存在缺陷，如位錯、空隙、裂紋、雜質(zhì)等。沖擊波過后，溫度不可能完全均勻，仍存在熱點(diǎn)，不過這些熱點(diǎn)是均勻分布的。所以均質(zhì)炸藥的沖擊起爆好像是由于被整體均勻加熱一樣，實(shí)際上是均勻分布熱點(diǎn)的作用。由于這些微觀熱點(diǎn)是由一個(gè)原子或原子團(tuán)吸收沖擊波的能量形成的，這些缺陷原子或原子團(tuán)和其他多數(shù)原子形成點(diǎn)陣，它們對波動能量的吸收有一定的選擇性，例如對某些頻率能發(fā)生共振，先將鏈打斷，再引起分子的解體。均質(zhì)炸藥的共振起爆，從理論上說是可能的。

2.1.2　非均質(zhì)炸藥沖擊起爆機(jī)理

所謂非均質(zhì)炸藥是指在澆注、壓裝、結(jié)晶過程中形成的密度不連續(xù)性（例如：氣泡、空穴、雜質(zhì)）炸藥或是人為摻入一些雜質(zhì)所形成的密度不連續(xù)性炸藥。通常使用的傳爆藥和主裝藥均屬于非均質(zhì)炸藥。

一般散裝澆注、壓裝的固態(tài)凝聚炸藥中，晶粒周圍都保留有空隙。在單位質(zhì)量的裝藥中，空隙的總體積與裝藥的總體積比稱為孔隙度。散裝炸藥的孔隙度最大，可能達(dá)到50%左右。壓裝主裝藥的孔隙度可達(dá)1%～4%，傳爆藥的孔隙度可達(dá)5%～10%，鑄裝主裝藥的孔隙度也可能達(dá)到2%～4%。因此，這些炸藥裝藥都是非均質(zhì)的。

對于非均質(zhì)炸藥的沖擊起爆，目前比較公認(rèn)的是“熱點(diǎn)理論”。非均質(zhì)炸藥的起爆特性如圖2.2所示。

如圖2.2所示，當(dāng)初始沖擊波以初始速度u進(jìn)入非均質(zhì)炸藥后，由于炸藥密度的不連續(xù)性（不均勻性），造成沖擊波交會，在炸藥中激起局部熱點(diǎn)的化學(xué)反應(yīng)。這些反應(yīng)加強(qiáng)了初始沖擊波，然后以大于初始沖擊波的速度（平均速度為u_t）在炸藥中行進(jìn)，同時(shí)激起更多的炸藥反應(yīng)，再加強(qiáng)沖擊波。反復(fù)作用使在炸藥中行進(jìn)的沖擊波不斷加速，最后達(dá)到穩(wěn)定爆轟速度D。由非均質(zhì)炸藥的沖擊波起爆特性圖可見，非均質(zhì)炸藥的沖擊起爆過程與均質(zhì)炸藥不同，從初始沖擊波入射到穩(wěn)定爆轟，整個(gè)過程爆速沒有明顯突躍，同時(shí)也不出現(xiàn)超壓爆轟現(xiàn)象，而是逐漸平滑過渡。

Campbell、Davis和Ramsay認(rèn)為，在整個(gè)過渡區(qū)階段，化學(xué)反應(yīng)的量是逐漸增加的，最初加速得慢，到一定程度后才快速增加，最后達(dá)到爆轟。對于非均質(zhì)炸藥，當(dāng)較弱的沖擊波進(jìn)入時(shí)，大部分炸藥不發(fā)生反應(yīng)，只有少量熱點(diǎn)在炸藥中產(chǎn)生，這些熱點(diǎn)如果溫度足夠高，可在經(jīng)過各自所需的延滯期后發(fā)生局部爆炸反應(yīng)。那些溫度很高、延滯期極短的熱點(diǎn)，反應(yīng)放出熱量快，能跟上初始沖擊波，并加強(qiáng)初始沖擊波；那些延滯期較長的熱點(diǎn)經(jīng)過一段時(shí)間后，其反應(yīng)放出的熱量也能有助于加強(qiáng)初始沖擊波。這樣就等于有許多不同溫度與不同延滯期的局部點(diǎn)的爆炸，在不同的時(shí)間加強(qiáng)初始沖擊波，從而使形成的熱點(diǎn)越來越多，最后達(dá)到穩(wěn)定爆轟。現(xiàn)在已經(jīng)公認(rèn)，沿著非均質(zhì)凝聚炸藥行進(jìn)的起爆沖擊波，會先在微秒級的時(shí)間內(nèi)，造成半徑尺寸估計(jì)只有微米級以下的大量熱點(diǎn)。

均質(zhì)炸藥和非均質(zhì)炸藥的沖擊起爆有很大不同，可以歸結(jié)為：

①在均質(zhì)炸藥中，初始沖擊波的速度是恒定的或隨時(shí)間而略為降低；在非均質(zhì)炸藥中，相應(yīng)的波在它整個(gè)傳播過程中是加速的。

②在均質(zhì)炸藥中，到高速爆轟的過渡是很突然的；在非均質(zhì)炸藥中，此過渡沒有這樣突然。

③在均質(zhì)炸藥中，高速爆轟的開頭伴隨著過高的速度，如在硝基甲烷中約超出10%；對于非均質(zhì)炸藥，在實(shí)驗(yàn)中沒有記錄到這種過高的速度。

④在均質(zhì)炸藥中，可以觀察到爆轟發(fā)生在沖擊波隔板和炸藥的分界面處；在非均質(zhì)炸藥中，目前認(rèn)為爆轟可能發(fā)生在沖擊波陣面上或沖擊波陣面附近。

⑤用硝基甲烷和金剛砂的混合物所做的實(shí)驗(yàn)表明，此混合物比均質(zhì)炸藥硝基甲烷敏感得多。混合物的非均勻性引起沖擊波相互作用而產(chǎn)生局部加熱，對于起爆來說，炸藥細(xì)微結(jié)構(gòu)的沖擊性質(zhì)比熱化學(xué)常數(shù)值更加重要。

⑥在均質(zhì)炸藥中，直到起爆開始之前，初始沖擊波后面的物質(zhì)相對來說是不導(dǎo)電的。在非均質(zhì)炸藥中，初始沖擊波陣面后的物質(zhì)是完全導(dǎo)電的，并且當(dāng)過渡到高速爆轟時(shí)，變得更明顯。

⑦在均質(zhì)炸藥中起爆過程對于初溫的變化或沖擊波壓力的變化比在非均質(zhì)炸藥中敏感。

非均質(zhì)炸藥的起爆過程，實(shí)質(zhì)上就是熱點(diǎn)的形成和發(fā)展過程，目前認(rèn)為可分為以下幾個(gè)階段：

①熱點(diǎn)形成。多數(shù)人認(rèn)為，沖擊波與密度不連續(xù)處的相互作用形成了熱點(diǎn)。

②以熱點(diǎn)為中心向周圍發(fā)展，往往是以高速燃燒的形式向外傳播。此現(xiàn)象已被研究者用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

③低速爆轟階段。

④高速爆轟階段。

以上過程又可以歸結(jié)為點(diǎn)火過程和爆轟成長過程兩大階段，或叫熱點(diǎn)的形成和在形成熱點(diǎn)后，化學(xué)反應(yīng)生長和建立爆轟的過程兩大階段。

第一階段的主要特征是“熱點(diǎn)”的形成和熱點(diǎn)熱爆炸。研究者提出了各種可能的熱點(diǎn)形成機(jī)制，具有代表性的有：

（1）炸藥內(nèi)含有空洞或氣泡受到?jīng)_擊絕熱壓縮

在炸藥中如果存在氣泡，由于氣體的比熱容較炸藥的低，所以在沖擊作用下絕熱壓縮時(shí)，氣泡的溫度也就會很高，因而形成熱點(diǎn)。Starkenberg設(shè)計(jì)了一種作用器，用活塞壓縮與炸藥直接接觸的空氣隙，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明了空氣隙對沖擊起爆的作用。

（2）炸藥內(nèi)顆粒之間受沖擊波作用發(fā)生了摩擦

當(dāng)沖擊波進(jìn)入帶空穴的非均質(zhì)炸藥時(shí)，處于空穴正面的一塊炸藥可能產(chǎn)生剪切，沖入空穴，在其兩邊形成剪切帶，在剪切帶內(nèi)由于摩擦生熱，溫度升高。曾有學(xué)者用電子掃描顯微鏡觀察高速碰撞的B炸藥，在其中見到了剪切帶，這就是實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

（3）空洞或氣泡壓縮后，表面能轉(zhuǎn)化為熱能

當(dāng)凝聚介質(zhì)形成空穴或氣孔時(shí)，必須有另外的能量，這些能量儲存在空穴或氣泡的表面，這就是所謂的表面能。當(dāng)空穴或氣孔消失時(shí)，這些能量就釋放出來，加熱空穴或氣孔周圍的介質(zhì)。一般非均質(zhì)炸藥均存在空穴或氣孔，當(dāng)沖擊波壓縮這種炸藥時(shí)，其中的空穴或氣孔當(dāng)然受到壓縮，其表面積隨之減小，當(dāng)炸藥壓實(shí)時(shí)，這些空穴或氣孔就隨之消失。這時(shí)，這些表面能就釋放出來加熱空穴或氣孔周圍的炸藥，使其溫度升高，形成熱點(diǎn)。

（4）炸藥晶體內(nèi)存在位錯和缺陷，在沖擊波的作用下放出位錯帶有的能量，并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?/p>

晶體形變總是由運(yùn)動發(fā)生的，同時(shí)伴隨著位錯的增長。但在平面滑移發(fā)展的同時(shí)，在強(qiáng)切變區(qū)內(nèi)，可能出現(xiàn)具有相反帕格斯矢量的位錯對，它們發(fā)生相互作用而消失，產(chǎn)生完整的結(jié)構(gòu)并放出位錯帶有的能量。

（5）空穴彈塑性塌陷模型

當(dāng)沖擊波到達(dá)空穴表面時(shí)，空穴自由表面的速度為沖擊波后粒子速度的二倍。由于聚心作用這部分流體的自由表面速度和溫度增加，直到空穴閉合。空穴的閉合，有一個(gè)沖擊波傳入密實(shí)處，同時(shí)反向傳入熱流體中一個(gè)反射波，結(jié)果產(chǎn)生更高的溫度。

（6）氣泡壓縮炸藥反應(yīng)模型

氣泡絕壓壓縮模型沒有考慮炸藥的熱分解作用。Boddington認(rèn)為在中等溫度條件下，熱點(diǎn)的溫度不僅由于壓縮而在增加，而且由于炸藥的反應(yīng)放熱，使熱點(diǎn)溫度進(jìn)一步升高。

對第二階段的看法有兩種不同的觀點(diǎn)。以美國彈道研究所Howe、Frey和Taylor為代表的人認(rèn)為，熱點(diǎn)中所釋放的熱量傳給沖擊波陣面，這加強(qiáng)了沖擊波，被加強(qiáng)的沖擊波在繼續(xù)行進(jìn)中形成了溫度更高的熱點(diǎn)，熱點(diǎn)熱爆炸后使沖擊波進(jìn)一步加強(qiáng)，這樣，參與反應(yīng)的炸藥量逐步增加，不斷增強(qiáng)沖擊波直到轉(zhuǎn)化為爆轟。而以美國阿拉莫斯實(shí)驗(yàn)室Mader為代表的人認(rèn)為，熱點(diǎn)熱爆炸能量點(diǎn)燃周圍炸藥，壓力增大使燃速增大，反應(yīng)區(qū)域擴(kuò)展，進(jìn)一步增大壓力，形成一個(gè)逐步向前傳播的壓力波，當(dāng)壓力波趕上前導(dǎo)沖擊波轉(zhuǎn)化為爆轟。前一種觀點(diǎn)主要強(qiáng)調(diào)熱傳導(dǎo)傳輸能量機(jī)制，后一種觀點(diǎn)主要強(qiáng)調(diào)沖擊波傳輸能量機(jī)制。實(shí)際上，在沖擊起爆過程中，這兩種機(jī)制可能并存，只是在不同條件下，其中之一會呈現(xiàn)為主要模式。一些常用的高密度炸藥，例如密度為1.84g/cm3的PBX-9404，密度為1.63g/cm3的TNT，密度為1.72g/cm3、1.75g/cm3和1.76g/cm3的PETN炸藥，在通常的沖擊起爆實(shí)驗(yàn)中，以后一種機(jī)制為主。對于低密度炸藥，例如密度為1.0g/cm3的PETN炸藥，伴隨熱點(diǎn)爆炸的早期反應(yīng)占優(yōu)勢，前一種機(jī)制可能起了主導(dǎo)作用。