爆速和爆压

在1.3节定义了爆轰的概念：含能材料的化学反应区受冲击波影响，以比声速更快的速度传播。含能材料分解的速率只与爆轰波速率有关，与燃烧或爆燃的传热过程无关。

持续的加速燃烧（DDT，爆燃转爆轰）或冲击（雷管中的起爆药触发引爆猛炸药）可导致爆轰。

第一种情况下，假定线性燃速随炸药表面压力指数增加：

式中：β为温度因子，β＝f（T）；α为与压力相关的燃速指数。

爆燃时α＜1，而爆轰时α＞1。在受限管道中，由于爆炸产生的气体不能全部排出，会出现DDT过程，从而压力和反应速率急速增加。因此，在爆轰炸药中，反应速率度增加超过声速，爆燃转变为爆轰。

在第二种情况下，提到炸药受冲击波的影响。这种方法用在雷管中（见2.5.1节）；起爆药的爆轰冲击波引爆猛炸药。起爆药产生的冲击波通过压缩作用使猛炸药的温度超过其绝热加热致使的分解温度，从而直接引发波阵面后的炸药反应。在反应期间，由于猛炸药强烈的放热反应，导致冲击波加速。因此，受冲击波影响，炸药的密度在反应区前短暂地增加为其晶体理论最大密度（TMD）的1.3～1.5倍，而冲击波后的薄反应区（约0.2mm）温度超过3 000 K，压力超过330 kbar。如果爆炸产生的冲击波传播速度比声速快，这个过程就是爆轰。冲击波通过炸药后持续地加速直到达到稳定状态。通过放热反应释放自由能达到稳定状态，如同能量释放到环境中的热能和能量必须压缩移动到晶体中。这意味着在恒定压力和温度下化学反应释放热量，冲击波的传播变为自维持过程。

受冲击波动力学行为的影响，未反应炸药薄层沿着其冲击绝热线压缩，比体积从V0（V0＝1/ρ0）变为V1（V1＝1/ρ1）。动力压缩使得压力从p0增加到p1，增加了炸药薄层的温度（图3.1），引入了化学反应结果。在化学反应结束后，比体积和压力的值分别为V2和p2。该状态与绝热冲击线上爆轰产物的点相吻合（图3.1）。这个点再次强调了在爆燃反应发生的热过程传播中，爆轰以冲击波机理发生得相当快。

图3.1　爆轰过程和冲击波结构（a）及炸药和爆轰产物（稳定爆轰）冲击绝热（b）的示意图

图3.2　圆柱形炸药中冲击波传播的示意图

存在于密闭管道或圆柱形炸药中的均质炸药的爆轰线性传播的发生情况是令人满意的，此系统不会降至临界直径以下（个别炸药的特性），否则会引起波前扰动（外部能量“损失”），因此爆速会减小。而对于许多猛炸药1 in是“较好的”管径选择，对于起爆药通常小于5mm的直径已经足够了。图3.2示意性地表示了冲击波在圆柱形炸药中的传播。波的前沿并不是水平的而是凸面，圆柱形炸药中心的线性爆速是最高的，沿着炸药表面递减。这个效果对大直径可以忽略不计，但对非常小的直径，这个表面效果会起主导作用，引起波前沿不稳定。爆速测量时必须考虑到这种所谓的临界直径问题，以保证在临界直径以上。

如前所述，这种讨论对于均质炸药是有效的，比如用在军事领域的炸药，它们主要是分子内反应。这些炸药通常被认为是“理想”炸药，尤其是它们能够用Chapman和Jouguet的稳态模型描述时。非均质炸药（非理想）普遍用于民爆领域，对于气泡、空洞、裂纹等分子间反应机理（扩散控制）起主要作用。与一般规律相同，爆速随直径成比例增加。

根据稳态爆轰模型，点（V0，p0）、（V1，p1）和（V2，p2）在瑞利线上（图1.22）。瑞利线的斜率由炸药的爆速决定。按照Chapman和Jouguet的假设，瑞利线与爆轰产物的绝热冲击线正切于化学反应结束（V2，p2）点。该点被称为Chapman-Jouguet点（C-J点）。

一般来说，对于均质炸药，爆速随含能组分的密度成比例增加。这就意味着为了获得更好的性能，重要的是要达到最大装药密度。为了使密度尽可能达到最大，使用了不同的技术工序，如压装、熔铸或挤压工序。对于单质化合物，其最大理论密度的极限就是单晶的密度（室温下单晶X-射线衍射获得的密度）。

Kamlet和Jacobs得出了爆速和爆压之间的经验关系式。式中，爆速D与装药密度是线性关系，而爆压p C-J与装药密度ρ0（g·cm-3）是二次方关系［17-19］：

常数K、A和B分别为15.88、1.01、1.30。此处：Φ值为

式中：N为每克炸药释放的气体的物质的量；M为气体摩尔质量，g·mol-1；Q为爆热，cal·g-1。

表3.1给出了部分炸药的爆速D和爆压p C-J与装药密度的关系。

表3.1　部分炸药的爆速D和爆压p C-J与装药密度的关系（实验数据）［20］

续表