2019年9月20日
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起爆药剂
2012-05-02
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起爆药主要用来装填火帽和雷管等火工品元件,通常用来引爆较敏感的猛炸药,因此也称初发装药。在宇航飞行器中,也可用作特殊火工品作功的初始药剂。起爆药按组分可分为两大类:单质起爆药和混合起爆药。

   单质起爆药系指单一化合物的起爆药,其化合物分子内部含有特征爆炸基因或敏感的含能集团,如Hg(ONC)2、Pb(N3)2、Ag2C2等。

   混合起爆药系通过机械混合或共沉淀包覆等方法将几种组分混合制成的起爆药。可由两种或两种以上的单质起爆药混合而成;单质起爆药与非爆炸性物质混合而成。例如15Sb2S3/20Ba(NO3)2/40[C6H(NO2)3O2]-Pb/5C2H8ON1020Pb(N3) 2、33.3Sb2S3/33.4KClO3/28.3Pb(N3)2/5金刚砂及17Sb2S3/53KClO 3/25Pb(CNS)2/5 Pb(N3)2等。由非爆炸性物质氧化剂、还原剂和添加剂组成的混合药剂,大多是引燃药、点火药和延期药等火工药剂。

   点火药的品种较多,主要有黑火药、硅系点火药、硼?硝酸钾点火药、锆系耐水点火药、镁?聚四氟乙烯点火药、镁?二氧化碲钝感点火药等。点火药的应用广泛,例如可用30Mg/30 Al/40PTFE点火药点燃火箭发动机,用44Ba(NO3) 2/34 KClO3/15C/11虫胶点火药点燃照明剂,用80BaO2/18Mg/2粘结剂点火药点燃曳光剂等。

   起爆药剂是弹药爆炸的初始能源,决定着弹药是否适时作用和是否达到预定的毁伤效果,在弹药中的地位相当重要。

   无论在军事上和民用爆破中,所采用的起爆药应满足下列基本要求。

   (1)起爆药必须具有适当的感度,它既要准确适时地被预定作用冲能引燃或引爆,以保证弹丸及其它爆炸物的可靠作用,又必须保证在制造、运输、使用及弹药发射过程中的安全。

   (2)起爆药必须有足够的起爆能力,以便足以使它下一级的爆炸物完全爆轰。起爆药的起爆能力愈大,引爆同一爆炸物所需的起爆药量就愈少,为缩小火工品体积创造条件,不仅可使引信小型化,而且便于平时的隔离保险,提高使用、运输及勤务处理的安全性。

   (3)起爆药必须有很好的安定性,在制造、储存、使用及压装到管壳内后,其物理安定性、化学安定性及对相接触材料的相容性,必须保证在战术技术条件中所要求的允许变化范围之内,以确保安全使用。

   (4)因为起爆药都压装到管壳中使用,而且大都采用容量法计量以群模操作,每个管壳中装填药量又不多,微小的药量误差,可能影响火工品作用的可靠性。为了保证压药安全及性能可靠,要求起爆药应力求具有纯度高、粒度均匀、表面光滑的球形,以保证计量准确和良好的压药性。

   此外,还要求制造起爆药的原材料来源广泛,生产工艺简单易行,操作安全且重现性好,有利于环境保护等。

 

发展沿革

 

   中国古代四大发明之一的火药(后称黑火药)就是现代起爆药的始祖。公元3世纪中国古代劳动人民就发现了火药的燃烧性质,后来逐渐发展成为与现代黑火药相似的配方组成。公元9 ~10世纪,火药已用于军事并装填各种火器。后来,火药经丝绸之路传入中亚、西亚等国,又从这些国家传入欧洲。直到19世纪以前,中国发明的火药既是点火药,又是发射药和爆炸装药。这一时期,火药(黑火药)对人类文明、军事技术及社会进步都产生了深远的影响。

   由于黑火药的引燃作用不可靠,许多人开始改进黑火药,并致力于寻找用于引燃和引爆作用的新型起爆药。

   1786年,法国化学家伯瑟莱特(Berthollet)发现氯酸盐与可燃物混合,受撞击时容易发生爆炸,从而研制出了以氯酸盐、木炭和硫磺混合物代替黑火药作为点火药,同时改进了火炮和轻武器的传火孔结构,克服了黑火药的缺点。

   17世纪瑞典炼金家J?孔克尔用酒精处理硝酸汞溶液时,首次制得了雷汞。它是一种单质起爆药,学名雷酸汞。1799年英国化学家E?霍华德阐述了雷汞的性质和制备方法,并把雷汞与硝酸钾混合制击发药,成为霍华德击发药。1814年美国首先将击发药装入铁盂用于枪械。 1865年,A?B?诺贝尔发明了用雷汞作起爆药的雷汞雷管,用于起爆以硝化甘油为基的代那迈特炸药,从而开创了用起爆药引爆猛炸药的新纪元。雷汞具有良好的火焰感度,对针刺和撞击的敏感性适中,所以近百年来雷汞一直是雷管采用的主要起爆药,也是火帽击发药的主要组分。但雷汞与铝能起较强烈的反应,所以通常用铜容器盛装雷汞。雷汞有毒,皮肤接触后能生湿疹,加之其耐压性不好,热安定性差,而且含雷汞的击发药还易腐蚀炮膛和药筒等缺点,所以在军事上已逐渐被叠氮化铅、斯蒂芬酸铅和特屈拉辛等起爆药代替。在工业雷管中,则被二硝基重氮酚取代。

   1890年,T?库尔其乌斯将醋酸铅溶液加入叠氮化钠溶液中,首次制得了叠氮化铅。它也是一种单质起爆药,简称氮化铅。1907年,法国人F?海罗尼米斯首次在炸药工业中应用并获得专利。第一次世界大战中,叠氮化铅开始用于制造军用火工品。德国、美国及前苏联等国于20世纪初期都相继使用了这种起爆药,直到1931年美国发明了可防止后爆危险的糊精叠氮化铅,才使引爆器材进入了一个新阶段。20世纪50年代后期,随着小型雷管的发展,英、美等国又相继制出了性能更优异、纯度在97.5%以上、安全的球形单晶羧甲基纤维素叠氮化铅,并得到了广泛应用。叠氮化铅爆轰成长期短,起爆能力比雷汞大数倍,有良好的耐压性和安定性,因此更适合雷管小型化发展的需要。

   叠氮化铅与雷汞不同,它与铜起作用,不与铝和镍金属起反应,所以一般使用时将它压入铝壳中。由于叠氮化铅热安定性优良,故常用作耐高温雷管的装药。又因叠氮化铅的撞击感度与火焰感度低于雷汞,所以不能单独用作针刺雷管和火焰雷管的装药。军事应用上为改善它的这两种感度,通常在其表面再压装一层斯蒂芬酸铅、四氮烯、硫化锑和硝酸钡等混合物。

   1858年格里斯在苦氨酸钠的水悬浮液中,加入亚硝酸钠和盐酸溶液,进行重氮化反应首先制得了二硝基重氮酚。它是一种含有硝基和重氮基的起爆药,简称DDNP。1928年美国的研究结果表明,DDNP具有良好的起爆性能和猛炸药的威力,而且撞击感度和摩擦感度均低于雷汞和叠氮化铅,具有良好的火焰感度,起爆能力比雷汞大一倍,因此开始用作起爆药。在20世纪 40年代后,作为工业雷管装药取代了雷汞,大量用于装填电雷管、毫秒延期雷管和其它火工品。

   1910年,K?A?霍夫曼首次发现和制备了特屈拉辛。它是一种富氮单质起爆药,又称四氮烯。1921年,德国首先将四氮烯应用于针刺药中,制出了第一种以四氮烯为敏化剂的混合起爆药,为无雷汞击发药的发展奠定了基础。

   四氮烯的摩擦感度和火焰感度都低于雷汞,其猛度和起爆能力均较小,所以不能单独作为起爆药使用,只能作为无雷汞或无腐蚀击发药的组分。在叠氮化铅或斯蒂芬酸铅中加入少量的四氮烯,可提高它们的针刺感度。四氮烯有毒性,其晶体表面常吸附一些低分子挥发物,使其热安定性变坏,使用时要特别注意。

   1914年,冯?赫兹首次通过硝酸铅溶液与斯蒂酚酸的钠盐或镁盐溶液反应制得了斯蒂芬酸铅,它是一种单质弱起爆药,学名为2,4,6-三硝基间苯二酚铅。在制造过程中,由于pH值和温度等反应条件的差别,可生成中式盐、碱式盐或酸式盐。中式盐和碱式盐大都是制造混合起爆药的组分,在火工品中应用广泛。

   斯蒂芬酸铅是一种爆炸性能较弱的起爆药,由于它的爆轰成长期较长,起爆力较小,故不适宜单独作为雷管装药。斯蒂芬酸铅的撞击感度仅是叠氮化铅的1/2,但它具有很高的火焰感度,因此常用于火焰雷管装药,覆盖在叠氮化铅上面,以弥补叠氮化铅火焰感度的不足。在电发火火工品中,常用斯蒂芬酸铅做电发火头的成分,所以常用来做火帽中的无腐蚀击发药以取代雷汞,同时它也是针刺火工品中针刺药的重要组分。因此,斯蒂芬酸铅也是一种常用的起爆药。

   斯蒂芬酸铅的主要缺点是静电感度大,本身易产生静电积聚,造成静电火花放电而发生爆炸事故。近年来,针对斯蒂芬酸铅静电感度大和容易积聚静电的缺点,进行了大量改性研究工作,如用羧甲基纤维素对其钝化造粒,用石墨或其它钝化物质包覆斯蒂芬酸铅的晶粒,以减小晶粒的摩擦和静电积聚。同时积极研究斯蒂芬酸铅的代用品,如采用静电感度较小的二硝基间苯二酚铅、三硝基间苯三酚铅等。现在用作起爆药、点火药、击发药和针刺药的改性斯蒂芬酸铅的品种已逐渐形成产品系列。

   随着现代武器系统和民用工业的发展,对起爆药提出了增大起爆力、提高安定性、具有合适的针刺感度和良好的火焰感度等要求,以满足火工品发展所提出的多方面要求。例如,增大起爆药的起爆能力,以满足火工品小型化发展要求;提高起爆药的安全性,以满足火工品抗静电、抗射频、耐烤燃等要求;具有合适的感度(如冲击、撞击、针刺、摩擦、热丝、激光等),以保证火工品的作用可靠性要求。这样,当前仅有的常用单质起爆药已不能完全满足需要,例如雷汞虽具有合适的感度,但它的耐热性能及安全性能较差,起爆能力较小,对环境污染严重、治理复杂;叠氮化铅的起爆能力虽大,但它的火焰感度和针刺感度均较小,限制了它的使用范围;斯蒂芬酸铅火焰感度好,四氮烯的针刺感度好,但它们的起爆力都较弱,又不能单独用作起爆药。因此,为了多方面满足火工品和各种引燃、引爆装置的发展要求,除努力研制和引用新型起爆药品种外,需要将几种起爆药或起爆剂与某些氧化剂、可燃剂进行混合,相互取长补短,发挥药剂的总体效果,以满足各种不同的使用要求,出现了混合起爆药。

   混合起爆药按用途可分为击发药、针刺药、摩擦药等。击发药是应用于火帽中的重要混合起爆药。1848年,最早在发火枪弹中使用了含雷汞的击发药,其配方组成为25雷汞/50黑药/25玻璃粉;美国富兰克夫兵工厂早期使用的配方为35雷汞/15氯酸钾/45玻璃粉;第一次世界大战中使用的通用配方为32雷汞/45氯酸钾/23硫化锑;第二次世界大战中前苏联用于枪弹火帽的击发药配方为16.7雷汞/55.5氯酸钾/27.8/硫化锑;50年代中国使用的击发药配方为雷汞/氯酸钾/硫化锑。由于含雷汞击发药的分解产物对药筒和膛壁有较大的腐蚀性,降低了武器的使用寿命和精度,所以从1885年后,各国曾提出过许多无雷汞击发药,如美国用于小口径轻武器火帽中的击发药配方为53氯酸钾/17硫化锑/25硫氰酸铅/5TNT等;也有用PbN6代替雷汞的,如美国早期采用的PA?100击发药,其组成为 5PbN6/53KClO3/17Sb 2S3/25Pb(CNS)2等。使用中发现氯酸钾在爆炸反应过程中生成Cl-离子,对药筒和膛壁也产生腐蚀作用,因此又研究出了无雷汞、无氯酸盐的无腐蚀性击发药。早期的配方有 12PbN6/3四氮烯/23Ba(NO3)2/20PbO2/10CaSi/20Sb2S3/12Pb(CNS)2等。经过较长时期的实践证明,以斯蒂芬酸铅和四氮烯为爆炸剂的击发药较好,德国采用的配方:40LTNR/3四氮烯/42Ba(NO3)2/5PbO2/10CaSi;美国采用的配方:35.0LTNR /3.1四氮烯/31.0Ba(NO3)2/10.3PbO2/10.3Sb2S3/10.3锆粉及60LTNR/5四氮烯/25Ba(NO3)2/10Sb2S3等。

   随着科学技术的发展,六七十年代后又相继出现了复盐击发药和合金化合物、耐高温击发药、无壳弹底火用击发药、电发火击发药、导电击发药以及“伊雷”击发药等,均已形成系列。

   针刺药是随击发药相继发展起来的起爆药剂。在历史发展中也分为含雷汞和不含雷汞两大类,以不含雷汞的针刺药配方较多,至今美国常用的针刺药配方有5.0PbN6/53.0KClO3/17.OSb2S3/25.0Pb(CNS)2、20.0PbN6/40.0LTNR(碱式)/5.0四氮烯/20 .0Ba(NO3)2/15.0Sb2S3等。

   摩擦药又称拉火药,是接受摩擦击发能产生火焰起点火作用的药剂,主要用于摩擦火帽和拉火管的装药。现代实用配方有15Pb(CNS)2/40KClO3/25Sb2S3/20木炭/4虫胶(外加 )及67氯酸钾/33Sb2S3等。

   70年代以后,随着军事技术及空间科学技术的发展,许多国家除了积极研制和发展单质起爆药外,又相继出现了钝感化起爆药、复盐起爆药及适合特殊用途的特种起爆药等。

 

性能特点

 

   (1)起爆药的主要特点是外界作用比较敏感,具有较低的能量起爆阈值,可以用较小的初始冲能,如撞击、摩擦、针刺、火焰、电能或激光、辐射、静电等引起爆轰。不同起爆药对外界作用的敏感程度差别较大,例如碘化氮起爆药仅用羽毛轻轻扫动即能引起爆炸,而三硝基间苯二酚铅至少需要1.04J的撞击能量才可使其爆炸。不同的起爆药对不同形式的外界作用还具有一定的选择性,例如Pb(N3)2比LTNR对机械作用更敏感,而耐热作用比LTNR钝感,所以人们可根据起爆药对外界作用的这一特性,来选择不同的起爆药满足不同火工品的战术技术要求。

   (2)起爆药接受外界冲能引爆时,可以由爆炸迅速转化为爆轰,即起爆药爆炸变化加速度的增长比猛炸药快得多。这样,起爆药击发后,达到C?J条件爆轰所需时间和药柱长度就比猛炸药短得多,而且一经点火爆炸就不会熄灭,这对生产、使用和勤务处理提出了更高的要求。

   (3)起爆药爆轰后能引起与之相邻的猛炸药达到稳定爆轰的能力称为起爆药的起爆能力。起爆药的起爆能力越强,炸药越易达到稳定爆轰,可以更好地发挥炸药的毁伤作用,所以起爆药的起爆能力是其重要的示性数,用来衡量这一指标的参量是极限起爆药量。不同起爆药的起爆能力差别很大,如对起爆TNT而言,用Pb(N3)2的极限起爆药量为0.09g;而用LTNR ,1.0g仍不能使TNT达到爆轰。

 

使用现状

 

   目前世界各国使用的起爆药大体相同,现以美国等几个国家的使用情况为例来阐述起爆药的使用现状。

   使用量最多的单体起爆药还是叠氮化铅,很多要求瞬发度高、体积小的火工品差不多都单独装填Pb(N3)2,例如美国的M78式、M78E式、M95式、MK57-1式、PA500式、T44式、XM65 式等电雷管以及爱国者导弹电雷管等;前苏联ЭИД火花电雷管、英国BL755式子母弹子弹引信用电雷管等火工品,其起爆药均装填了单一的Pb(N3)2。

   为了增加Pb(N3)2的火焰感度,有些火工品常在Pb(N3)2的上面覆盖一层LTNR,以便更好地发挥Pb(N3)2的效果,例如美国的M36A1式、M48式、M100式、MK70?0式、M71式及T24E1式等电雷管,前苏联火电两用雷管、TAT?1式火焰雷管等火工品均在Pb(N3)2 上面压一层几毫克至几十毫克的LTNR,以保证可靠的起爆效果。

   二硝基重氮酚的优点很明显,所以除用于军用雷管装药外,还广泛用于工业雷管装药。例如美国MK51-0电雷管的起爆就是采用二硝基重氮酚,此雷管配装于水中兵器和大型火箭弹的引信中。20世纪40年代后,工业雷管的起爆药完全由二硝基重氮酚取代了雷汞,成为生产量最大的起爆药品种。

   火工品中,撞击火帽、针刺雷管中几乎都装填混合起爆药。例如美国采用40LTNR(碱式)/20 Ba(NO3)2/20Pb(N3)2/5四氮烯/15Sb2S3装填M98、MK126-0等数种撞击火帽;装填MK157?0、MK102?1等数十种针刺火帽;装填MK95?0、PA501等数种针刺雷管以及装填P A502等部分火焰雷管。采用17Sb2S3/53KClO3/25Pb(CNS)2/5TNT装填M42G、MK10 7?0等数种撞击火帽。采用5Pb(N3)2/17Sb2S3/53KClO3/25Pb(CNS)2装填M55 、M41A1等数种针刺火帽和M41、M50等数种针刺雷管。

   当前应用于无壳弹底火的混合起爆药有(30~40)LTNR/(10~15)四氮烯/(20~25)Ba(NO3 )2/(7~10)PbO2/(5~10)Sb2S3/(7~10)锆粉/(3~5)PETN、40LT NR/5四氮烯/30Ba(NO3)2/17Sb2S3/5Al粉/3PETN等数种配方。

   在射速较高的机关炮和某些单发射击的炮弹底火中用到电火帽,要求装填电点火帽的击发药增加电点火能力和导电能力。能满足以上要求的电击发药有44.5KClO3/35.5Pb(CNS)2 /20.0木炭/20DDNP/5硝化淀粉、15锆粉(细)/30氢化锆/20PbO2/15Ba(NO3)2/20 PETN等数种配方。

   很多新研制的混合起爆药,如10HNS/53KClO3/25Sb2S3/12CaSi、10TACOT/53 KCl O3/25Sb2S3/12CaSi等数种配方被用于空间技术和高速运载工具运载的弹药火工品中。

   综上所述,起爆药在火工品中的应用是十分广泛的,随着科学技术和武器弹药的发展,新研制的各类性能优良的起爆药也将会更加广泛地应用于各类火工品中。

 

发展趋势

 

   自70年代至90年代,随着导弹火工品的发展,很多现代新型雷管不断涌现并得以应用,为起爆药的发展和应用开辟了新的道路。科技工作者由过去一直探索合成敏感类起爆药,逐渐转变成向合成安全钝感类、耐热类起爆药发展。与此同时,还将一些爆轰性能类似于起爆药的炸药通过改性应用于火工品装药。所以当前起爆药的发展趋势是继续发展、合成性能较全面的、对低能量刺激较钝感的“钝感起爆药”,或称安全钝感起爆药;提高药剂的起爆感度。当前,国内外已取得下列进展。

   1.耐热起爆药

   由于航空、舰载武器弹药中所用的起爆药可能要长期处于高温、真空和辐射环境中,而在民用深井的爆破器材中所用的起爆药可能处于高温高压环境中,因此耐热起爆药的研究便得到了迅速发展。适用于上面要求的耐热起爆药有斯蒂酚酸钡、碱式二硝基间苯二酚铅、一硝基间苯二酚铅、二硝基苯并氢化呋咱钾等。近年来国内外还制成了苦味酸钾、四硝基咔唑、六硝基二苯胺钾、高氯酸二银氨基四唑盐等。

   2.高能安全钝感起爆药

   由于常规敏感起爆药对外界刺激过于敏感,很难用于航天航载等特殊要求的现代火工品中,因此国内外广泛研究以猛炸药代替起爆药直接用于高能起爆。当前可以作为高能安全钝感起爆药的有细化HNS、HMX、RDX及TATB等。但由于细化及纯化处理工艺复杂,细化后的产品为火工品装药带来困难,不利于大量生产,所以要真正用于装填火工品还有待于继续探索。

 

   近年来发现的高能安全钝感单质起爆药有苯并氧化三呋咱、三硝基三苦基苯、2,5?二苦基?1,3,4??NFDA3?二唑等,已逐渐用于军用及民用中。

   3.共沉淀起爆药

   利用共沉淀方法将两种或两种以上的起爆药在结晶过程中形成一种共沉淀的聚结晶体,称为共沉淀起爆药。它可以代替两种或多种起爆药的机械混合,可以大大提高混合的均一化程度,改善颗粒间密切接触的状态,更好地发挥起爆药的综合性能。近年来研制的品种有叠氮化铅与斯蒂芬酸铅共沉淀起爆药、碱式苦味酸铅与叠氮化铅共沉淀聚结晶体、四氮烯与斯蒂芬酸铅共沉淀起爆药。这种起爆药的出现不仅减少压药工序、简化工艺、节约原材料、降低成本,而且可以解决二硝基重氮酚废水污染的难题,为起爆药的发展提供了新的途径。

   4.配位化合物起爆药

   80年代以来,随着火工品药剂向高能、可靠、钝感方向发展的需要,配位化合物起爆药的研究得到了迅速发展,其中最具代表性的是高能钴配位化合物起爆药,已研制出其同类物30余种,比较成熟的是高氯酸2?(5?氰基四唑酸)五氨络钴(Ⅲ)。这类药剂明显的特点是比常规起爆药钝感,在裸露粉末状态下,用火药甚至明火都不能点燃;当压装到管壳内时,可以用桥丝、火焰起爆,而且可迅速转为爆轰,80年代已用于DDT雷管装药。

   由于这类起爆药比常规起爆药安全,所以是近20年来国内外一直寻求代替敏感型起爆药叠氮化铅的新型安全钝感起爆药。

   5.四唑类起爆药

   这类起爆药很有发展前景,近年来发展了很多品种,其中有些品种在性能上优于叠氮化铅,形成逐步取代叠氮化铅起爆药的趋势,而且有些品种代表着起爆药向高能、钝感的发展方向。最具代表性的是5?硝基四唑汞起爆药,70年代中期,英、美两国联合研制了这种起爆药,70 年代后期中国也开展了对这类起爆药的研究,现已用于深井采油耐高温火工品中,并获得了良好的效果。

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