儲氫型乳化震源彈配方設計及爆轟性能研究

方 華， 程揚帆,，李 進，宋詩祥，劉文近，沈兆武

(1.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南 232001；2.中國科學院材料力學行為和設計重點實驗室，中國科學技術大學，安徽 合肥 230026；3.淮南舜泰化工有限公司，安徽 淮南 232046)

引 言

震源彈作為一種特殊的民用爆破器材，應用于地質勘測，石油、天然氣、煤礦開采和深水破礁作業等領域[1]，其主要利用地震波勘探原理，可探知地下各種礦藏。目前，震源彈主要分為兩種：銨梯震源彈和乳化震源彈。銨梯震源彈主要由硝酸銨、TNT和木粉組成，其中TNT撞擊和摩擦感度低，但突然受熱能引起爆炸，同時毒性較強，在生產和使用過程中會產生大量的有毒氣體，危害人身健康和造成環境污染。并且銨梯炸藥不抗水，常因井下進水而發生拒爆炸。乳化震源彈以乳化炸藥作為主裝藥，環境污染小，但其爆炸威力相對較低，所能激發地震波的能量弱，藥柱黏性大且耐壓性差。陸明等[2]通過在乳化炸藥中加入鋁粉來提高炸藥的爆熱，從而提高乳化震源藥柱的作功能力；趙潔等[3]研制了耐壓高威力乳化震源藥柱，較現有乳化震源藥柱在作功能力、耐壓性和低溫性能方面都有顯著提高；阮傳鵬[4]通過對混藥和裝藥技術的改進，提高了粉狀震源藥柱的起爆和傳爆可靠性。但上述研究并沒有解決震源彈所存在的污染大、不防水和激發地震波能量較小等問題。賈占山等[5]利用退役發射藥制造了震源藥柱，增加了震源藥柱爆速，為退役火藥的綜合利用開辟新途徑，但并不適合廣泛應用于震源彈；國外Dane Blair[6]建立模型研究了柱狀裝藥產生的地震輻射，結果表明，若爆炸速度超過材料縱波速度則能促進材料的破裂。

程揚帆課題組研制了兩種儲氫型乳化炸藥：(1)TiH2粉末和玻璃微球復合敏化的乳化炸藥[7]，爆炸威力大；(2)MgH2化學敏化的乳化炸藥[8]，其中MgH2粉末可以顯著提高乳化炸藥的爆炸威力和抗壓能力。兩種炸藥中儲氫材料分別起到含能添加劑和含能發泡劑的作用，課題組前期研究表明[9-10]，敏化方式對儲氫乳化炸藥的爆轟性能具有顯著影響。雖然MgH2化學敏化儲氫型乳化炸藥本身已具備8號雷管感度，但是MgH2化學敏化的乳化炸藥比較鈍感，單發雷管難以保證其安全起爆，為了提高該震源彈的起爆可靠性，采用強起爆方式，即采用起爆藥柱。

針對銨梯震源彈污染大、不防水和乳化震源彈爆炸威力較小等問題，本研究用TiH2-玻璃微球復合敏化儲氫型乳化炸藥替代傳統乳化震源彈中的起爆藥柱；同時，用MgH2化學敏化儲氫型乳化炸藥替代傳統乳化震源彈中的主裝藥。通過猛度實驗、爆速實驗、水下爆炸實驗和沖擊波動壓實驗，分別研究了TiH2-玻璃微球復合敏化乳化炸藥的爆炸威力及MgH2化學敏化乳化炸藥的爆炸威力和抗壓性能。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

乳膠基質，密度為1.31g/cm3，實驗室自制，配方(質量分數)為：硝酸銨，75%；硝酸鈉，10%；石蠟，4%；柴油，1%；乳化劑，2%；水，8%。空心玻璃微球，堆積密度為0.25g/cm3，平均粒徑為 55μm，美國3M公司；TiH2，平均粒徑為48μm，儲氫量為3.8%，純度為98%，英國Alfa Aesar公司；MgH2，平均粒徑為20μm，儲氫量為7.6%，英國Alfa Aesar公司；聚乙烯醇，麥克林試劑有限公司；石蠟、石油醚(分析純)、增塑劑(鄰苯二甲酸二辛酯)，阿拉丁試劑有限公司。

DZF-6050型真空干燥箱，揚州市三發電子有限公司；CJJ79-1型磁力攪拌器，力辰科技有限公司；Agilent5000A型數字存儲示波器，美國安捷倫公司；482A22型恒流源、W1238A5型水下爆炸壓力傳感器，美國PCB公司；數字式測時儀，精度不低于0.1μm，西安同步電子科技有限公司；探針，自制。

1.2 乳化炸藥樣品制備

3種敏化形式的乳化炸藥配方設計見表1。

表1 3種敏化炸藥的配方設計

TiH2-玻璃微球復合敏化儲氫型乳化炸藥的制備：TiH2穩定不水解，作為含能添加劑同時具有優良的抗水和抗氧化特性[11-12]。將乳膠基質在恒溫箱40～60℃條件下加熱30～50min，然后在乳膠基質中按比例加入混合均勻的TiH2粉末和玻璃微球，在常溫下攪拌均勻，制得TiH2-玻璃微球復合敏化儲氫型乳化炸藥。

MgH2化學敏化儲氫型乳化炸藥的制備：MgH2在乳膠基質中水解釋放出H2，形成均勻分布的敏化氣泡，并參與爆轟反應從而提高乳化炸藥的爆炸威力。所以將乳膠基質在恒溫箱40～60℃條件下加熱30～50min，然后在乳膠基質中加入MgH2粉末進行發泡，最后制得MgH2化學敏化儲氫型乳化炸藥。

玻璃微球敏化炸藥的制備：將乳膠基質在恒溫箱40～60℃條件下加熱30～50min，然后在乳膠基質中加入玻璃微球進行敏化，最后制得玻璃微球敏化乳化炸藥。

1.3 爆轟性能測試

儲氫型乳化震源彈中，分別采用鉛柱壓縮法[13]和探針法[14]對TiH2-玻璃微球復合敏化儲氫型起爆藥柱進行猛度和爆速試驗。鉛柱壓縮法中未壓縮鉛柱的初始高度為60mm，每個乳化炸藥樣品的質量為50g，每種樣品做3次實驗，取平均值；探針法中每個乳化炸藥樣品的質量為50g，將樣品裝入長度為350mm和直徑為40mm的PVC管中，每種樣品做3次實驗，取平均值。通過水下爆炸測試系統和抗壓性能測試系統對MgH2化學敏化儲氫型主裝藥進行水下爆炸和沖擊波動壓實驗，水下爆炸實驗在爆炸水池中進行，水池深為5m，如圖1所示。

水下爆炸測試系統由待測實驗樣品，爆炸水池和信息收集系統3部分組成，信息收集系統主要由傳感器、恒流源、示波器3部分組成，實驗時將待測樣品置于水面以下2.5m處，與傳感器的距離為0.5m，每種樣品做3次實驗，取平均值。

沖擊波動壓實驗采用沖擊波動態壓力減敏裝置，如圖2所示，實驗將壓裝RDX固定在矩形鋼架的中間位置，用細鐵絲將乳化炸藥樣品固定在離壓裝RDX不同距離的框架上(圖2(a))再置于水面以下，然后引爆壓裝RDX，產生的沖擊波會使不同距離乳化炸藥受到不同程度的沖擊波壓力作用，得到受壓實驗樣品，最后通過水下爆炸測試系統(圖2(b))，用雷管引爆受壓后的乳化炸藥樣品，其中炸藥樣品與傳感器間距離為70cm，用示波器記錄沖擊波信號，每種樣品做3次實驗，取平均值。

2 結果與討論

2.1 TiH2-玻璃微球復合敏化炸藥的猛度和爆速

3種乳化炸藥的猛度及爆速試驗結果如表2和圖3所示。

表2 3種乳化炸藥爆炸性能參數

注：ρ為密度；Δh為鉛柱壓縮量(表示猛度)；D為爆速。

從表2可以看出，猛度方面，TiH2-玻璃微球復合敏化儲氫型乳化炸藥的平均猛度用鉛柱壓縮量表示為23.80mm，比玻璃微球敏化乳化炸藥的16.10mm高7.7mm，已達到軍用炸藥的猛度，從圖3可以更直觀地看到猛度的不同，說明TiH2-玻璃微球復合敏化儲氫型乳化炸藥的爆炸威力明顯提高，

滿足震源彈起爆藥柱的強起爆要求。爆速方面，TiH2-玻璃微球復合敏化儲氫型乳化炸藥的平均爆速為4659m/s，比玻璃微球敏化乳化炸藥的4534m/s高125m/s，高爆速使地震勘探中地震波的激發頻率增大，波長變短，抗干擾能力增強，結果可靠性高，記錄真實，分辨率增強[5]。以上實驗數據說明TiH2-玻璃微球復合敏化儲氫型乳化炸藥適合作乳化震源彈的起爆藥柱，解決TNT起爆藥柱在生產和使用過程中存在的問題。

2.2 MgH2化學敏化炸藥的爆轟性能

2.2.1 炸藥的爆炸威力

根據參考文獻[15-16]計算出水下爆炸的相關參數，見表3。同時由水下爆炸實驗結果繪制得到MgH2化學敏化和玻璃微球敏化的乳化炸藥壓力—時間曲線，如圖4所示。

表3 兩種乳化炸藥水下爆炸爆轟參數

注：p為峰值壓力；t為衰減時間；i為比沖量；ρ′為能流密度；E為沖擊波總能。

水下爆炸實驗結果如表3所示， MgH2化學敏化儲氫型乳化炸藥的峰值壓力、衰減時間、比沖量、能流密度和沖擊波總能都大于玻璃微球敏化的乳化炸藥。其中峰值壓力為11.2MPa，增加8.7%；衰減時間為35.2μs，增加了0.3%；比沖量為636.9Pa·s，增加了12.4% ；能流密度為2311.0J/m3，增加了26.4% ；沖擊波總能為3352.9kJ/kg，增加33.0%。由圖4可知，MgH2化學敏化儲氫型乳化炸藥的沖擊波壓力峰值約為10.8MPa，達到沖擊波壓力峰值所需時間約為15μs；而玻璃微球敏化乳化炸藥的沖擊波壓力峰值約為10.4MPa，達到沖擊波壓力峰值所需時間約為30μs。以上水下爆炸實驗數據說明，MgH2化學敏化儲氫型乳化炸藥的爆炸威力大，能更加有效激發地震波，提高了使用可靠性和爆轟性能。

2.2.2 炸藥的抗壓性能

兩種乳化炸藥在不同距離受壓后，水下爆炸沖擊波壓力峰值如表4所示。

由表4可以看出，玻璃微球敏化型和MgH2化學敏化儲氫型乳化炸藥的爆轟性能在受壓之后都受到了影響，但是MgH2化學敏化儲氫型乳化炸藥爆轟性能的下降幅度小于玻璃微球敏化型乳化炸藥，同時在相同強度沖擊波作用下，受壓后的MgH2化學敏化儲氫型乳化炸藥水下爆炸沖擊波壓力峰值遠大于受壓后的玻璃微球敏化乳化炸藥。以上沖擊波動壓實驗結果說明MgH2化學敏化儲氫型乳化炸藥抗壓性能強，爆轟性能受外界壓力的影響小。因此，MgH2化學敏化儲氫型乳化炸藥適合作為乳化震源彈的主裝藥。

表4 不同距離受壓后乳化炸藥水下爆炸沖擊波壓力峰值

注：p′為沖擊波壓力峰值。

2.3 儲氫型乳化震源彈的制備

儲氫型乳化震源彈的結構示意圖和實物圖如圖5所示。

制備儲氫型乳化震源彈包括起爆藥柱塑化成型、裝藥和封藥。

TiH2-玻璃微球復合敏化儲氫型乳化炸藥的起爆藥柱塑化成型：考慮到乳化炸藥呈膠狀，黏性大且耐壓性差，作為起爆藥柱容易變形，所以需要用塑性膜成型。方法為將塑性膜材料聚乙烯醇溶于有機溶劑石油醚，然后按比例加入增塑劑后制成溶液，再將該溶液涂抹在TiH2-玻璃微球復合敏化儲氫型乳化炸藥圓柱形藥柱的外表面，最后在真空干燥箱中烘20～50min，溫度控制在30～45℃，制得塑性膜材料包覆成型的TiH2-玻璃微球復合敏化儲氫型乳化炸藥的圓柱形起爆藥柱。

儲氫型乳化震源彈裝藥和封藥：首先將MgH2化學敏化儲氫型乳化炸藥按要求填入震源彈的塑料彈殼內，然后將塑性膜成型的TiH2-玻璃微球復合敏化儲氫型乳化炸藥插入主裝藥上方，加蓋封裝后制成儲氫型乳化震源彈。

3 結 論

(1)儲氫型乳化震源彈中的TiH2-玻璃微球復合敏化儲氫型乳化炸藥猛度為23.80mm，爆速為4659m/s，適合作為儲氫型乳化震源彈的起爆藥柱替代傳統震源彈中的TNT起爆藥柱。

(2)儲氫型乳化震源彈中的MgH2化學敏化儲氫型乳化炸藥水下爆炸參數有明顯提高，其中沖擊波總能增加了33.0%，爆炸威力大，同時抗壓性能強，適合作為儲氫型乳化震源彈的主裝藥替代傳統震源彈中的主裝藥。

(3)儲氫型乳化震源彈爆炸威力大、抗壓性能優異，同時具有安全環保等優點，因而具有廣泛的應用前景。