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炸药的性能
第六章炸药的性能
随着科学技术和经济建设的发展，炸药已成为一种特殊的能源，其用途日益广泛，不仅消耗量逐年增加，而且对炸药的性能提出了新的要求。
在制造炸药产品、改进炸药品种的过程中，只有通过性能的研究和测试，才能提供充分的数据，说明该炸药的引爆和爆轰性能是否满足使用要求，说明在生产、运输、储存和使用过程中是否安全可靠。
研究炸药的性能对推动炸药品种和使用的发展，确保产品制造质量，起着极其重要的作用。
炸药的性能，一是决定于它的组成和结构，二是决定于它的加工工艺，三是决定于它的装药状态和使用条件。
各种不同的炸药及其使用领域，对其性能有不同的要求。
本章主要介绍炸药的密度、爆速、爆压、做功能力、猛度、殉爆距离、有毒气体产物等知识。
6.1炸药的密度
密度是炸药，特别是实际使用的装药形式炸药的一个很重要的性质。
机械力学性能、爆炸性能和起爆传爆性能等均与密度有密切的关系。
6.1.1理论密度
对于爆炸化合物，理论密度指炸药纯物质的晶体密度，或称最大密度。
对于爆炸混合物，理论密度则取决于组成该混合炸药各原料的密度。
定义混合炸
药的理论密度等于各组分体积分数乘以各自密度的加权平均值，其表达式为：
（6-1）
式中?
t—炸药的理论密度；mi—第i组分的质量；y—第i组分的体积;
第i组分的理论（或最大）密度
炸药的理论密度是指理论上炸药可能达到的最大装药密度。
实际上所得到的炸药装药密度，不论采用何种装药工艺，均小于理论密度。
6.1.2实际装药密度和空隙率
炸药装药中总存在一定的空隙，空隙率可由下式定义：
:
二仆一订.-；）100%（6-2）
而装药的实际密度可由下式求得：
为m为m门
:
0--（1一；）=5（1-；）（6-3）
V'Vi
式中：
?
0—装药的实际密度；；一空隙率；V—装药的实际体积
例1、已知某炸药+=1.83gLcm"，装药密度「0=1.61~1.69gLcm°，求其空隙率
解：
；=（1一‘0「；）100%=12.7%~7.8%
例2、某混合炸药的组成及各组分的理论密度是:
m』g
R/gcm，
梯恩梯
30
1.654
黑索今
45
1.806
铝
20
2.69
蜡
5
0.90
该炸药的装药密度是1.686gcm”，计算该炸药的理论密度和空隙率
根据式（6-2）式，得：
；=（1一G"t）100%=（1-1.686/1.784）100%=5.49%
炸药的实际密度除决定于炸药品种外，还与它的加工工艺和装药条件有关。
这主要是各固体组分的颗粒度及粒度分布、颗粒形式、表面情况、装药工艺及条件、附加物的作用及其它措施。
例如，对于模压装药炸药，密度与装药条件有关，加载压力是首要因素；但在一定加载压力作用下，炸药的可塑性、流动性就起决定的作用，而这些往往受温度、颗粒情况、附加物等因素影响。
表6-1列出了几种炸药的装
药密度随加载压力而变化的情况。
表6-1装药密度与加载压力的关系（室温）
炸药
1000
1500
2000
2500
钝化黑索今
1.650
1.672
1.681
1.684
某咼分子粘结炸药
1.699
1.712
1.722
1.725
钝黑铝炸药
1.76
1.77
1.78
由表中数据可见，装药密度随加载压力增大而增加，最后分别趋近于它们的理
论密度1.7224、1.780、1.850gcm'。
某高分子粘结炸药在2000kgcm'加载压力的模压条件下，药柱密度随药温变化的情况如表6-2所示。
表6-2药柱密度与药温的关系
压药温度（C）
2040
50
60
70
装药密度（g/cm3）
1.71351.7224
1.7240
1.7246
1.7318
对于铸药炸药，熔融组分在冷却凝固过程中，晶核形成和晶体生长速度应有适当控制。
精细结晶可以获得较高密度，而粗大结晶只能得到较小密度。
其中固体组分的颗粒规正、表面圆滑、粒度及其级配合理，加入表面活性剂和晶形改性剂，以及采用真空浇铸、加压或振动凝固等措施时，均有利于提高装药密度。
例如，黑索
今/梯恩梯65/35混合炸药，用普通浇铸法装药密度为1.658gcm3,用振动浇铸法密
度为1.689gcm"，而若用真空振动浇铸法装药时，密度可达1.730gcm"，此时的
空隙率仅为1.13%。
对于主要用于军事目的的混合炸药装药，在知道它们的理论密度和实际密度后，
为了判断装药的质量，也可以对此炸药的成型性能进行评价，常用比值来标志压装炸药的可压性。
与此相反，对于某些工业炸药或特种炸药，为了提高起爆感度或者降低爆轰性能参数，常通过向炸药内引入气体的办法来降低密度，例如在乳化炸药、浆状炸药、泡沫炸药内加入微气泡。
6.2炸药的爆速
炸药的爆速是它的重要爆轰参数之一，也是它的重要性能指标。
爆速是目前能准确测量的爆轰参数，而且它与其它性能，如爆轰压、猛度等密切相关，因此爆速是衡量炸药爆炸能力的重要指标之一。
对爆速的研究和测试是炸药爆炸理论的重要内容。
经过第四章的学习已经知道：
炸药爆轰过程是爆轰波沿炸药装药一层一层地进行自动传播的过程。
从本质上讲，爆轰波就是沿炸药传播的强冲击波。
爆轰波与一般冲击波的区别，主要在于爆轰波传播时炸药受到高温高压作用而产生高速爆轰化学反应，放出巨大能量，放出的部分能量又支持爆轰波对下一层未反应的炸药进行强烈冲击压缩，因而爆轰波可以不衰减地稳定地传播下去。
在一定条件下，爆轰波以一定的速度进行传播。
爆轰波在炸药中传播的速度叫做爆轰速度，简称爆速，其单位是ms'。
一般所说的爆速，就是在稳定条件下的爆速。
文献和书刊中给出的爆速实测值，均为在一定条件下炸药稳定爆轰的爆速值。
单体炸药、猛炸药混合物炸药和某些混合炸药的爆速有较大的差异。
由于单体炸药、猛炸药混合物炸药的极限直径较小，在一般使用条件下，其爆轰大多处于理想爆轰的状态，爆速的数值除装药密度之外，主要决定于炸药本身的结构和性质。
对于混合炸药，特别是由较大比例的惰性添加剂组成的混合炸药，以及绝大部分工业炸药，它们的极限直径和临界直径都较大。
在一般使用条件下，炸药装药或药包的直径大多处于极限直径以下、临界直径以上的范围。
炸药的爆轰处于非理想爆轰状态，所以其爆速的影响因素比单体炸药要复杂得多。
6.2.1炸药爆速的经验计算
在炸药爆轰参数的计算中，爆速和爆压是最重要的两个特性参数。
炸药界除应用发展起来的状态的确方程和计算机技术对爆轰性能进行理论上全面和准确的预报外，还总结、研究了许多计算爆速和爆压的经验和半经验方法。
这些经验计算方法快速有效，精度符合要求，为炸药合成、设计提供了得心应手的武器。
A、Kamlet公式
康姆莱特（KamletMJ）等人根据BKWRuby代码的计算结果和炸药爆速实验数据的分析，归纳出计算炸药爆速和爆压的简易经验公式。
康姆莱特认为炸药的爆速可以简化地归结为以下四个参数的关系上，即单位质量炸药的爆轰气体产物的摩尔数、爆轰气体产物的平均摩尔质量、爆轰反应的化学
能（爆热）和装药密度。
前面三个参数直接决定于炸药的爆炸反应，炸药的爆炸反应是一个很复杂的反应，第二章虽已对不同氧平衡的炸药提出了一些经验估算方法,但每种方法均有很大局限性，只能进行近似估算。
康姆莱特的进一步研究表明，虽然这三个参数均随着爆炸反应式的不同而有很大变化，但按用不同方法确定的反应式进行计算时，爆热高时气态产物的物质的量就小，爆热低时气态产物的物质的量就大，也就是说爆炸反应式对这三个参数的综合影响是不敏感的，他们称这种现象为缓冲平衡。
康姆莱特提出的计算炸药爆速的经验公式是：
D=0.706212（11.30（6-4）
其中：
:
护=NM12Q12
式中：
D—密度为-时炸药的爆速，km；：
•一炸药装药密度，gcm^；
N每克炸药爆轰时生成气态产物的物质的量；
M—气体爆轰产物的平均摩尔质量；「一炸药的特性值
Q—每克炸药的爆炸化学能，即单位质量的最大爆热，J；
在确定N、M、Q时，假设爆炸反应按最大放热原则（H2O-CO2平衡）进行，即碳、氢、氧、氮炸药爆炸时，全部氮生成氮气，全部氢生成水，剩余的氧使碳生成二氧化碳；如氧不足以使全部碳氧化，则多余的碳以固体炭形式存在；如全部碳氧化后仍有氧剩余，则以氧气的形式存在。
对于CaHbOcNd炸药的N、M、Q值的计算可按表6-3进行。
表6-3N、M、Q的计算方法
参数
炸药组分条件
cH2a+0.5b
2a+0.5baca0.5b
0.5b>c
N（molLg'）
b+2c+2d
b+2c+2d
b+d
4Mr
4Mr
2Mr
M（gLmol°）
4Mr
56d+88c—8b
2d+28d+32c
b+2c+2d
b+2c+2d
b+d
QX103（jLg」）
120.9b+196.8a+AH；
120.9b+196.8（c-0.5b）+AH；
241.8c+^Ho
Mr
Mr
Mr
注：
表中Mr—炸药的摩尔质量；H0—炸药的标准生成焓，kJmol-1。
例3、奥克托今（C4H8O8N8）的Hf=75.1kJmol4,以康姆莱特公式计算其装
药密度为1.817gcm^时的爆速。
解：
Mr=296氧平衡处于2a0.5bc0.5b的条件，按表6-3的计算公式得:
M=56d88_8b=568888一88=27.20
b+2c+2d8十2汉8+2^8
120.9b196.8（c-0.5b）.H120.98196.8（80.58^75.13
Q=10=10=6181
Mr296
:
^NM12Q120.03378217220118113.851
=D=0.706212（11.30=0.706213.85112（11.301.817）=8.836（kms‘）
实测爆速为8.157km£二误差达-6.39%
Kamlet公式适用于装药密度大于1.0gcm"的碳、氢、氧、氮元素组成的炸药
爆速计算值与实验测试值之差一般不大于2%,但对于太安、硝基胍等及其混合炸药
的计算误差较大。
表6-4列举了部分炸药的计算结果，并与实验值进行了比较。
表6-4用康姆莱特公式计算的爆速与实测值的比较
炸药名称
9
密度
P（gLcm°）
计算爆速
（kmUs*）
实测爆速
（kms」）
相对误差
（%）
1.00
5.111
5.100
+0.2
1.30
5.977
6.040
-1.0
1.45
6.411
6.457
-0.7
梯恩梯
9.896
1.56
6.725
6.640
+1.3
1.63
6.929
6.940
-0.2
1.68
6.947
6.932
+0.2
1.614
7.413
7.581
-2.2
特屈儿
11.483
1.63
7.463
7.400
+0.8
1.00
6.048
5.980
+1.1
1.20
6.731
6.750
-0.3
1.44
7.551
7.440
+1.5
1.57
7.995
8.089
-1.1
黑索今
13.877
1.60
&098
8.060
+0.5
1.65
&272
8.180
+1.1
1.755
&627
8.660
-0.4
1.80
&780
8.750
+0.3
1.538
7.903
7.657
+3.0
1.568
8.006
7.794
+2.7
太安
13.932
1.67
8.354
7.980
+4.7
1.77
8.695
8.600
+1.1
1.77
8.671
8.500
+2.0
奥克托今
13.852
1.84
8.918
9.124
-2.3
1.90
9.117
9.100
+0.2
苦味酸铵
10.201
1.55
6.798
6.850
-1.0
—胺基—硝基苯
10.178
1.847
7.661
7.660
-0.0
10.704
1.780
7.655
7.600
+0.7
二胺基一硝基本
1.790
7.685
7.575
+1.5
乙烯二硝胺
13.240
1.562
7.789
7.750
+0.6
三硝基苯
10.442
1.64
7.152
7.270
-1.6
B、氮当量和修正氮当量公式
计算炸药爆速的氮当量公式是我国炸药工作者国遇贤于是1964年提出的，公式
的表达式如下：
D=1.850'N1.160（「-1）、N（6-5）
式中：
D—炸药的爆速；炸药装药密度；N—炸药的氮当量
他认为，炸药的爆速除与装药密度有关外，还与爆轰产物的组成密切相关，为此可将爆速表示为产物组成特密度的函数，在爆轰产物中，取氮气对爆速的贡献为1,其它爆轰产物的贡献与氮气相比较的系数称为氮当量系数，它们的取值列于表6-5
中。
表6-5爆轰产物的氮当量系数
爆轰产物
N2
H2O
COCO2O2C
HF
CF4
H2
CI2
氮当量系数
1
0.54
0.781.350.50.15
0.577
1.507
0.290
0.876
炸药的氮当量以100克炸药为基准，将各种爆轰产物的物质的量与其氮当量系数乘积的总和称为氮当量。
爆轰产物的组成按下述规则确定：
首先将分子中的氢氧化为水；然后碳再被氧化为一氧化碳，有多余的氧再将一氧化碳氧化为二氧化碳；若还有氧多余即以氧气状态存在，若不能将碳完全氧化为一氧化碳时，则出现固体炭。
后来有人将（6-5）式加以简化，给出氮当量表达式如下：
D=1.850'N1.160（「1）、N=（0.6901.160'）'N（6-6）
其中：
'n二型、XiNi
M
式中：
M—炸药的摩尔质量，gcm'；Ni—第i种产物的氮当量系数
Xi—每摩尔炸药中第i种爆轰产物的物质的量;
用氮当量公式计算炸药的爆速时，只要知道炸药的元素组成和密度即可，因没有考虑分子结构对爆速的影响，精度较差。
为了提高计算精度，张厚生等提出了炸药分子结构对爆速的影响，修正了公式，同时调整了氮当量系数，发展成修正氮当
量公式:
D=（0.6901.16〉N'（6-7）
其中：
100
'N'CRNr\BkWk八GjNq）
Mikjj
式中：
、N'—炸药的修正当量；r—每摩尔炸药中第1种爆轰产物的物质的量;
Nr—第i种爆轰产物的氮当量系数；NBk—第k种化学键的氮当量系数;
Bk—第k种化学键在炸药分子中出现的次数;
Gj—第j种基团在炸药分子中出现的次数;
NGj—第j种基团的氮当量系数；M—炸药的摩尔质量。
修正的爆轰产物、化学键和基团的氮当量系数分别列于表6-6、6-7和6-8中
表6-6爆轰产物的修正氮当量系数（Nr）
爆轰产物
N2
H2O
CO
CO2
O2
修正氮当量系数
0.981
0.626
0.723
1.279
0.553
爆轰产物
C
HF
cf4
H2
Cl2
修正氮当量系数
0.149
0.612
1.630
0.195
1.194
表6-7化学键的氮当量系数（NBk）
化学键NBk化学键山丘
表6-8基团的氮当量系数（Ng）
j
基团
基团
Nq
0
-0.0064
-oh|_nh3
0.0470
-0.0161
c-no2
0.0016
-0.2542
N-NO2
-0.0028
0C—C
N—K
-0.1052
C-ONO2
0.0022
N三N
0.0065
N-NO
0.0429
例4、试应用氮当量公式和修正氮当量公式计算奥克托今。
屮8。
8弘在装药密度为1.817gcm，时的爆速。
解：
爆轰反应式为：
C4H8O8N8>4N24H2O4CO
100100计算氮当量为：
'NXjNj（440.5440.78）=3.133
M296.16
按（6-6）式计算爆速为：
D=（0.6901160^'N=（0.6901.1601.87）3.133（「-1）=8.765kms'
实测爆速为8.88kmsJ，相对误差为-1.3%。
利用修正氮当量公式计算爆速，先计算修正氮当量:
'RNr=40.98140.62940.723=9.332
'BkNB=8（-0.0124）80.00908040.0321=0.1012
'GjNGj=4（-0.0028）=-0.0112
[9.3320.012（-0.0112）]=3.181
D=（0.961.161.817）3.181=8.901（kms'）
与实测爆速的相对误差为+0.23%。
例5、试计算硝基胍在装药密度为1.70gcm^时的爆速（用修正氮当量公式）
解：
爆轰反应式为：
CH4O2N4>2N22H2OC
修正氮当量为：
'PNP=20.98120.62610.149=3.363
'、•BkNB=1（-0.0077）20.009010.03212（-0.0023）4（-0.0578）=-0.1934
'GjNg--0.0028
丁100
、N'[3.363-0.1934-0.0028]=3.043
104.07
D=（0.691.161.70）3.043=8.100（kms」）
实测爆速的平均值为8.156kmJsJ，相对误差为一0.69%
用修正氮当量公式计算了166种炸药的628个爆速数据，平均相对误差为
-1.9%。
与Kamlet公式比较，它不仅具有简便、准确，不需要炸药的生成焓数据等优点外，还有能反映炸药分子结构的特点。
表6-9列举了部分炸药的计算结果。
表6-9用氮当量公式及修正氮当量公式计算的爆速
炸药
密度
g/cm）
实测爆速
（km/s）
氮当量公式
修正氮当量公式
计算爆速
（km/s）
差值
（%）
计算爆速
（km/s）
差值
（%）
梯恩梯
1.65
6.950
7.000
+0.6
7.065
+1.5
三硝基苯
1.688
7.466
7.531
+0.6
7.362
-1.4
苦味酸
1.76
7.80
7.958
+2.0
7.582
-2.8
一胺基三硝基苯
1.84
7.725
8.078
+4.6
7.863
+1.8
三胺基三硝基苯
1.94
7.940
8.439
+6.3
8.189
+3.1
特屈儿
1.73
7.910
7.856
-0.7
7.769
-1.8
硝基甲烷
1.14
6.320
5.582
-7.4
6.048
-4.3
四硝基甲烷
1.65
6.400
6.442
+0.7
6.542
+2.2
乙撑二硝胺
1.71
8.230
8.104
-1.5
8.331
+1.2
硝基胍
1.72
8.280
8.335
+0.7
8.171
-1.3
奥克托今
1.90
9.140
9.068
-0.8
9.179
+0.4
黑索今
八\、/尸/
1.82
8.850
8.776
-0.8
8.885
+0.4
环三甲撑三亚硝铵
1.60
7.800
7.414
-4.9
8.002
+2.6
太安
1.77
8.290
8.477
+2.3
8.482
+2.3
硝化甘油
1.60
8.000
7.876
-1.6
7.825
-2.2
重（三硝基乙基）硝胺
1.96
8.850
8.766
-0.9
8.821
-0.3
重（三硝基乙基）脲
1.86
9.000
9.120
+1.4
8.895
-1.2
六硝基芪
1.74
7.120
7.454
+4.7
7.380
+3.7
四硝基苯胺
1.76
7.420
7.782
+4.9
7.599
+2.4
六硝基苯
2.00
9.500
9.599
+1.0
9.259
-2.5
黑喜儿
八\、l=f7U
1.67
7.290
7.558
+5.7
7.358
+2.9
三硝基丁酸三硝基乙酯
1.78
8.450
8.668
+2.6
8.479
+0.3
吉纳
1.67
8.000
7.965
-0.4
8.059
+0.7
六亚硝基苯
1.901
8.620
8.819
+2.3
8.764
+1.7
C、•—法
我国炸药工作者吴雄发表了计算炸药爆轰参数的法。
在计算公式中，除
了应用爆热和装药密度等基本参数外，还引入了势能因子••和绝热参数丨，故称为
「「法。
此法既适用于单质炸药也适用于混合炸药爆轰参数的计算，计算结果与实测数据能很好地相吻合，具有较高的精度，得到国内外炸药界的重视和承认，其爆速的计算公式是：
D=33.05Q122432厂（6-8）
式中：
D—爆速，（ms'）；Q—组分的爆热或特征热值，JQ’；
•■—热能因子；，一装药密度，gem"
由（6-8）式可知，爆速由两项组成：
一项为能量项33.05Q12，另一项为势能
项2432。
爆热Q可由下式求得：
（6-9）
式中：
m—第i种产物的物质的量，mol；Hi—第i种产物的生成焓，Jmol，；
Hf—炸药的生成焓，Jmol；M—炸药的摩尔质量，gmol
热能因子可由爆轰产物的余容求得，因此（6-8）式也称为余容公式。
⑷的计算式为：
二niki
（6-10）
co=
M
式中ki—第i种产物的余容，其
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