Объем и состав газообразных продуктов взрыва

Классификация взрывчатых веществ

Рассмотрим два классификационных признака ВВ. Первый признак - назначение ВВ, второй признак – особенности свойств ВВ. Сами свойства химических ЭМ, в том числе ВВ, будут рассмотрены нами далее.

По первому признаку – назначение ВВ – они подразделяются на два вида:

- инициирующие ВВ;

- бризантные ВВ.

Инициирующие ВВ – применяются для снаряжения различных средств инициирования – устройств, предназначенных для возбуждения взрывчатого разложения других ВВ.

Бризантные ВВ – применяются в качестве разрывных зарядов в боеприпасах и в подрывных средствах.

Второй признак классификации основан на различии свойств ВВ.

Свойства ВВ определяются совокупностью числовых значе­ний их общефизических и специальных характеристик.

К общефизическим можно отнести такие характеристики, как:

- плотность (удельный объем);

- температура плавления;

- удельная теплоемкость;

- модуль упругости;

- коэффициент Пуассона;

- коэффи­циент теплопроводности;

- коэффициент линейного теплового расширения;

- коэффициент температуропроводности;

- допустимые напря­жения при растяжении или сжатии;

- коэффициент вязкости (для жидких и газообразных ВВ) и др.

Эти характеристики опреде­ляют вполне конкретные физические свойства любого вещества и обычно приводятся в справочниках.

Специальные характеристики ВВ определяют их взрывчатые свойства. К ним относятся:

- чувствительность;

- стойкость;

- удель­ная энергия ВВ;

- температура взрыва (горения);

- теплота или удельная энергия взрыва (горения);

- объем и состав газообразных продуктов взрыва (ГПВ);

- потенциал;

- фугасность;

- бризантность;

- сила.

Классификация по характеристикам ВВ приведена на рисунке.

Рисунок.

5. Специальные характеристики энергетических материалов (ВВ)

Для взрывчатых (и метательных) веществ важными характеристиками являются специальные характеристики, которым относятся:

– характеристики чувствительности и стойкости;

– удельная энергия взрывчатого вещества;

– максимальная температура взрыва или горения;

– удельный объем и состав газообразных продуктов взрыва (горения);

– характеристики работоспособности продуктов взрыва и горения;

– характеристики инициирующей способности, бризантности и фугасности ВВ.

Чувствительность энергетических материалов (ВВ)

Для возбуждения взрывчатого превращения необходимо на взрывчатое вещество произвести внешнее воздействие, – т.е. сообщить ему некоторое количество энергии. Это внешнее воздействие носит название начального импульса, а процесс возбуждения взрыва – процесса инициирования.

Опыт показывает, что для возбуждения взрыва одних ВВ достаточно слабого воздействия, а для других – требуются более сильные воздействия. Например, йодистый водород взрывается при прикосновении к нему бородкой птичьего пера, а тротил не взрывается даже при простреле заряда винтовочной пулей.

Иначе говоря, различные ВВ обладают разной чувствительностью к внешним воздействиям.

Чувствительностью взрывчатого вещества называется его способность к взрывчатым превращениям под воздействием начального импульса.

Численной мерой чувствительности ВВ служит минимальное количество- энергии, достаточное для возбуждения взрывчатого превращения.

В зависимости от формы энергии различают следующие виды начальных импульсов:

– механический (удар, накол, трение);

– тепловой (нагрев, луч пламени);

– электрический (искровой разряд);

– химический (действие химического вещества);

– детонационный (энергия взрыва инициирующего ВВ).

Первые четыре вида являются простыми формами начального импульса, а последний – сложной формой, так как воздействие детонационного импульса сводится к совместному действию удара и нагрева ВВ.

Различные ВВ имеют различную чувствительность к разным начальным импульсам. Это связано с их химическими и физическими свойствами, которые определяют поглощение энергии взрывчатыми веществами.

Чувствительность является одной из важнейших характеристик ВВ, определяющей возможность их практического использования. Слишком большая чувствительность делает взрывчатое вещество опасным в обращении и применении. Слишком малая чувствительность требует весьма большого начального импульса для возбуждения взрыва ВВ и может затруднить его использование на практике.

Чувствительность ВВ зависит от большого числа факторов:

– температуры ВВ;

– исходного агрегатного состояния;

– физической структуры и плотности заряда;

– величины кристаллов;

– наличия посторонних примесей и др.

Влияние температуры ВВ.

С повышением начальной температуры чувствительность ВВ увеличивается, что объясняется ослабле­нием молекулярных связей при нагревании и соответствующим уменьшением энергии, необходимой для возбуждения взрывча­того превращения. (Пример. Характерным в этом отношении является целлулоид, который при обычной температуре нечувствителен к удару, а при температуре 100 – 180° способен при ударе взры­ваться.)

При значительном понижении температуры чувствитель­ность ВВ падает. Так, например, при охлаждении гремучей ртути до температуры жидкого воздуха она при воспламенении часто дает отказы.

Агрегатное состояние.

При переходе ВВ из твердого состояния в жидкое чувствительность, как правило, повышается, что объясняется увеличением температуры заряда, а следова­тельно, и внутренней энергией вещества.

Влияние физической структуры и плотности заряда.

Уве­личение плотности заряда ВВ и переход от пористой структуры к сплошной приводят к снижению чувствительности ВВ. Неко­торые инициирующие ВВ, например гремучая ртуть, при повы­шении плотности выше некоторого предела вообще теряют спо­собность детонировать под влиянием теплового импульса.

В прессованном виде взрывчатые вещества (тротил, пикриновая кислота и др.) обладают значительно лучшей восприимчивостью к детонации, чем в литом виде, даже при одинаковой их плот­ности.

Такое влияние можно объяснить тем, что при увеличении плотности одно и то же количество энергии начального импульса распределяется на большую массу вещества, и, следовательно, энергия, приходящаяся на единицу массы, уменьшается. Кроме того, с увеличением плотности и при переходе к сплошной струк­туре уменьшается возможность относительного перемещения кристаллов и затрудняется проникновение горячих продуктов горения между частицами ВВ.

Величина кристаллов.

У инициирующих ВВ с увели­чением кристаллов чувствительность повышается; у бризантных, наоборот, она падает.

Поэтому для повышения чувствительности бризантных ВВ стремятся обеспечить мелкокристаллическую, структуру заряда. Это достигается путем введения специальной операции при изготовлении зарядов методом литья – шимозации. Процесс шимозации заключается либо в энергичном пере­мешивании расплавленного ВВ при его охлаждении, либо путем добавления в расплавленную массу порошкообразного ВВ. В первом случае при перемешивании происходит разрушение обра­зовывающихся кристаллов и тем самым устраняется возможность их роста; во втором – увеличивается количество центров крис­таллизации. В обоих случаях шимозация позволяет получить мелкокристаллическую структуру заряда.

При крупнокристаллической структуре инициирующих ВВ их острые углы создают повышенную концентрацию напряжений в контактных точках в момент возбуждения взрыва, что и повышает чув­ствительность заряда.

Влияние примесей.

Инертные примеси оказывают различное влияние на чувствительность взрывчатых веществ: в одних случаях, повышая чувствительность, а в других –понижая ее.

Примеси, способствующие повышению чувствительности ВВ, называются сенсибилизаторами, а примеси, понижающие чувствительность, - флегматизаторами.

Хорошими сенсибилизаторами являются ве­щества, частицы которых имеют острые грани, обладают высо­кими твердостью и температурой плавления (например, мелкое стекло, песок, металлический порошок и др.). Эти вещества спо­собствуют концентрации энергии удара на острых краях кри­сталлов, являются очагами интенсивного трения, приводят к об­разованию в заряде многочисленных очагов местных разогревов, облегчающих возникновение в нем взрыва.

Флегматизирующими свойствами обладают такие вещества, как парафин, воск, вазелин, камфара и др. Флегматизаторы об­волакивают поверхность кристаллов ВВ мягкой, эластичной пленкой и тем самым способствуют более равномерному распре­делению напряжений в заряде и уменьшению трения между от­дельными частицами.

В качестве флегматизаторов и сенсибилизаторов могут рас­сматриваться не только инертные добавки, но и другие взрывча­тые вещества, которые могут быть менее или более чувстви­тельными, чем рассматриваемое ВВ. В этом смысле, например, в сплаве тротила с гексогеном можно рассматривать тротил в качестве флегматизатора, понижающего чувствительность гексогена, или наоборот, гексоген можно рассматривать в качестве сенсибилизатора, повышающего чувствительность тротила.

Одно и то же вещество по отношению к одному ВВ может являться сенсибилизатором, а к другому – флегматизатором. Примером такого вещества может служить тальк. Добавление талька в количестве 10% примерно в 6 раз повышает чувствительность к удару тротила и в 7 раз снижает чувствительность гексогена. Этот факт объясняется различной твердостью частиц талька по сравнению с твердостью кристаллов ВВ. Так как твердость кри­сталлов гексогена выше твердости кристаллов талька, послед­ний в заряде из гексогена играет роль «флегмотизатора». В спла­вах тротила роль талька иная, так как по твердости он превос­ходит твердость кристаллов тротила и является сенсибилизатором.

Численные характеристики чувствительности ВВ определя­ются экспериментально на специальных приборах при опреде­ленных условиях опыта. Поэтому они носят условный характер и применяются только для сравнительной оценки чувствитель­ности различных взрывчатых веществ. При этом определяется чувствительность к различным начальным импульсам.

Мерой чувствительности ВВ к тепловому импульсу служит температура вспышки.

Определение чувствительности взрывчатых веществ к удару производится на приборах, называемых копрами, которые пред­ставляют собой устройства, позволяющие сбрасывать на навеску испытуемого ВВ груз определенного веса.

Характеристиками чувствительности инициирующих ВВ к удару служат минимальная высота падения груза, при которой из определенного числа испытаний (обычно пяти) получается 100% взрывов, и максимальная высота падения груза, при ко­торой из того же числа испытаний получается 100% отказов.

Чувствительность бризантных ВВ к удару обычно характе­ризуют процентом взрывов, происходящих при сбрасывании груза с определенной высоты.

Взрывчатые вещества, применяемые для военных целей, под­вергают обычно испытанию на прострел пулей. При таких испы­таниях ВВ помещается в чугунную трубу диаметром и длиной 5 см, закрытую с обеих сторон крышками на резьбе, и простре­ливают из винтовки с расстояния 9 м.

Чувствительность бризантных ВВ к детонационному импуль­су характеризуют величиной предельного (минимального) заряда инициирующего ВВ, способного вызвать полную детонацию оп­ределенного количества бризантного ВВ. Величина же предельного заряда инициирующего вещества, в этом случае, может рассматриваться так же, как характеристика инициирующей способности инициирую­щих ВВ.

Для обеспечения безопасности стрельбы артиллерийскими снарядами, заряд которых при движении по каналу ствола ис­пытывает значительные перегрузки, и исключения самопроиз­вольного взрыва заряда при ударе о преграду и ее пробивании необходимо, чтобы возникающие в зарядах максимальные напряжения не превосходили критических, которые заряд выдержи­вает без взрыва.

Следует заметить, что, кроме описанных характеристик чув­ствительности и способов их получения, на практике применя­ются некоторые другие. Иногда, например, проводят испытания на чувствительность ВВ к трению, к лучу огня огнепроводного шнура и др.

Стойкость энергетических материалов (ВВ)

Под стойкостью ВВ понимают их способность сохранять не­изменными свои свойства в условиях длительного хранения.

Под действием влаги, колебаний темпера­туры, химических превращений взрывчатые вещества могут из­менять свои свойства, а некоторые из них даже самовоспламе­няться. Например, аммотол вследствие гигроскопичности аммо­нийной селитры при хранении способен увлажняться. В резуль­тате происходящих при хранении повторных процессов увлаж­нения и высушивания аммотол твердеет (слеживается), при этом изменяется его плотность, а, следовательно, и восприимчивость к детонации. При плотностях заряда, превышающих 1,2–1,4 г/см³, аммотол обладает низкой чувствительностью к дето­нации.

Так же как и чувствительность, стойкость является важнейшей характеристикой взрывчатых веществ, определяющей возможность их практического использования. Очевидно, что нестойкие ВВ не могут применяться на практике.

Различают два вида стойкости взрывчатых веществ – физи­ческую и химическую.

Физическая стойкость характеризуется склонностью ВВ к физическим изменениям.

Физическая стойкость ВВ определяется та­кими физическими свойствами, как летучесть, гигроскопичность (способность усваивать влагу), механическая прочность.

Хими­ческой стойкостью называется способность ВВ не претерпевать при нормальных условиях хранения химических превращений.

Взрывчатые вещества по природе являются химическими соеди­нениями, относительно малоустойчивыми. Поэтому при длитель­ном хранении они неизбежно разлагаются. Однако различные ВВ отличаются друг от друга различной скоростью разложения.

В зависимости от скорости разложения взрывчатые вещества делятся на нестойкие, и стойкие.

Нестойкие ЭМ заметно раз­лагаются при длительном хранении. К ним относятся, главным образом, пороха и пиротехнические составы.

Стойкие ЭМ – в нор­мальных условиях хранения разлагаются незаметно. Изменение их химической структуры можно обнаружить лишь после не­скольких лет хранения. Стойкими является большинство бри­зантных взрывчатых веществ.

Химическая стойкость ВВ зависит от ряда факторов: химического строения ВВ, наличия посторон­них примесей и др.

Химическое строение определяет прочность молекулы ВВ и, следовательно, способность к разложению.

Наименее стой­кими из практически применяемых ВВ являются азотнокислые эфиры (пироксилин, нитроглицерин), в которых группа NО₂ связана с атомом углерода через кислород.

Весьма прочными являются нитросоединения (тротил, тетрил, гексоген), в которых нитрогруппа связана непосредственно с атомом углерода.

Примеси могут оказывать различное влияние на стойкость взрывчатых веществ. Примеси, ускоряющие процесс разложе­ния ВВ, называются катализаторами, а примеси, замедляющие разложение, – стабилизаторами.

К числу катализаторов относятся следы свободных кислот (ионы водорода), остающиеся в ВВ от процесса производства, и сами продукты разложения –окислы азота. Окислы азота об­разуют с влагой, содержащейся в ВВ, а также выделяющейся при разложении, азотистую и азотную кислоты, которые уско­ряют процесс разложения.

Явление ускорения разложения са­мими продуктами разложения носит название автокатализа.

Стабилизаторами являются такие вещества, как дифенил­амин, централит, ацетон и др. Стабилизаторы легко взаимодейст­вуют с продуктами разложения ВВ – окислами азота, образуя с ними химически стойкие соединения, не оказывающие влияния на ускорение разложения ВВ.

Процесс введения в ВВ стабили­заторов называют стабилизацией.

Химическая стойкость ВВ определяется экспериментально. Применяющиеся на практике методы определения стойкости ВВ основаны на искусственном ускорении процесса разложения пу­тем воздействия на испытуемое ВВ повышенных температур. Ха­рактеристикой стойкости служит продолжительность нагрева при определенной температуре до появления соответствующих признаков разложения.

Удельная энергия (теплота) взрыва. Температура взрыва

Удельной энергией (теплотой) взрыва называется количество тепла, ко­торое выделяется при взрыве 1 кг взрывчатого вещества в изохорном процессе. Единицы измерения в системе СИ - Дж/кг

Изохорный процесс – процесс, протекающий с участием газов (или паров) при постоянном объеме.

Существуют два метода определения удельной энергии взрыва – теоретический и экспериментальный. Теоре­тически теплота взрыва определяется методом термохимии взрыв­чатых веществ. Опытное определение теплоты взрыва произво­дится с помощью специальной калориметрических установок.

Температурой взрыва называют максимальную темпе­ратуру, до которой нагреваются продукты превращения ВВ.

Температуру взрыва обычно определяют путем вычислений. В основе вычисления лежит предположение, что взрыв есть адиабатический процесс, протекающий при по­стоянном объеме, и что, следовательно, выделяющаяся при взрыве теплота расходуется только на нагрев продуктов прев­ращения.

Газообразные продукты взрыва (ГПВ) играют роль рабочего тела. Их количество и состав существенно изменяются даже для одного и того же ВВ, что объясняется существенным влиянием начальных условий и способа возбуждения взрыва, которые оп­ределяют вид реакции взрывчатого превращения.

При горении ВВ на открытом воздухе происходит достаточно глубокий распад молекул ВВ, при этом продукты разложения состоят в основном из СО₂, СО, Н₂О, N₂, Н₂, О₂, Н, ОН, NО и т. д.

В условиях детонации количественный и качественный состав ГПВ будет существенно отличаться от состава газов, образую­щихся при сгорании ВВ. Это объясняется тем, что при детонации возникают значительно более высокие давления, под влиянием которых, согласно принципу Ле Шателье, происходит смещение равновесия между продуктами реакции в сторону уменьшения их объема. Это значит, что в начальной стадии взрыва будут пре­обладать продукты вида СО₂+С, которые по сравнению с 2СО занимают меньший объем. В дальнейшем, по мере развития про­цесса взрыва, состав газообразных продуктов будет изменяться.

Состав продуктов взрыва может быть определен теоретически или опытным путем. Теоретически эта задача решается методами термохимии, а экспериментальное определе­ние состава продуктов взрыва производится методом газового анализа, основанного на последовательном поглощении газов различными поглотителями.

Объем продуктов взрыва определяют двумя спо­собами: расчетным – по реакции разложения ВВ и опытным пу­тем – измерением объема газов, образующихся при взрыве оп­ределенного количества взрывчатого вещества.

Дата добавления: 2014-01-03