火炸药学报    2018, Vol. 41 Issue (2): 153-158   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.02.009
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引用本文  

李雪交, 缪广红, 杨明, 汪泉, 马宏昊, 沈兆武, 黄文尧, 毕志雄. 蜂窝型低爆速乳化炸药的制备及应用[J]. 火炸药学报, 2018, 41(2): 153-158. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.02.009
LI Xue-jiao, MIAO Guang-hong, YANG Ming, WANG Quan, MA Hong-hao, SHEN Zhao-wu, HUANG Wen-yao, BI Zhi-xiong. Preparation and Application of Low Detonation Emulsion Explosive with Honeycomb Structure[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2018, 41(2): 153-158. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2018.02.009

基金项目

国家自然科学基金(No.11502001);中国博士后基金面上项目(No.2014M561808);安徽省高校自然科学基金重点项目(No.KJ2017A089)

作者简介

李雪交(1986-), 男, 博士, 讲师, 从事爆炸力学与爆炸安全性研究。E-mail:117896855@qq.com

文章历史

收稿日期:2017-10-31
修回日期:2018-02-05
蜂窝型低爆速乳化炸药的制备及应用
李雪交1, 缪广红2, 杨明3, 汪泉1, 马宏昊3, 沈兆武3, 黄文尧1, 毕志雄1     
1. 安徽理工大学化学工程学院, 安徽 淮南 232001;
2. 安徽理工大学力学与光电物理学院, 安徽 淮南 232001;
3. 中国科学技术大学近代力学系材料力学行为和设计重点实验室, 安徽 合肥 232007
摘要: 针对目前爆炸复合炸药存在的问题,采用玻璃微球作为敏化剂和稀释剂,通过改变玻璃微球尺寸与含量,利用电测法测量爆速,研究其对乳化炸药爆轰性能的影响;制备爆速为2 530.5 m/s的蜂窝结构乳化炸药,分析了玻璃微球尺寸和含量对乳化炸药密度及爆速的影响;然后进行铜/钢爆炸复合,再通过金相显微镜(OM)观察复合板界面的结合性能。结果表明,小尺寸(粒径为5~100 μm)玻璃微球的敏化效果和调节爆速效果均比大尺寸(粒径为70~200 μm)玻璃微球的要好;乳化炸药的玻璃微球质量分数小于1%或者大于40%时,均会发生拒爆现象;小尺寸(粒径为5~100 μm)玻璃微球的质量分数在5%~30%时,随着玻璃微球含量的增加,乳化炸药爆速从4 915 m/s降至1 923 m/s,密度从1.14 g/cm3降至0.70 g/cm3;爆速2 530.5 m/s的铝蜂窝结构炸药临界厚度为9 mm,蜂窝板可以降低乳化炸药的临界直径;铜/钢复合板界面呈小波状,具有良好的结合质量。
关键词: 玻璃微球     爆速     蜂窝结构乳化炸药     爆炸复合    
引言

爆速是金属爆炸焊接的重要工艺参数,一般采用低爆速炸药作为焊接炸药,炸药的稀释剂通过阻碍爆轰波传播、减小炸药能量密度等方式降低爆速,可用于管、板、棒、箔材的爆炸复合[1-4]

目前国内常采用膨化硝铵炸药、改性铵油炸药、粉状乳化炸药为基制备爆炸焊接炸药[5-8]。但粉状硝铵炸药存在吸湿性强、密度不均等缺点,使得爆轰波传播不稳定,造成复合材料界面结合不均匀。由于炸药的临界直径较大,有时端部炸药无法完全起爆。Gülenc等[9]采用Elbar-5炸药(硝酸铵、柴油、梯恩梯质量比为92:5:3)进行了Al/Al爆炸焊接;Fronczek等[10]采用铵油炸药进行了A1050铝合金与AZ31镁合金的爆炸焊接;王勇等[11]采用质量比为94.5:5.5的膨化硝铵与柴油,通过调节稀释剂的含量,制备了爆炸焊接用低爆速铵油炸药。

本实验通过改变玻璃微球尺寸与含量,研究其对乳化炸药密度和爆速的影响,然后采用乳化炸药填充蜂窝板孔隙,制备了蜂窝结构炸药,探究了蜂窝结构对乳化炸药临界直径和爆速的影响,为研制适用于金属板材爆炸焊接的蜂窝结构炸药提供参考。

1 实验 1.1 样品及仪器

乳化基质和8号导爆管雷管,安徽省淮南舜泰化工有限公司,乳化基质由硝酸铵、硝酸钠、水、石蜡、司盘-80和柴油组成,其质量比为73:10:10:4:2:1;空心玻璃微球,浙江海岳新材料股份有限公司,粒径分别为5~100μm和70~200μm,壁厚为1~2μm,其密度分别为0.25和0.13g/cm3;铝蜂窝板,佛山市商美复合材料有限公司,厚度为50μm,蜂窝孔隙边长为8mm;T2铜,尺寸为2mm×150mm×300mm,佛山市华儒铜业有限公司;Q235钢,尺寸为20mm×150mm×300mm,上海浩程金属材料有限公司。

2BS-110型数字测试仪,南京理工大学;Axio Imager A1mLeica金相显微镜,德国Carl Zeiss公司;不锈钢密度杯,南京顺来达测控设备有限公司;BSA124S电子天平,德国Sartorius公司。

1.2 样品制备

将粒径分别为5~100μm和70~200μm的玻璃微球加入乳化基质中,于60℃恒温搅拌,混合均匀后冷却至常温,制备了10种玻璃微球含量的乳化炸药,其质量分数分别为1%、2%、3%、5%、7%、15%、25%、30%、35%和40%。

选取粒径为5~100μm的玻璃微球,制备质量分数为25%的乳化炸药。利用铝蜂窝板作为药框,然后将制备的乳化炸药填满蜂窝板孔隙,得到铜/钢爆炸焊接的铝蜂窝结构乳化炸药,如图 1所示。

图 1 铝蜂窝结构乳化炸药 Figure 1 Aluminum honeycomb emulsion explosive
1.3 性能测试

采用数字测试仪测量乳化炸药的爆速,探针间距为50mm;采用密度杯测量炸药密度,体积为100mL;采用金相显微镜分析复合板界面微观形貌,目镜、物镜倍数分别为10倍和50倍。

1.4 铜/钢爆炸焊接实验

实验采用T2铜板和Q235钢板分别作为爆炸焊接的覆层与基层。采用爆速为2483m/s的乳化炸药制备蜂窝结构炸药,将其平铺在覆层表面后,进行铜/钢爆炸焊接,爆炸焊接装置采用平行安装结构,如图 2所示。

图 2 铜/钢爆炸复合装置示意图 Figure 2 Schematic diagram of copper/steel explosive welding set-up
2 结果与讨论 2.1 玻璃微球含量对乳化炸药形貌的影响

为研究不同尺寸玻璃微球含量对乳化炸药形貌的影响,选取2种尺寸(粒径分别为5~100μm、70~200μm)、3种质量分数(5%、15%、25%)玻璃微球的乳化炸药形貌进行观察,如图 3所示。

图 3 不同尺寸玻璃微球含量的乳化炸药形貌 Figure 3 Emulsion explosive morphology of glass microspheres with different contents and sizes

图 3可知,乳化基质由连续相向非连续相过渡。玻璃微球含量较小时,玻璃微球被乳化基质完全包覆,炸药呈乳胶状。玻璃微球随着含量的增加过渡为包覆乳化基质,乳化炸药形貌呈粉末状。对比图 3(c)(d)(e)(f)可知,当玻璃微球质量分数为15%时,大尺寸(粒径为70~200μm)炸药的边缘处玻璃微球与乳化基质结合良好,而小尺寸(粒径为5~100μm)炸药的边缘处出现开裂。当玻璃微球质量分数为25%时,大尺寸玻璃微球的炸药边缘开始出现开裂,而小尺寸玻璃微球炸药的形貌已呈粉末状。对于含量相同的玻璃微球,小尺寸玻璃微球颗粒比大尺寸的多,所以乳化炸药形貌呈粉末状所需小尺寸的玻璃微球含量比大尺寸的要少。

2.2 玻璃微球含量对乳化炸药密度与爆速的影响

为探究玻璃微球含量对乳化炸药密度与爆速的影响,采用2种尺寸(粒径分别为5~100μm、70~200μm)玻璃微球,分别测量10种质量分数(1%、2%、3%、5%、7%、15%、25%、30%、35%、40%)玻璃微球的乳化炸药密度和爆速。

2.2.1 对乳化炸药密度的影响

不同尺寸玻璃微球含量的乳化炸药密度见表 1

表1 不同尺寸玻璃微球含量的乳化炸药密度 Table 1 Density of emulsion explosive with different contents of glass microsphere

根据表 1得到乳化炸药密度随不同尺寸玻璃微球含量的变化关系曲线,如图 4所示。

图 4 乳化炸药密度与不同尺寸玻璃微球含量的关系曲线 Figure 4 Relation curves of density of emulsion explosive and glass microsphere content with different sizes

图 4可知,乳化炸药密度随着玻璃微球含量的增大而减小。玻璃微球含量相同的乳化炸药,小尺寸(粒径为5~100μm)玻璃微球的炸药密度均比大尺寸(粒径为70~200μm)玻璃微球的大。玻璃微球含量相同时,小尺寸玻璃微球的乳化炸药体积比大尺寸玻璃微球的小,所以含小尺寸玻璃微球的乳化炸药密度比大尺寸玻璃微球的大。

2.2.2 对乳化炸药爆速的影响

两种尺寸下,不同玻璃微球含量的乳化炸药爆速见表 2。根据表 2得到乳化炸药爆速与不同尺寸玻璃微球含量的关系曲线,如图 5所示。

图 5 乳化炸药爆速与不同尺寸玻璃微球含量的关系曲线 Figure 5 Relation curve of detonation velocity of emulsion explosive and glass microsphere content with different sizes
表2 不同尺寸玻璃微球含量的乳化炸药爆速 Table 2 Detonation velocity of emulsion explosive of glass microsphere with different contents

图 5可知,对于小尺寸(粒径为5~100μm)的玻璃微球,质量分数为1%时炸药无法被起爆,质量分数为2%时炸药开始被引爆,质量分数为3%时的最大爆速为5087m/s,质量分数为35%时再次发生拒爆现象。而对于大尺寸(粒径为70~200μm)的玻璃微球,质量分数为1%和2%时乳化炸药出现拒爆现象,质量分数为3%时开始被起爆,质量分数为5%时爆速达到最大,爆速为4935m/s,质量分数达到40%时乳化炸药发生拒爆现象。

当玻璃微球含量较小时,乳化基质完全将玻璃微球包覆起来,周围的乳化基质与玻璃微球受到雷管起爆能压缩,产生的高温不足以达到炸药的爆发点。而且含量较低时,玻璃微球能够形成的热点较少,所以玻璃微球含量较小的乳化炸药无法被起爆。

当玻璃微球作为物理敏化剂,8号导爆管雷管作为起爆能量,雷管被引爆时,周围乳化炸药包含的玻璃微球受到压缩,导致玻璃微球温度迅速升高,达到炸药爆发点,形成热点被引爆,然后迅速扩展到整个炸药的爆炸。相同含量小尺寸的玻璃微球颗粒比大尺寸的多,能够形成更多的热点,所以玻璃微球作为敏化剂,8号导爆管雷管作为起爆能量引爆炸药时,所需小尺寸玻璃微球含量比大尺寸的少。而且相比大尺寸玻璃微球,小尺寸玻璃微球包覆的气体体积较小,受到压缩后更容易达到炸药爆发点,能够形成的热点比例和效率更高,小尺寸玻璃微球敏化的乳化炸药最大爆速比大尺寸高。因此,小尺寸玻璃微球敏化效果比大尺寸的好。

炸药爆速达到最大后,炸药爆速随着玻璃微球含量增加而减小。其中小尺寸的玻璃微球质量分数从3%增至7%时,炸药爆速随着玻璃微球含量的增加而微降。由于含量较少时玻璃微球被乳化基质完全包覆,爆轰波传播基本未受影响,单位炸药能量密度变化较小,所以乳化炸药的爆速变化不大。

对于小尺寸的玻璃微球,质量分数为7%~30%时,主要作为稀释剂调节炸药密度和爆速,炸药爆速随着玻璃微球含量增加而降低。由于乳化基质过度被玻璃微球包覆,爆轰波的传播受到阻碍,单位体积炸药能量密度减小,所以炸药爆速随着玻璃微球含量增加迅速降低。当玻璃微球质量分数为35%时,乳化基质被玻璃微球完全包覆起来,在雷管起爆能作用下玻璃微球受到压缩,形成的高温被周围无雷管感度的玻璃微球阻隔,难以作用在乳化炸药上达到爆发点,从而导致拒爆现象的产生。

作为敏化剂,小尺寸玻璃微球的乳化炸药最大爆速比大尺寸玻璃微球的高,表明小尺寸玻璃微球敏化效果比大尺寸的好。作为稀释剂时,相同含量的玻璃微球,小尺寸玻璃微球的炸药爆速比大尺寸的低,说明其调节爆速能力比大尺寸的强。

综上所述,小尺寸(粒径为5~100μm)玻璃微球敏化及调节爆速效果均比大尺寸(粒径为70~200μm)的好。

3 铝蜂窝结构乳化炸药的临界厚度

爆炸焊接专用炸药一般采用低爆速炸药,为得到乳化炸药以及铝蜂窝结构乳化炸药的临界厚度和爆速,分别选用4种不同厚度的炸药进行测量,结果如表 3所示。

表3 乳化炸药和铝蜂窝结构乳化炸药的临界厚度及爆速 Table 3 Critical thickness and detonation velocity of emulsion explosive and aluminum honeycomb structure emulsion explosive

表 3可知,填充铝蜂窝板的低爆速乳化炸药平均爆速为2483m/s,其临界厚度为18mm,而铝蜂窝结构炸药的平均爆速为2530.5m/s,其临界厚度为9mm。蜂窝孔的各向约束可提高乳化炸药的传爆能力,降低炸药临界厚度,炸药爆速也有所提高。由于蜂窝结构孔隙的各向约束作用,而且蜂窝结构材质为铝合金,使得炸药爆炸时其作为高能燃料参与反应,所以铝蜂窝板可降低乳化炸药的临界直径。

4 铜/钢爆炸焊接应用 4.1 爆炸焊接参数

爆炸焊接存在可焊性窗口,在此窗口内均可获得良好的结合质量。用于铜/钢金属爆炸焊接初始参数分别为:炸药密度为0.77g/cm3;单位面积药质量为1.73g/cm2;炸药爆速为2483m/s;炸药厚度为23mm。

4.2 铜/钢复合板金相组织

为研究铜/钢复合板界面结合性能,采用金相显微镜进行微观形貌观察,如图 6所示。

图 6 铜/钢爆炸焊接复合板界面微观形貌 Figure 6 Micromorphology at the interface of copper/steel explosive welding clad plate

图 6可知,铜/钢界面呈波状结合,结合界面波长为80~120μm,波幅为40~60μm。界面未出现缝隙、气孔、裂纹等微观缺陷。爆炸复合有3种结合形式:微波、小波和大波状。界面呈小波状结合,表明铜/钢爆炸焊接复合板界面具有良好的结合性能。

5 结论

(1) 以乳化基质为基,玻璃微球作为敏化剂和稀释剂,铝蜂窝板作为炸药药框,制备了铝蜂窝结构乳化炸药。随着玻璃微球含量的增加,乳化炸药的宏观形貌从乳胶状变为粉末状。

(2) 小尺寸(粒径为5~100μm)玻璃微球敏化和稀释效果均比大尺寸(粒径为70~200μm)的好,作为敏化剂时,小尺寸玻璃微球(质量分数3%)的乳化炸药最高爆速比大尺寸(质量分数5%)的微大;作为稀释剂时,乳化炸药爆速和密度均随玻璃微球含量增加而降低。

(3) 平均爆速为2530.5m/s的铝蜂窝结构乳化炸药临界厚度为9mm,表明铝蜂窝板可以降低乳化炸药临界直径。

(4) 铜/钢爆炸焊接界面呈小波状,具有良好的结合质量。


参考文献
[1]
汪育, 史长根, 李焕良, 等. 金属复合材料爆炸焊接综合技术发展新趋势[J]. 焊接技术, 2013, 42(7): 1–6.
WANG Yu, SHI Chang-gen, LI Huan-liang, et al. New trend in comprehensive technique of metal explosive welding[J]. Welding Technology, 2013, 42(7): 1–6.
[2]
孙宇新, 付艳恕. 铝-铝爆炸焊接界面形貌特征研究[J]. 稀有金属材料与工程, 2015, 44(10): 2486–2490.
SUN Yu-xin, FU Yan-shu. Morphology characteristics of Al-Al explosive interface[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2015, 44(10): 2486–2490.
[3]
Bazarnik P, Adamczyk-Cie s'lak B, Galka A, et al. Mechanical and microstructural characteristics of Ti6Al4V/AA2519 and Ti6Al4V/AA1050/AA2519 laminates manufactured by explosive welding[J]. Materials & Design, 2016, 111: 146–157.
[4]
Wang B, Xie F, Luo X, et al. Experimental and physical model of the melting zone in the interface of the explosive cladding bar[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2016, 5(4): 333–338. DOI:10.1016/j.jmrt.2016.04.001
[5]
岳宗洪, 李亚, 韩刚. 爆炸焊接专用炸药的研究与应用[J]. 工程爆破, 2011, 17(2): 73–75.
YUE Zong-hong, LI Ya, HAN Gang. Research on special explosives for explosive welding and its application[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants Engineering Blasting, 2011, 17(2): 73–75.
[6]
安立昌. 低爆速爆炸焊接炸药的本文设计[J]. 火炸药学报, 2003, 26(3): 68–69.
AN Li-chang. A new type of low detonation velocity exolosives for explosive welding[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao), 2003, 26(3): 68–69.
[7]
聂云端. 爆炸焊接专用粉状低爆速炸药的研制[J]. 爆破, 2005, 22(2): 106–108.
NIE Yun-duan. Development of cool explosive specially used in welding[J]. Blasting, 2005, 22(2): 106–108.
[8]
Fronczek D M, Wojewoda-Budka J, Chulist R, et al. Structural properties of Ti/Al clads manufactured by explosive welding and annealing[J]. Materials & Design, 2016, 91: 80–89.
[9]
Gülenc B, Kaya Y, Durgutlu A, et al. Production of wire reinforced composite materials through explosive welding[J]. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2016, 16(1): 1–8.
[10]
Fronczek D M, Chulist R, Litynska-Dobrzynska L, et al. Microstructure and kinetics of intermetallic phase growth of three-layered a1050/AZ31/A1050 clads prepared by explosive welding combined with subsequent annealing[J]. Materials & Design, 2017, 130: 120–130.
[11]
王勇, 张越举, 赵恩军, 等. 金属爆炸焊接用低爆速膨化铵油炸药实验研究[J]. 含能材料, 2009, 17(3): 326–328.
WANG Yong, ZHANG Yue-ju, ZHAO En-jun, et al. Experimental study on low detonation velocity expanding ANFO explosive used in metal explosive welding[J]. Chinese Journal of Energetic Materials, 2009, 17(3): 326–328.
Preparation and Application of Low Detonation Emulsion Explosive with Honeycomb Structure
LI Xue-jiao1, MIAO Guang-hong2, YANG Ming3, WANG Quan1, MA Hong-hao3, SHEN Zhao-wu3, HUANG Wen-yao1, BI Zhi-xiong1     
1. School of Chemical Engineering, Anhui University of Science & Technology, Huainan Anhui 232001, China;
2. School of Mechanics and Optoelectronic Physics, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China;
3. CSC Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials, Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei 232007, China
Abstract: Aiming at the existing problems of explosion welding explosive, glass microspheres are used as sensitizing agent and diluent, by changing the size and content of glass microsphere, the effect of size and content of glass microsphere on detonation properties of emulsion explosive were studied by using electrical measuring methods to measure detonation velocity. Aluminum honeycomb explosive with the detonation velocity of 2 530.5 m/s was manufactured, and the effect of size and content of glass microsphere on the density and detonation velocity of emulsion explosive was studied. Copper/steel explosion welding was conducted and the bonding quality of the clad plate at the interface was observed by metallographic microscope (OM). The results show that sensitization effect and detonation velocity adjustment effect of glass microsphere with small size (particle diameter:5-100 μm) are good than those of glass microsphere with large size (particle diameter:70-200 μm). When glass microsphere content of emulsion explosive is less than 1% or greater than 40%, the phenomenon of misfire will happen. When glass microsphere content with small size (particle diameter:5-100 μm) is greater than 5% and less than 30%, detonation velocity and density of emulsion explosive respectively decrease from 4 915 m/s to 1923m/s and from 1.14 g/cm3 to 0.70 g/cm3 with the increase of glass microsphere content. The critical thickness of aluminum honeycomb explosive with the detonation velocity of 2 530.5 m/s is 9 mm.The aluminum honeycomb panel can decrease the critical diameter of emulsion explosive. The interface of copper/steel clad plate shows small wave shape and has good bonding quality.
Key words: glass microsphere     detonation velocity     honeycomb emulsion explosive     explosion welding