爆炸納米多晶金剛石之爆炸力學的創新理論與技術

張凱,張路青

(中國大連凱峰超硬材料有限公司,遼寧大連116025)

爆炸納米多晶金剛石之爆炸力學的創新理論與技術

張凱,張路青

(中國大連凱峰超硬材料有限公司,遼寧大連116025)

敘述了在研究和生產爆炸納米多晶金剛石中必須要發展和應用的爆炸力學中諸多的創新理論與技術:藥柱在水中爆炸時,軸對稱一維的飛片飛行速度計算公式;新的擊波通過二相粉末時的壓力計算模型;擊波通過有空隙率的二相粉末時的空隙分配理論;粉體空隙內殘存空氣在擊波作用下發生的絕熱壓縮理論;飛片下空氣在高速飛片飛行過程中不能向側向排出,最終產生絕熱壓縮的理論;擊波在粉體中的追趕理論;石墨通過爆炸相變為金剛石的新結構位置轉變模型的諸問題。

創新理論與技術;壓力計算模型;空隙分配理論;絕熱壓縮理論;爆炸相變的新結構位置轉變模型

1 引言

1961年美國的Decarli[1]在受沖擊后的石墨中發現有金剛石的證據,Decarli的工作開創了“爆炸納米多晶金剛石”的誕生,從1968年[2]至今的40多年中無論從實驗和理論上都證實石墨轉變為金剛石的轉變壓力(動態)應在40GPa,沖擊溫度也應達到≥2000K[3]上下。如果采用將炸藥和粉末直接混在一起的爆炸方法,所用的這些炸藥密度約1.2g/cm3,爆速6000m/s上下,其爆轟壓力PH≈11GPa,是不能期望將石墨轉變為金剛石的。即使采用金屬盒如圓管,內裝粉末,而在外部直接貼上密度≥1.6g/cm2,爆速上7500m/s臺階的高爆速炸藥直接爆炸的技術,收效也甚微,通用的方式只能是采用高速飛片(或高速飛管)打擊粉末體的辦法。更有甚者,即使飛片速度達到3000m/s以上,但如被沖擊的粉末是純石墨,則其壓力也不可能達到≥40GPa,必須在粉末中加入某種高密度的金屬粉,如鈷、銅、鐵等粉末,當擊波進入混合粉體后,這些金屬粉起著“打擊板”的作用,才能提高沖擊壓力值,可是這樣一來,被沖擊粉末成為二相粉末了,二相粉末中的沖擊波理論:包括二相粉末的狀態方程?如何求沖擊壓力和波速?二相粉末如何卸載?這些問題又都成了難題。因此,“爆炸納米多晶金剛石”對爆炸加工力學的理論與技術提出了創新的要求。但本文暫不涉及為解決新理論技術而創立的新工藝技術。

2 爆炸納米多晶金剛石中的爆炸加工力學的創新理論與技術

2.1 創立藥柱在水中爆炸形成軸對稱一維的飛片飛行的速度計算公式

以平面飛片打擊來說,必須解決如何去求出平面飛片飛行速度的理論方法,即選擇好炸藥后,測出其密度與爆速值,然后確定炸藥與飛片的質量比R= ρoδo/ρδ,其中ρo、δo是炸藥的密度與藥柱高度,ρ、δ是飛片材料的密度與厚度,由于在水中爆炸,炸藥爆后產生的爆轟氣體流場實際上是二維軸對稱流場,應用過去在爆炸加工中應用過的Gurney與Aziz公式[4]去求飛片速度已經不再符合實際,因此要創立一個新的計算公式,筆者實際上是把二維軸對稱流場簡化為軸對稱一維后,把理想一維的Aziz公式經過修正,并通過實測驗證,提出張凱―Aziz公式,其理論計算值與實驗基本符合。

2.2 創立一個新的計算力學模型

可提出一個實際算例:對某一混合比例的銅/石墨粉,推出的均相分布理論下的莫乃漢狀態方程為

2.3 粉體內空隙率的作用——提出空隙分配理論

實施爆炸技術的準備工作中,先要制作出一個粉體來,一般都由通用的壓力機來制作,粉體的密度應該比其結晶密度低,所以粉體中都存在空隙,不抽真空時,在空隙中存在空氣,事實上,壓好的粉體很難抽真空。空隙率的大小是影響沖擊溫度高低的重要因素,一般空隙率大,沖擊壓力就低,但沖擊溫度變高,在爆炸納米多晶金剛石研究中,空隙率從10%到30%都有。既然粉體中一定有空隙存在,則就產生了一個理論問題:沖擊波通過粉體時,實際上是制造出了一個流場,即使是一維應變的流場,在這個流場內,金屬顆粒、石墨顆粒、還有空隙都隨時間(t)、位置(x)而變化,可以這樣來理解,金屬是帶有空隙的松裝金屬,石墨也是帶有空隙的松裝石墨,這二種物質在流場內不斷地發生碰撞、壓縮、剪切,最終產生擊波壓力和溫度,這個壓力、溫度又高底依賴于空隙率的大小,那末就要問,粉末中金屬粉和石墨粉各占多少空隙率呢?依據什么來判定空隙的分配率呢?這確實是一個很難回答的問題,但不解決空隙率的分配,真正的壓力計算仍無法進行下去。筆者在2012年提出了一個二相粉末在一維應變流場中的空隙分配理論[6]:“帶空隙度的兩種不同粉末介質的混合粉體,在產生一維應變的擊波作用下,在擊波波陣面應只有一個波速,為滿足此要求,此時不同粉末介質會自動調節占有空隙率的分配,使擊波通過具有不同空隙度的不同介質粉體時的波速達到一致。”(筆者認為鑒于此理論的重要性,應命名為凱氏空隙分配理論。)

2.4 發現粉體空隙內殘存空氣發生可怕的“絕熱壓縮”

1997年秋冬之交在吉林煙筒山石墨礦做金剛石爆炸試驗[7]。粉盒裝置和炸藥裝置如圖1和圖2所示。

圖1 粉盒裝置圖Fig.1 The powder case device

圖2 炸藥裝置圖Fig 2 The blasting charge

粉盒中裝90/10=銅/石墨粉299.4克,初裝密度86.3%,飛片厚度5.5mm,藥柱沿軸向由上端引爆,側向有水泥套,藥柱由兩種炸藥組成,下部塑性炸藥716克,ρ0=1.6g/cm3,爆速Vd=7600m/s,上部自制85/15=RDX/環氧炸藥1210克,ρ0=1.328 g/ cm3,Vd=6898m/s。飛片速度Vp=2562m/s(計算值,未實測)。

預拌混凝土由指定攪拌站負責，采用混凝土罐車運輸，每車裝載量為7.5 m3。根據筏板基礎施工平面布置、攪拌站生產能力、施工進度及人員等情況，在現場基坑兩側布置4臺汽車泵，每臺泵車配備5臺混凝土運輸車。

爆炸后,粉盒外部絲毫未破,按理,應100%回收,即應回收29.9克石墨粉,可打開一看,有一半多粉末完全燒焦,僅回收未燒焦石墨粉11.5克,只占總量的40%,燒焦粉全在粉盒底部,銅粉已完全達到融化狀態,盒鐵底板表面亦呈現熔化表象,銅的燒焦程度異常,無法從鐵板上鏟下,與鐵完全熔化在一起了,銅在常壓下的熔點是1083℃。可銅在高壓52萬atm下,熔點將達到2880℃左右,這樣,銅的融化是在壓力卸載后常壓下熔化的嗎?還是在高壓下已經開始熔化了的呢?還不好早下定論,但據鐵板表面已熔化的跡象看,該處溫度至少在1600℃以上。

這個試驗是1997年入冬時做的,一直到2006年,在筆者自己已創立計算壓力模型后,用自己的計算模型作了重新計算,計算結果是

按筆者現在對金剛石理論的洞悉知識,可以明確地說,6.7155X104MPa的壓力是非常好的,但溫度太低,1469.8K的溫度是不會有任何金剛石產生的,在一定的壓力窗口下,至少大于peg=4.3118X104MPa下,產生金剛石的溫度窗口大致在1800～2200K,低于1800K,一般不會產生金剛石,但這次試驗從爆炸回收的11.5克石墨中用Hclo4處理后,但未經HF提純處理,有0.7克毛金剛石,毛轉化率有6.08%,可以肯定有金剛石產生了。這說明,除了沖擊壓縮外,一定還有另外的附加溫度產生,這個附加溫度在裝粉裝置的上部有400℃還多,亦即這個試驗中的粉盒上部由于附加溫度使壓縮的溫度上升到1800K多度,產生了金剛石。而在粉盒下部由于更大的附加溫度又可能使粉末的溫度達到≥2600K甚至更高(即T＞2300℃),從而使鋼板表面熔化,石墨帶著銅粉燒焦,這附加溫度的來源就是粉體原空隙中存在的空氣,實際上,粉末空隙中的空氣在1cm3體積中只有0.1368cm3。全部裝粉體積50.724cm3,所有空隙體積只有6.939cm3,空氣量只有6.939×0.001225= 0.008500327克。這些氣體雖然量很小,在沖擊波的驅趕下全部被趕到裝粉盒的底部,在沖擊壓力p= 6.67155×104MPa的壓縮下,產生絕熱壓縮。粉體空隙中的殘存空氣會產生可怕的絕熱壓縮,國際上在這一學術領域中,這一理論是筆者在1997年首先在實驗中發現的,整整過了9年,到2006年筆者才完全從理論上給予解決了,又過了8年,到2014年我才在成都召開的中國材料大會粉末組公開于世界,也就是說,這個問題從發現到公布經過17年,不容易呀!但重要的是要創造一種全新工藝技術去避免絕熱壓縮產生,我們做到了。

2.5 發現飛片下的氣體不能向側向排出,最終產生絕熱壓縮,形成巨大速度氣流刀[8]

在爆炸合成和爆炸壓實研究中,大多采用平面飛片打擊方法來進行壓力加載,且大多數實驗都在常壓空氣下進行,即飛片飛行路程中是常壓下的空氣而不是真空的,迄今從事爆炸力學的學者大都認定:平面飛片下的空氣隨著飛片向下飛行,空氣會向飛片四周自然排出,不會對飛片飛行構成大的阻力,且一般飛片飛行距離很短,飛片下體積內的常壓氣體量是個很小的量,怎么可能造成聚能效應呢?

2006年在阜新礦務局12廠,在他們的一個直徑Ф1800×2000的壁厚為20mm的舊罐中試爆一次實驗,見圖3。飛片下的空間的空氣量(大氣狀態下)為0.8876克。藥柱上端的引爆藥柱中間有惰性塊,雷管引爆后,先將主裝藥柱的周邊上部引爆,這樣在主裝藥柱內造成的爆轟波面在中心區域是一個匯聚的球面波,迫使爆轟波面呈圖3右側形狀,從而使得飛片的飛行姿態亦呈同樣形態,當飛片以這樣的形態打擊粉盒盒蓋時,原飛片下的大部分氣體都集聚在CDA這個凹形區域內,而不從側向流出,當飛片最終強行壓向粉盒表面時,飛片下的向內凹形總會逐漸消失,而被壓縮在凹形內的氣體被絕熱壓縮到與飛片打擊粉盒鐵蓋時的壓力相等,凹坑內氣體會被強迫從其四周側向沖開一道細縫排出,速度會達到5萬米/秒以上,高速氣體噴出正好遇上同步飛下的3mm塑料板,塑料板自然將噴來氣體擋住,由于飛片下沖出的氣流方向一定偏向上方一個角度,是絕不可能沿水平方向噴出,從而塑料板在鋒利的氣流沖刷下會瞬態地被彎曲成圖3下面那個圖的形狀,在塑料板還未被沖破以前,已將氣流折轉成近180°方向,向下沖去,氣流成為一個“氣刀”,將粉盒邊緣10mm厚的鐵邊緣切去,切口光滑,無絲毫凹凸粗糙不平的沖刷痕跡,猶如“快刀斷發”之利,足見“氣刀”能量之巨。

圖3 形成氣流刀的實驗裝置Fig.3 Experimental facility for air knife

爆炸是在一個Ф1800×2000的由20mm厚鍋爐鋼板制作的埋在地下的舊罐中進行的,口與地表平,離罐口周圍1m遠處圍有網眼約30mm大小的鐵細網,高約3m,圖3的爆炸裝置采用懸掛式掛在離罐口約0.8m的半空中,在罐底正中放一個高0.6m內裝200mm高濕鋸末的半截子油桶,來承接回收任務。爆炸后,罐壁完好,無任何裂縫,罐底有一個裂縫,但沒有發現粉盒殘片,而在罐口地面發現2塊粉盒碎塊,每個碎塊大約是原盒圈的1/4左右。這兩碎塊定是粉盒高速砸向罐底,碎成4塊后,兩塊落在鐵絲網內,而另兩塊穿越網高飛到網外去了,碎塊飛越高度會超過5m。查看撿回來的兩個碎塊,看出粉盒外緣從Ф150mm到Ф184mm厚度10mm的邊緣部分完全被氣流切去,切口處氣流流動痕跡非常清晰.取回那個裝有濕鋸末的半高油桶,雖已變形,但仍保持一個整體,并未破碎,粉盒內的粉末大都還在,且都呈未被沖擊壓縮的情況,還是裝粉前狀態;粉末未被飛片打擊壓實,是因粉盒已具有了相當大速度,甚至可能與飛片速度同一水平,從而飛片就達不到沖擊粉末的結果。

阜新的這次試驗,是一次非常重大的科學發現:“飛片飛行達到一定速度后,飛片下的氣體大部分無法從飛片下排出,當飛片打擊靶板時,氣體會形成絕熱壓縮,產生極高速的氣流,形成氣流刀”,這件事足以讓搞這一學科的科學家們驚訝莫名!筆者把這個實驗結果另一重要實驗結果(未列入本文)寫成一篇論文“論平面飛片下氣體絕熱壓縮后的聚能效應”2010年3月24日投到爆炸與沖擊雜志。但一年之后,接到了稿件處理意見:“退稿”;二位審稿者意見一致是:“從來沒有見到過飛片壓縮空氣會有如此巨大噴射這樣的現象”,后來經過筆者嚴正的“科學爭鳴”,和多位科學家的爭論,論文終于在2011年發表了。這件事說明筆者在實驗中的新科學發現,是國際上的首先發現者與解決者,只是目前難于被多數專家所理解而已。目前已創造了獨特工藝防止這種“超速氣流刀”對爆炸納米多晶金剛石合成和固接的影響。

2.6 新裝粉理論的形成和應用

筆者從1991到2013年的22年研究歷程中,一直是恁直覺感性去確定裝粉量的,最后根據獲得的轉化率再確定裝粉量是否合理,這就是說,“裝粉技術”一直沒有上升到理論的水平,“裝粉技術”應該是計算爆炸力學在爆炸納米多晶金剛石生產中一項極為重要的實際應用,它關系金剛石的轉化率和生產成本的升降,也是企業領導人,技術指揮者在生產中強大“自信”的表現。這項理論與擊波通過二相粉體時發生的“波的追趕”,即“稀疏波對擊波的追趕”有關。2013年筆者已順利的運用計算爆炸力學方法推導出新裝粉理論,已應用于實際生產。

2.7 石墨通過爆炸相變為金剛石的新結構位置轉變模型[10]

石墨粉層受到擊波高速沖擊后,在高溫高壓下,會以固相結構方式轉變為金剛石,筆者因此創立了一個新的轉化模型,在文中簡稱為“凱”模型,包括:在ABCA型石墨的轉化理論中,找到了具體那18個碳原子向金剛石晶胞轉變的原子對應點結構,使活化能的計算可接近最小值。在ABA型石墨轉化理論中,除石墨網格平面間的壓縮之外,必須考慮層間剪切錯動的作用,剪切變形與層間壓縮的概率都是同樣的多。標志其特性錯動的距離是0.521h,h-層間壓縮距離,理論被實驗所征實。圖4是金剛石立方晶胞的18個原子位量置,圖5是對應的石墨各層上的18個原子位置。

圖4 晶胞在空間位置Fig.4 The location of unit cell in space

圖5 石墨轉變為金剛石時的原子配置圖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,張凱.爆炸焊接原理及其工程應用[M].大連理工大學出版社,1987(10).

[5] 邵丙璜,汪全通.平面飛片作用下石墨相變為金剛石的熱力學參量計算.中科院力學所內部資料,1977.

[6] 張凱,張路青.爆炸納米多晶金剛石的技術進展,爆炸合成納米金剛石和巖石安全破碎關鍵科學與技木[C].第188場中國工程科技論壇論文集,江旭光主編,冶金工業出版社,2014.

[7] 張凱,張路青.爆炸壓實中存在于粉體中的氣體的絕熱壓縮現象[C].中國材科大會2014,四川成都,2014.07.

[8] 張凱.論平面飛片下氣體絕熱壓縮后的聚能效應[J].爆炸與沖擊,2011,31(4):444-448.

[9] 張凱,張路青.石墨通過爆炸相變為金剛石的新結構位置轉變模型[C].2011中國(鄭卅)國際磨料磨具磨削技術發展論壇論文, 2011.11;中國超硬材料學報,2/2013,3/2013.

鋯石和鉆石區別

鋯石(英文名稱:zircon)是一種硅酸鹽礦物,它是提煉金屬鋯的主要礦石。鋯石廣泛存在于酸性火成巖,也產于變質巖和其他沉積物中。鋯石的化學性質很穩定,所以在河流的砂礫中也可以見到寶石級的鋯石。鋯石有很多種,不同的鋯石會有不同的顏色,如黑、白、橙、褐、綠或無色透明,等等。經過切割后的寶石級鋯石很像是鉆石。鉆石不用太多介紹,大家都知道一些相關知識,鉆石是指經過琢磨的金剛石,金剛石是一種天然礦物,是鉆石的原石。鉆石是一種標準化產品,它不分產地不分品牌,為壟斷商品,全球鉆石供應商主要是南非商戴比爾斯公司,國內品牌鉆石都是從這家公司分銷的。

無色透明的鋯石經過細心琢磨后,是鉆石的良好代用品。鋯石的折光率近于2,色散也與鉆石相近。因此從外觀上看,鋯石也會閃爍著彩色光芒,與鉆石很相像。在各種人造鉆石出現之前,鋯石是最佳的鉆石代用品。目前,鋯石已成為中低檔寶石的佼佼者,但鋯石相比于鉆石,價格更低廉,消費者有必要了解鋯石與鉆石的區別。

鋯石的主要鑒定特征有高折射率、強光澤、高雙折射率、高密度、高色散和典型的光譜特征等,鋯石的鑒別工具有鑷子,小鏟子,臺燈,卡尺和A4紙。

鉆石是已知最硬的物質,只有鉆石才能刻畫鉆石,其摩氏硬度是10;鋯石的摩氏硬度是8;剛玉(紅、藍寶石)是9;因此,鉆石可以刻畫剛玉;鋯石不可刻畫剛玉,剛玉不可刻畫鉆石;剛玉可以刻畫鋯石。

鋯石具有很強的雙折射,即它有兩個折光率,并且兩個折光率之間的差別較大。由此而產生了一種很特殊的光學現象,當用放大鏡觀察琢磨好的鋯石成品時,由其頂面可以看出底部的面和棱線有明顯的雙影。鉆石因為是“均質體”,絕不會有雙影現象,由此可以區別鋯石與真鉆石。

鋯石的比重為4.69,而鉆石的比重只是3.52,即鋯石是鉆石的1.33倍。也就是說同樣體積的2個寶石,重的是鋯石,輕的是鉆石。不過比重不便觀察,只有用儀器測定后才能知道。 (搜狐網)

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

張凱(1931-),男,DLUT教授,1995年退休,曾任第3、第4屆全國爆炸力學專業委員會委員,全國爆炸加工學組委員和高速氣體動力學組委會委員,現任中國材料研究學會理事。E-mail:kzh5@163.com。

張凱,張路青.爆炸納米多晶金剛石之爆炸力學的創新理論與技術[J].超硬材料工程,2015,27(5):33-38.