1、第 卷 第 期安徽理工大学学报（自然科学版）年 月 （）钝感破岩药剂的激发药配方设计及性能研究谢兴华，崔 钿，谢 强，孙洪杰（安徽理工大学化学工程学院，安徽 淮南；南昌安达安全技术咨询有限公司技术部，江西 南昌）摘 要：为解决传统起爆药原料受管制、难以应用于城镇拆除作业中的问题，以 系统配制出可以稳定起爆钝感破岩药剂且原料安全易得的激发药。通过对不同装药结构、配比下 系统激发效率、最大火焰长度以及总燃烧时间等参数的测定，确定了该激发药的最佳配比以及起爆机理。结果表明：氧化剂与还原剂比例在 之间时，该激发药能稳定起爆钝感破岩药剂，最小点火药量为，在一定范围内 含量越小，相应的激发效率越高，且与传
2、统点火药需要一定燃烧时间传递热量不同，钝感爆破剂的被激发效率与激发药爆燃反应速率有关。分析结果可为选用金属燃烧剂作破岩药剂激发药提供重要理论依据与实验参考。关键词：铝热剂；点火药；破岩药剂中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：安徽理工大学研究生创新基金资助项目（）作者简介：谢兴华（），男，安徽淮南人，教授，博士，研究方向：新型爆破器材。，（，；，）：，：；年间中国城镇住房总拆除量约为 万套，总拆除率为，随着城市化发展，城镇建筑物拆除作业在环保、安全、效率等方面的要求日益增高。因粉尘、噪音、振动以及环境污染等问题的存在，传统炸药爆破在城镇拆除作业中存在一定局限性。而高能燃烧药
3、剂等非炸药爆破技术由于安全、环保且易满足现阶段国家与社会对城镇拆除作业的要求，受到了国内外学者的广泛关注。破岩用高能燃烧药剂的组成中，氧化剂一般为硝酸钾，还原剂则以、等金属粉末为主。文献以高能燃烧剂与电解质溶液、膨胀剂组装成破岩药柱，证明了高能燃烧破岩药柱具有良好的切割、破碎岩石的能力；文献以 粉、硝酸钾等制备出高能破岩药剂，验证了其矿山工程作业效果；文献以厚壁筒的热传导为模型，研究了高能燃烧剂作用下岩石介质中温度场分布。高能燃烧剂所用到的点火药主要为 等纳米铝热剂，该体系能量密度高，需发火能量低，制成的含能薄膜作为点火系统具有较高的能量密度，常用于军事与航空的点火初始元件。纳米 与 放热量大
4、约为 ，左右便会发生化学反应，近年来相关复合物的合成及其热性能也得到了系统的研究，合成的含能桥元件在 电压下便能实现对钝感点火药药剂的稳定点火。虽然破岩药剂原料安全、不受管制，但国内外相关点火药的研究都聚集在点火元件方面，缺乏对破岩药剂起爆及爆燃性能影响的研究。因此，在工程作业中，破岩用高能燃烧药剂起爆时仍使用常规的起爆器材，使其在城镇区域内的运输、使用中受到了极大限制。为解决破岩药剂点火药应用受限，本文以谢兴华等人研制的钝感破岩药剂为例，通过 体系制备针对钝感破岩药剂的激发药，研究其在不同装药结构、配比下的起爆性能，以期对点火药在工程中的应用提供理论基础。实验设计 材料与仪器材料：硝酸钾，上
5、海明会吉化学制剂有限公司；铝粉（），工业品，天津市百世化工有限公司；铝粉（），山东银箭颜料有限公司铝粉厂；铝粉（），安徽科润纳米科技有限公司；氧化铜（粉状），天津市申泰化学试剂有限公司。仪器：高速摄像机（，日本 公司）；马尔文激光粒度仪（，英国马尔文仪器有限公司）；电热鼓风干燥箱（，吴江品格烘箱电炉制造有限公司）；可程式高低温试验箱（，合肥安科环境试验设备有限公司）。激发药的选择目前常用的点火药有黑火药、硅系点火药、硼硝酸钾点火药等。在对黑火药的实验中发现 药量时能量无法稳定激发该高能燃烧药剂，尝试选用热释放量更高的金属燃烧剂作为激发药进行研究。在选取激发药时，热释放量与能量密度是主要参考值，
6、图 给出了化学计量平衡下金属燃烧剂组合物的反应热量。由图 可知，与其他金属氧化物的单位质量与体积理论反应热更高，综合考虑原料成本、安全性等因素，以上 种混合物更适用。图 一些金属燃烧剂的反应热为保证激发效率，除反应热外还应综合考虑其绝热反应温度、气态产物量等因素。表 给出了化学计量平衡下，与其他金属氧化物反应的理论最大密度、绝热反应温度、气态产物的量。钝感破岩药剂的激发需要足够的热量累积，在此基础上为了保证传火效率，应尽可能减少凝聚态产物的产生。由表 可知，体系绝热反应温度高、凝聚态产物较低、原料来源广泛且相对廉价，故选取 与 混合物作为激发药，并对其进行性能测试。第 期 谢兴华，等：钝感破岩
7、药剂的激发药配方设计及性能研究表 与某些金属氧化物反应参数反应物成分理论密度绝热反应温度 无相变有相变气态产物 反应物质量比 铝热系统的可燃物和氧化物的配比一般按照化学计量比或者轻微的偏离化学计量比，通过公式（）（）（）计算得到，当 、时，与 的比值分别为、。式中，表示激发药配比，代表燃料，代表可燃物，代表当量比，代表实际配比，代表化学计量比。实验设计在对破岩药剂的实验中发现，敞开环境中药剂无法被直接激发，只在完全封闭的水泥石块中才能被激发达到破岩效果。这是因为相对于炸药的爆轰反应，破岩药剂的爆燃反应较为缓慢，主要通过温压效应，在反应过程中凭借温度与压力的逐步累积达到破岩效果；敞开环境下接触激
8、发药的一部分破岩药剂燃烧后，能量、温度、压力逐渐散失，难以使后续药品被激发。为重复模拟工程破岩，设计了如图 所示的结构。实验时将破岩药剂放入图 中装药结构处，用水泥进行堵塞，当破岩药剂做功时，由于水泥堵塞处的约束力较低，优先被破坏，能量从该处溢出，其他结构则不会被破坏。每次实验时，只需装药填塞，若水泥堵塞处结构被破坏，说明破岩药剂被正常激发，即可验证激发药激发效率。为验证不同装药结构的激发效果，按照图 所示的 种装药结构进行装药（图 为带有激发药的装药药柱，药柱装好后放入图 所示的装药结构处进行实验），验证激发效率。其中压装激发药结构为压装入纸管壳并密封的激发药（带有电引火药头），其余为散装激
9、发药。图 实验装置结构选用 铝粉按照表分别配置 、的激发药，装入直径为、长度为 的金属管壳内，装药量为，进行点火。用高速摄像记录每个点火反应的过程。为防止点火药头对火焰的干扰，激发药实验中选用电弧点火方式，将漆包线前端缠绕以形成电弧，后端与发炮器连接。图 装药结构 安徽理工大学学报（自然科学版）第 卷 结果与讨论 装药结构对点火药性能的影响如图 所示，装药结构 为压装激发药单独起爆，装药结构、中压装激发药下层增加了散装激发药，散装激发药下层与破岩药剂混合形成传火过渡层。装药结构 受壳体尺寸限制，激发药最大装药量仅为，无法激发破岩药剂。、结构中，管壳内装药被电引火药头引燃后，迅速发生爆燃反应，继
10、而引燃下层激发药，两部分共同作用激发破岩药剂，其中管壳部分装药量为。实验结果表明，装药结构中激发药能激发钝感破岩药剂，极限激发药量约为。在对 装药结构实验时，激发药量有部分未被激发。这是因为前端激发药点火后，反应时生成的凝聚态产物阻碍了其继续向下传火。装药结构的实验只能证明该激发药可以激发钝感破岩药剂，实验中出现的部分未激发现象表明其传火结构仍需优化，需消除或减少激发药爆燃反应后产生的凝聚态，以提高其传火效率，实现对钝感破岩药剂的稳定激发。不同配比对点火性能的影响图 为不同配比下激发药点火过程图，其中 时无法被电弧点火，只有少量烟雾产生。图 为根据图 计算出不同配比下激发药最大火焰长度、最大火
11、焰长度时间以及总燃烧时间等参数。由图 可知，随着 值的增大，其反应时间增加。分析原因是，激发药中 粒度较高，随着 含量的增高，激发药平均粒度增大，和铝粉颗粒之间的热量和质量扩散距离增大，延长了点火时间并降低反应速率。理论上 值低的情况下，含量较高，与 反应结束后，多余的 会在高温下会继续与空气中的氧反应，产生更多的热量，提高激发效率，且随着 含量的降低其反应速率加快，加剧了爆燃反应，反应产生的冲击波也提高了激发效率。图 激发药点火过程图 金属燃烧剂作点火药时，往往需要一定的燃烧时间传递与累积热量以达到点火目的。本文实验结果表明，激发药的反应速率越高，相应的激发效率也会提升，说明与传统点火药不同
12、，钝感破岩药剂的激发不仅需要足够的反应热量，也需要一定的爆燃反应速度；选择金属燃烧剂作破岩药剂激发药时，在热量匹配的基础上，需优先考虑其爆燃反应速率。然而，爆燃反应速率提高会对冲击波、热量累积、传火速率等多个因素产生影响，本文的实验结果不足以论证各因素对其激发效率的影响情况，第 期 谢兴华，等：钝感破岩药剂的激发药配方设计及性能研究今后可分别对各因素影响情况进行实验研究，进一步探究其激发机理。图 激发药爆燃反应数据 点火能力为了方便观察点火药火焰变化，上述两小节中采用了上端开口式装药结构，在实际工程应用中，点火药为封闭装药。且 与 的实验中为了避免电引火药头对火焰的干扰，选用了漆包线进行电弧点
13、火，工程中出于稳定性考虑一般选用电引火药头点火。图 为大型工程实验中采用纸壳封闭装药、用电引火药头时点火药爆燃反应图，其中处黄白色管状物即为封装好的激发药，为激发药爆燃反应开始瞬间图，分别为爆燃反应过程进行至一半与结束时反应图。可以看出，当爆燃反应开始时，能量优先从两端溢出，与 中实验结果相符合，表明当采用、装药结构进行中端起爆结构时可以一定程度上提高传火效率。图 封装激发药爆燃反应过程 结论与展望本文研究结果表明，体系可以激发含硝基的钝感破岩药剂，其最小激发药量为，最佳装药结构为中端两段式装药，最佳配比，且在一定范围内 值越小，相应的激发效率越高。传统点火药一般以燃烧温度、灼热熔渣、火焰大小
14、等评估点火性能。对破岩药剂的实验表明，与传统点火药作用方式不同，其被激发效率不仅与热量有关，也需要足够的爆燃反应效率。今后在选择金属燃烧剂作为激发药时，可通过其燃烧时间、达到最大火焰长度时间等参数评估爆燃速率，以决定配比。本文实验结果只论证了钝感破岩药剂的被激发效率与激发药的爆燃反应速率有关，但爆燃反应速率的提高会影响冲击波、压力、传火速率等因素，今后可通过实验研究各个因素分别对其激发效率影响情况，进一步研究其起爆机理。参考文献：刘存我国城镇居住建筑测算研究 基于轮换模型建筑设计管理，（）：安徽理工大学学报（自然科学版）第 卷 黄敬婷，吴璟中国城镇住房拆除规模及其影响因素研究统计研究，（）：，
15、：，：谢兴华，张小康，王林杰，等一种高能燃烧破岩药柱的应用工程爆破，（）：张小康两种爆破剂的设计制备及应用研究淮南：安徽理工大学，闫军，易建政，崔海萍高能燃烧剂作用下岩石介质中非稳态温度场计算兵工学报，（）：，（）：李勇，王军，高泽志，等多晶硅与 复合薄膜集成的含能点火器件的点火性能 含能材料，（）：，：，（）：，（）：倪德彬，于国强，史胜楠基于 复合薄膜半导体桥间隙点火性能研究含能材料，（）：王维康，李建民，杨荣杰 复合物的制备及其热反应性能研究固体火箭技术，（）：吴喜娜，咸漠，陈夫山 自组装制备 纳米复合含能材料含能材料，（）：，（）：，：常双君烟火技术与应用北京：北京理工大学出版社，：赵宝明，刘波，何昌辉，等 种点火药点火性能试验研究火工品，（）：（责任编辑：丁 寒，吴晓红）第 期 谢兴华，等：钝感破岩药剂的激发药配方设计及性能研究