Взрывчатые вещества

Это индивидуальные вещества или смеси, способные под влиянием какого – либо внешнего воздействия (нагревание, трение, удар и т.п.) к быстрой, самораспространяющейся хим. реакции с выделением большого кол-ва энергии и образованием газов. Расстояние, на которое перемещается фронт реакции в единицу времени называется скоростью взрывчатого превращения.

Взрывчатые вещества обычно состоят из углерода, водорода, азота и кислорода. Когда ВВ распадаются, происходит процесс окисления горючих элементов ВВ (углерода и водорода), окислительными элементом ВВ - кислородом. В исходном веществе окислительные и горючие элементы ВВ обычно связаны через буферный элемент - азот, это обеспечивает устойчивость молекулы в нормальном состоянии. Таким образом любое ВВ содержит как горючие компоненты, так и окислительные, что позволяет им распадаться в самоподдерживающемся режиме с выделением энергии в отсутствии кислорода воздуха. Отношение количества атомов кислорода, содержащегося в ВВ, к количеству атомов кислорода, необходимого для полного окисления горючих элементов ВВ до CO2, H2O, называется кислородным коэффициентом (КК), при этом полагают, что азот выделяется в молекулярном виде N₂. Например взрывное разложение этиленгликольдинитрата выглядит следующим образом:

C₂H₄(ONO₂)₂ => 2CO₂+2H₂O+N₂

Безусловно, КК=1 соответствует максимально возможному энерговыделению ВВ, и, соответственно, максимальной мощности. При КК<1 в продуктах взрыва появляются продукт неполного окисления - CO, а при КК резко меньшем единицы даже свободный водород, углерод и метан. При КК>1 в продуктах взрыва начинают появляться свободный кислород и окислы азота. При этом следует помнить, что свойства продуктов при параметрах, характерных для детонации конденсированных ВВ, до сих пор малоизученны, поэтому расчет состава продуктов детонации обычно носит гипотетический характер. Кроме того, состав существенно зависит от условий взрыва, что еще больше усложняет задачу. В большинстве применяющихся на практике индивидуальных ВВ КК реализован меньше 1. Этому есть объективная причина, связанная с тем, что при стремлении КК к 1 в общем случае растет чувствительность ВВ к механическим воздействиям и следовательно опасность в обращении. Лишь в смесевых ВВ, благодаря гетерогенности можно достигнуть КК=1 при умеренной чувствительности к случайным факторам.

Для ВВ характерны два режима взрывчатого превращения: детонация и горение. При детонации реакция распространяется очень быстро (В газовых смесях 1.0 – 3.5 км/с, в твердых и жидких до 10 км/с), в зависимости от природы ВВ, свойств и размеров заряда. При этом развиваются давления, достигающие для твердых и жидких ВВ неск. сотен тысяч атм. (Десятки ГПа) с температурой до 4000°С. При расширении сжатых продуктов детонации происходит взрыв.

Протекание устойчивой детонации определяется гл. обр. эффективностью процессов активации в тот момент, когда выделяющаяся энергия передается прилегающим к фронту детонационной волны слоям еще не разложившегося ВВ, если эта эффективность слишком мала, то фронт детонации будет двигаться вперед с уменьшающейся скоростью, и в конце концов перейдет в звуковую волну.

У однородных мощных ВВ скорость детонации возрастает с повышением их плотности обычно вплоть до максимальной (см рис. 1). У смесевых аммиачно-селитренных ВВ или слабых индивидуальных (динитротолуол и др.) характер изменения скорости детонации с увеличением плотности иной: Увеличение плотности от насыпной до некоторого предела приводит к увеличению скорости детонации, но при дальнейшем повышении плотности скорость детонации начинает падать и процесс может совсем прекратиться (см рис. 2).

Увеличением диаметра заряда при испытании на скорость детонации можно сместить точку перегиба кривых скоростей детонации в зависимости от плотности в сторону большей плотности.

Такое различие объясняется разными механизмами развития процесса детонации. В мощных индивидуальных ВВ фронт детонационной волны считается гомогенным; сильная ударная волна распространяясь по заряду, сжимает впереди лежащие слои ВВ, вызывая их разогрев и химические превращения. Такой механизм возбуждения детонации называется гомогенным. Достаточный для возбуждения реакции разогрев слоя ВВ в этом случае согласно расчетам может произойти при скоростях детонации 6000-8000 м/с. Гомогенный процесс соответственно характерен для ВВ обладающих высокой степенью сплошности.

При меньших скоростях детонации повышение температуры за счет сжатия плотного однородного слоя ВВ незначительно и не может само по себе явиться причиной возникновения химических превращений. Возбуждение устойчивого процесса при меньших скоростях детонации более вероятно не по механизму гомогенного разогрева, а путем разогрева отдельных очагов в сечении заряда ВВ, в которых концентрируется энергия ударной волны. Такими локальными очагами могут явиться пузырьки газа, нагревающиеся при сжатии до очень высокой температуры, а также различного рода включения, вызывающие неравномерность движения массы, внутреннее трение и вследствие этого сильный местный разогрев. Этот механизм также присутствует в менее выраженном виде и в случае гомогенного процесса.

Также следует отметить, что поскольку ВВ превращается в продукты взрыва не мгновенно, то в сжатых продуктах взрывчатого превращения в детонационной волне всегда имеются частички еще не прореагировавшего ВВ или компонентов, которые, догорая, на протяжении какого-то времени питают своей энергией ударную волну. Однако горение частичек, попадающих в волну разрежения, замедляется, и их энергия для ударной волны становится бесполезной, возникают т.н. химические потери.

При инициировании детонации в цилиндрических зарядах посредством стандартного импульса, оказывается, что для каждого ВВ, в зависимости от условий упаковки, существует т.н. предельный диаметр заряда. С уменьшением диаметра заряда ниже предельного, увеличиваются потери в окр. среду и скорость детонации уменьшается, так что при величине диаметра, меньшего некоторого т.н. критического не удается получить процесса устойчивой детонации (см рис 3).

Инициирующие ВВ, характеризующиеся высокой скоростью реакции, детонируют в зарядах диаметром более 0.01 – 0.1 мм. Для некоторых грубодисперсных промышленных ВВ (например аммиачная селитра или игданит) критический диаметр может составить несколько десятков см. Критический диаметр является характеристикой непосредственно определяющей детонационную способность ВВ и почти всегда пропорционален толщине зоны реакции для “B” каждого конкретного ВВ.