第1章　爆炸和炸药的基本理论

1.1　炸药爆炸的基本知识

细节1　爆炸及其分类

（1）爆炸

在自然界中，经常会遇到各种爆炸现象。爆炸发生时，常伴随有强烈的放热、发光、声响等效应。如汽车或自行车轮胎“放炮”、锅炉爆炸、鞭炮燃放、原子弹与氢弹爆炸等。

广义地讲，爆炸是某一物质系统的一种极迅速的物理或化学变化。在变化过程中，瞬间释放系统内含有的能量，并借助系统内原有气体或爆炸生成气体的膨胀对周围介质做功，使之产生巨大的机械破坏效应。

（2）爆炸分类

按引起爆炸原因和特征的不同，可将爆炸分为物理爆炸、核爆炸和化学爆炸三类。

①物理爆炸

由物理原因造成的爆炸，爆炸时不发生化学变化，物质的化学成分和性质不发生改变，仅仅是物质的存在形态发生变化的爆炸现象称为物理爆炸。例如，氧气瓶爆炸、锅炉爆炸、轮胎爆胎等都是物理爆炸。在实际生产中，除了煤矿利用内装压缩空气或者二氧化碳的爆破筒落煤外，很少应用物理爆炸。

②核爆炸

由原子核裂变（如235U的裂变）或核聚变（如氘、氚、锂的聚变）的链式反应释放出巨大能量而引起的爆炸现象称为核爆炸，如原子弹、氢弹的爆炸。核爆炸释放出的能量相当于数万吨至数千万吨梯恩梯（TNT）爆炸，爆炸中心区温度可达数百万至数千万摄氏度，压力可达数十万兆帕以上，并辐射出很强的各种射线。

③化学爆炸

由化学变化所引起的爆炸，发生爆炸时，不仅物质形态发生变化，而且物质的化学成分和性质也发生变化的爆炸现象称为化学爆炸。例如，各种炸药、瓦斯、煤尘的爆炸以及鞭炮燃放等均属于化学爆炸。

工程爆破是利用炸药爆炸所释放出的能量对介质做功，以达到预定工程目的的爆破作业。岩石的爆破过程就是炸药发生化学爆炸释放能量，并将能量转化成机械功、破坏岩石的过程。因此，在工程爆破中研究应用最广泛的爆炸是炸药的化学爆炸。

细节2　炸药爆炸的基本条件

炸药是在一定条件下，能够发生快速化学反应，放出能量，生成气体产物，并显示爆炸效应的化合物或混合物。

炸药爆炸必须同时具备以下三个基本条件，缺一不可，也称为炸药爆炸的三要素。

（1）变化过程释放大量的热

放热是炸药发生爆炸反应得以进行的首要条件。热是爆炸做功的能源，如果化学变化过程中没有足够的热量放出，化学变化本身不能供给继续变化所需的能量，化学反应就不能自行传播，爆炸过程也就根本不可能发生。化学变化是否具有爆炸性可以从以下典型的草酸盐分解反应看出：

ZnC2O4→Zn+2CO2-205.4kJ/mol　　非爆炸反应

CuC2O4→Cu+2CO2+23.9kJ/mol　　非爆炸反应

HgC2O4→Hg+2CO2+72.4kJ/mol　　爆炸反应

Ag2C2O4→2Ag+2CO2+123.5kJ/mol　　爆炸反应

以上4个分解反应，虽然都生成气体产物，反应速率也很高，但第一个反应是吸热反应，不可能发生爆炸；第二个反应虽然属于放热反应，但反应热很小，不足以使反应自动加速和传播，也不是爆炸反应；而后两个反应由于是放热反应，且放出的热量足够大，能够使反应得以迅速进行并稳定传播，具有明显的爆炸特征。

（2）反应过程的高速率

反应过程的高速率则是爆炸反应区别于一般化学反应的重要标志。炸药爆炸反应时间大约是10-6～10-7s量级。虽然炸药的能量储藏量并不比一般燃料大，但是因为反应的高速度，炸药爆炸时能够达到一般化学反应无法比拟且高得多的能量密度。炸药与一般燃料的放热量和能量密度数据如表1-1所示。

1kg煤块燃烧可以释放出32660kJ的热量，这个热量与1kgTNT炸药爆炸放出的热量相比要多几倍，可是这块煤燃烧完成的时间大约需要几分钟到几十分钟，在这段时间内放出的热量不断以热传导及辐射的形式传送出去，所以虽然煤的放热量很多，但是单位时间的放热量并不多。同时还要注意到煤的燃烧是与空气中的氧进行化学反应而完成的，1kg的煤完全反应就需要2.67kg的氧，这么多的氧必须由9m3的空气才能提供，所以作为燃烧原料的煤和空气的混合物，单位体积所放出的热量也只有17.9kJ/L，能量密度很低。爆炸反应就完全相反。炸药反应通常都是以5～8km/s的速度进行。一块10cm见方的炸药爆炸反应完毕也就需要10μs的时间。由于反应速度极快，虽然总放热量不是太大，但是在这样短暂时间内的放热量却比一般燃料燃烧时在同样时间内放出的热量高出上千万倍。同时，因为爆炸反应无须空气中的氧参加，在反应所进行的短暂时间内放出的热量来不及散出，以致可以认为全部热量都聚集在炸药爆炸前所占据的体积内，这样炸药单位体积所具有的热量就达到1MJ/L以上，要比一般燃料燃烧高数千倍。因为反应过程的高速度使炸药内所具有的能量在极短的时间内放出，瞬间达到极高能量密度，所以炸药爆炸具有巨大的做功功率及强烈的破坏作用。

（3）变化过程生成大量气体产物

在反应过程中生成的大量气体产物，是炸药爆炸对外做功的媒质。爆炸瞬间炸药定容地转化为气体产物，其密度要比正常条件下气体的密度大几百倍到几千倍。也就是说，正常情况下这么多体积的气体被强烈压缩在炸药爆炸前所占据的体积内，从而导致109～1010Pa以上的高压。同时，因为反应的放热性，这样处于高温、高压的气体产物必然急剧膨胀，将炸药的位能变成气体运动的动能，对周围介质做功。在这个过程中，气体产物既是导致高压的原因，又是对外界介质做功的媒质。某些炸药爆炸气体产物在标准条件下的体积见表1-2。

可见，1kg猛炸药爆炸所产生的气体换算到标准状态（1.0133×105Pa，273K）下的气体体积为700～1000L，为炸药爆炸前所占体积的1200～1700倍。

又例如铝热剂反应：

2Al+Fe2O3→Al2O3+2Fe+828kJ

尽管反应十分迅速，且放出很多的热量，后一个反应放出的热量足以把反应产物加热到3000℃，但终究因为没有气体产物生成，没有将热能转变为机械能的媒质，无法对外做功，所以不具有爆炸性。

所以，对于爆炸来说，放热性、高速度、生成大量的气体产物是缺一不可的，只有在这三个要素同时具备时，化学反应才会具有爆炸的特性。

细节3　炸药化学变化的基本形式

爆炸并不是炸药唯一的化学变化形式。由于炸药化学变化的激发条件、所处的环境和炸药本身性质的不同，炸药的化学变化过程可能以不同的速度进行传播，同时在性质上也具有很大的差别。按照其传播速度和性质的不同，可将炸药化学变化的基本形式分为四种，即热分解（缓慢分解）、燃烧、爆炸和爆轰。

（1）热分解

与其他化合物一样，炸药在常温下就能进行分解反应并放出热量，但分解速度很慢，不会形成爆炸。当温度升高时，分解速度加快，温度继续升高到某一定值（爆发点）时，热分解就能转化成燃烧或爆炸。

对炸药来说，虽然缓慢分解这种变化形式没有什么实用价值，但它反映了炸药的化学安定性。在储存、加工和使用炸药时，都需要了解炸药的化学安定性。

（2）燃烧

炸药不仅能爆炸，而且在一定的条件下，绝大多数炸药都能够稳定地燃烧而不爆炸。研究结果表明，炸药的燃烧过程与爆炸过程不同，其基本特点如下。

①燃烧时反应区的能量是通过热传导、气体产物的扩散辐射而传入炸药的。但在爆轰时，能量与炸药的连续传爆是借助于爆轰波沿炸药的传播来实现的。

②燃烧的速度大大低于爆轰波的传播速度。燃烧速度总是小于原始炸药的声速，通常是每秒几毫米至数十厘米，最大也不超过每秒数百米。而爆轰的过程则恰恰相反，它的速度总是大大超过原始炸药的声速。

③在最初的一瞬间，燃烧波后的燃烧产物是向后运动的，而在爆轰过程中恰恰相反。因此，在燃烧区域内燃烧产物的压力大大低于爆轰波后面的压力。

④在炸药燃烧的条件下，化学反应的速度和性质主要决定于外界压力。例如，低氮硝化纤维素及其他某些复杂的硝酸酯在相当低的压力（3×103～3×105kPa）下燃烧时，会产生一氧化碳和甲醛，而在较高的压力（几万到几十万千帕）下燃烧就不会发生上述情况。

（3）爆炸

爆炸在传播的形态上与燃烧相比有着重大的本质区别。炸药爆炸的特点是在爆炸点的压力急剧地发生突变时，传播速度很快而且不变，通常每秒达数千米，但是这种速度与外界条件的变化不大，即使是在敞开容器中也能进行高速度爆炸反应。一般地说，爆炸过程是很不稳定的，不是过渡到更大爆速的爆轰，就是衰减到很小爆速的燃烧直至熄灭。因此，爆炸只是爆炸变化过程中的某一种过渡状态。

（4）爆轰

炸药以最大而稳定的爆速进行传爆的过程叫做爆轰。它是炸药所特有的一种化学变化形式，与外界的压力、温度等条件无关。不同的炸药爆轰的传播速度不同，一般为每秒数千米。例如，梯恩梯的爆速为6800m/s，是指梯恩梯在该条件下能够达到的最大的稳定的爆炸速度。对于任何一种炸药来说，在给定的条件下，爆轰速度均为常数。在爆轰条件下，爆炸具有最大的破坏效应。

爆炸和爆轰并无本质上的区别，只不过是传播速度不同而已。爆轰的传播速度是恒定的，爆炸的传播速度是可变的。从这个意义上来讲，也可以认为爆炸就是爆轰的一种形式，即不稳定的爆轰。

需要指出的是，炸药化学变化的上述4种形式在性质上虽有不同之处，但它们之间却有着非常密切的联系，在一定的条件下这四种化学变化形式是可以相互转化的。炸药的热分解在一定的条件下可以转化为燃烧，而炸药的燃烧随温度和压力的增高有可能转变为爆炸，直至过渡到稳定的爆轰；反之，爆炸也可以转化为燃烧、缓慢分解。