1.2　炸药的起爆和感度

细节1　炸药的起爆与起爆能

炸药是一种具有相对稳定性的物质，要使其发生爆炸必须施加一定的外界能量作用。通常将外界施加给炸药某一局部而引起炸药爆炸的能量称为起爆能。激发炸药发生爆炸的过程称为起爆。

一般来说，引起炸药爆炸的原因可以归纳为两个方面，即内因和外因。从内因看，是由于炸药分子结构的不同所引起的。也就是说，炸药本身的化学性质和物理性质决定着该炸药对外界作用的选择能力。吸收外界作用能量比较强，分子结构比较脆弱的炸药就容易被起爆，否则起爆就比较困难。例如，碘化氮只要用羽毛轻微触动就会引起爆炸；梯恩梯（TNT）在一定距离内即使用枪弹射击也不会爆炸；硝酸铵用几十克乃至数百克梯恩梯（TNT）才能引爆。

所谓外因系指外界作用的起爆能。根据外部作用形式的不同，起爆能通常有3种形式。

（1）热能

利用加热的作用形式使炸药爆炸，如直接加热、火焰、火花、电热等。热能是最基本的一种起爆能，工程爆破中使用的工业雷管就是利用热能来引爆雷管中的起爆药。

（2）机械能

通过机械作用使炸药产生爆炸，其机械作用方式一般有撞击、摩擦、针刺、枪击等。机械作用引起炸药爆炸的实质是在瞬间将机械能转化为热能，从而使局部炸药达到起爆的温度而爆炸。

在工程爆破中，很少利用机械能进行起爆，但是在炸药的生产、贮存、运输和使用过程中，应该注意防止因机械能作用而引起的意外爆炸事故。

（3）爆炸能

这是工程爆破中应用最为广泛的一种起爆能。它是利用某些炸药的爆炸能来起爆另外一些炸药。例如，在爆破作业中，利用雷管爆炸、导爆索爆炸和中继起爆药包爆炸来起爆其他炸药。

细节2　炸药起爆的基本理论

（1）炸药的热能起爆理论——均匀灼热理论

热能起爆是研究可爆性物质转变为燃烧或爆炸的一种最简单的形式，它可以作为研究更复杂的一些现象（例如冲击起爆、摩擦起爆等）的研究工具。

谢苗诺夫研究并创立了爆炸性混合气体的热能起爆理论，之后弗兰克-卡门涅茨基进一步研究发展了该理论，并将它成功地应用于凝聚体炸药。

该理论的基本要点是：在一定的温度、压力和其他条件下，如果一个体系反应放出的热量大于热传导所散失的热量，就能使该体系——混合气体发生热积聚，从而使反应自动加速而导致爆炸。也就是说，爆炸是系统内部温度渐增的结果。

谢苗诺夫的热起爆理论是最简单的热起爆理论。他没有考虑动态平衡的经历过程，因为他研究的是爆炸性气体，气体内部容易产生热交换，内部温度几乎一致；他也没有考虑气体的自动加热过程，而只考虑其温度和周围的热交换性质。所以这个理论与时间无关，因而是静止状态的。

谢苗诺夫进行该项研究的基础是基于以下三点假设。

①炸药内各处温度相同，没有温度梯度，即炸药的里层和外层不存在温度差。

②周围环境温度T0不变。

③炸药达到爆炸时的炸药温度T大于T0，但是T与T0的差值不大。

（2）炸药的机械能起爆理论——灼热核理论

灼热核理论认为，当炸药受到撞击、摩擦等机械能作用时，并非受作用的各个部分都被加热到相同的温度，而只是其中的某一部分或几个极小的部分，首先被加热到炸药的爆发温度，促使局部炸药首先起爆，然后迅速扩展到炸药的全部。这种温度很高的微小区域通常被称为灼热核。灼热核一般是在炸药晶体的棱角处或微小气泡处形成。对于单质炸药或者含单质炸药的混合炸药来说，其灼热核通常在晶体的棱角处形成，而对于含水炸药（乳化炸药、浆状炸药等）来说，一般是在微小气泡处形成灼热核。这两种形成灼热核的原因有所不同。

①绝热压缩炸药内所含的微小气泡，形成灼热核。

当炸药内部含有微小气泡时，在机械能作用下微小气泡被绝热压缩，此时机械能转变为热能，使温度急剧上升而达到足够高的温度，在气泡周围形成灼热核，并引起周围反应物质的剧烈燃烧或爆炸。

②炸药受机械作用，颗粒间产生摩擦，形成灼热核。

在机械能作用下，炸药质点之间或炸药与掺合物之间发生相对运动而产生的相互摩擦，也可使炸药某些微小区域首先达到爆发温度，形成灼热核。研究表明，除炸药质点摩擦外，掺合物的粒度、数量、硬度、熔点及导热性等因素都对灼热核的形成有影响。

此外，由于液态炸药（塑性炸药或低熔点炸药）高速黏性流动，也可形成灼热核。

研究表明，灼热核形成后，必须具备一定的条件才能爆炸。在这里，灼热核的大小、温度和作用时间是最为重要的。灼热核必须满足下列条件：

a.灼热核的尺寸应尽量细小，直径一般为10-5～10-3cm；

b.灼热核的温度应为300～600℃；

c.灼热核的作用时间在10-7s以上。

乳化炸药、浆状炸药等含水炸药，比较好地引入了微小气泡绝热压缩形成灼热核的理论，即引入敏化气泡。如化学气泡、玻璃空心微球、树脂空心微球、膨胀珍珠岩等，以此增加炸药的爆轰敏感度。

（3）炸药的爆炸冲击能起爆理论

实践表明，均相炸药（不含气泡、杂质的液体或晶体炸药）和非均相炸药的爆炸冲击能起爆机理是不同的。

①均相炸药的爆炸冲击能起爆过程。

均相炸药的爆炸冲击能起爆过程是，主发装药爆炸产生的强冲击波进入均相炸药，经过一定的延迟时间以后，便开始在其表面形成爆轰波。这个爆轰波是在强冲击波通过后，在已被冲击压缩的炸药中发生的，此时爆轰波的传播速度比正常的稳定爆速大得多。虽然它开始是跟随于强冲击波的后面，但经过一定的距离后，它会赶上冲击波阵面，其爆速突然降到略高于稳定的值，之后慢慢地达到稳定爆速。一般地说，均相炸药的爆炸冲击能起爆，取决于临界起爆压力值（Pk）。不同炸药的临界起爆压力值时不同的。例如，1.6g/cm3的硝化甘油炸药，临界起爆压力值Pk=8.5×109Pa；而密度为1.8g/cm3的黑索金炸药，临界起爆压力值Pk=10×1010Pa。

②非均相炸药的爆炸冲击能起爆过程。

非均相炸药系指物理性质不均匀的炸药。这种物理不均匀性既可以是不同物质的相互混合，也可以是炸药中留有空气间隙，或二者同时存在。因此，实际应用的固体炸药一般都是非均相炸药。这类炸药的冲击能起爆和均相炸药有很大不同，这是由于非均相炸药是从局部“热点”处扩展开的，而不像均相炸药反应那样能量均匀分配给整个起爆面上，这样非均相炸药所需的临界起爆压力Pk值要比均相炸药小。实际上，非均相炸药的冲击能起爆可以用灼热核理论进行解释。

细节3　炸药的感度

炸药在外界能量作用下，发生爆炸反应的难易程度称为炸药的感度。感度的高低是以激发炸药爆炸反应所需起爆能的大小来衡量。炸药的感度与所需的起爆能成反比，即炸药爆炸所需起爆能小，表示炸药感度高；反之，所需起爆能大，则表示炸药感度低。炸药对不同作用形式的起爆能具有不同的感度。例如，梯恩梯对机械作用的感度较低，但对电火花的感度则较高；特屈拉辛的机械感度比斯蒂芬酸铅的高，但火焰感度则相反。实际应用中，要求炸药有一个适当的感度，即感度不能太高，也不能太低。感度太高使用不安全，而感度太低会造成起爆困难。

了解炸药的感度对于实际工作有着极其重要的意义。对一般猛炸药来讲，在生产、储存、运输和使用过程中，不应发生意外的爆炸。这就要求它对于热作用和机械作用有较低的感度；而对于冲击波作用则要有适当的感度，以便在使用中需要它爆炸时，能够准确的爆炸。使用炸药时，对用来起爆炸药的起爆能所呈现的感度称为使用感度。

为了研究不同形式的外界能量起爆炸药的难易程度，根据外界作用方式的不同，将炸药的感度分为：热感度、机械感度、起爆感度（爆轰感度）和静电感度等。

（1）炸药的热感度。

炸药在生产、储存、运输和使用过程中，常常会受到不同热源的作用。炸药在热能作用下发生爆炸的难易程度称为炸药的热感度。根据热作用方式的不同，炸药对热作用的感度通常以爆发点和火焰感度等来表示。

①炸药的爆发点。

炸药的爆发点系指在均匀加热条件下，使炸药开始爆炸所需加热到的介质的最低温度。这一温度并不是炸药爆炸时炸药本身的温度，也不是炸药开始分解时本身的温度，而是指炸药分解自行加速开始时的环境温度。一般把炸药的分解开始自行加速到爆炸所经历的时间称为爆发延迟期。

测定炸药的爆发点通常采用爆发点测定器，如图1-1所示。爆发点测定是取0.05g炸药试样（放入铜试管中，起爆药取0.01g）在标准容器伍德合金浴锅中受热作用时，在5min内必然发生爆炸反应的最低温度。爆发点低，则表示热感度高。一些炸药的爆发点见表1-3。

②炸药的火焰感度。

炸药在明火（火焰、火星）的非均匀加热条件作用下发生爆炸变化的难易程度称为炸药的火焰感度，又称为点火感度。实践表明，在非密闭状态下，黑火药与猛炸药用火焰点燃时通常只能发生不同程度的燃烧变化，而起爆药却往往表现为爆炸。这种火焰感度的明显不同，使人们能够选择使用不同的炸药，以满足不同目的和要求的需要。例如选择火焰感度较高的起爆药（二硝基重氮酚、叠氮化铅等）作为雷管的第一装药，选择黑索金等猛炸药作为第二装药。

火焰感度最简单的测试方法如图1-2所示。试验时，将0.05g炸药试样装入火帽壳内，使导火索燃烧时喷出的火焰或火星作用在炸药表面上，观察其是否发火。调整导火索喷火端到炸药试样表面之间的距离，重复进行一系列试验。用发火距离的上、下限来比较各种炸药的火焰感度。上限距离是使炸药100％发火的最大距离，下限距离是使炸药100％不发火的最小距离。

被测炸药的上限距离愈大，表明其火焰感度愈高；反之则愈低。上限距离用来对比起爆药的发火难易程度；下限距离作为判定炸药对火焰安全性的依据。

火焰感度主要用于起爆药，一些常用起爆药的火焰感度见表1-4。

（2）炸药的机械感度

炸药在机械作用下发生爆炸的难易程度称为炸药的机械感度。根据机械作用方式的不同，机械感度分为摩擦感度、撞击感度和针刺感度等。

对于一般的猛炸药、火药，要求具有较低的机械感度，而对于某些起爆药则要求具有一定的机械感度。

1）摩擦感度。摩擦感度是指将炸药放在两个相互摩擦的固体表面之间时，发生爆炸变化的能力，即炸药在机械摩擦作用下发生爆炸的难易程度。炸药摩擦感度的试验方法很多，我国普遍采用摆式摩擦仪（摩擦摆）进行实验测定（图1-3），并以一定压力与摆角下的爆炸百分率或一定压力下50％爆炸的摆角来表示炸药的摩擦感度。测定时，取一定量的炸药放置在上、下击柱之间（锤重1500g±1.5g），并以一定的压力P施于下击柱，使炸药被压紧，将摆锤提到一定的高度（一般使摆锤臂悬挂成90°）后，让其自由摆下冲击击杆，推动上击柱滑动（滑动距离为1.5～2mm），观察炸药是否爆炸。如此平行试验25次，计算爆炸百分数。爆炸百分数越高，则摩擦感度越高。试验的条件不同，炸药的摩擦感度也不相同。实验前需用标准炸药对仪器进行标定，具体条件是：

①摆角90°，表压4MPa，药量0.02g，标准特屈儿标定值为12％±8％（常用条件）。

②摆角96°，表压5MPa，药量0.03g，标准特屈儿标定值为24％±8％。此条件适合测定低感度或较大颗粒的混合炸药。

表1-5给出了几种炸药的摩擦感度。

2）撞击感度。炸药在机械撞击作用下发生爆炸的难易程度称为炸药的撞击感度。测定猛炸药撞击感度的方法多使用卡斯特立式落锤仪（图1-4）测定，通常以爆炸百分率或50％爆炸时的特性落高表示炸药的撞击感度。

对每一固定落锤高度进行多次重复试验（一般为10次或25次），炸药在该落高下的爆炸百分数表示撞击感度的高低，或者以上、下限表示。感度上限为100％爆炸的最小落锤高度；感度下限为100％不爆炸的最大落锤高度。

对于猛炸药，常用10kg落锤，25cm落高（即标准落锤试验）时的爆炸百分率表示撞击感度。如果此条件下100％爆炸，则改用5kg落锤，落高仍为25cm。药量一般取0.05g。

对于起爆药，因感度较大，实验装置与猛炸药有所不同，通常采用维列尔弧形落锤仪（图1-5），落锤质量400，试样取0.02，装于火帽壳中，在40MPa的压力下压紧后试验。gg起爆药的感度用上、下限表示。

表1-6和表1-7分别给出了某些炸药和起爆药的撞击感度。

3）针刺感度。炸药在针刺作用下发生爆炸的难易程度称为炸药的针刺感度。主要用于衡量火工品（火帽、雷管）中起爆药（针刺药）在针刺作用下能否发火或爆炸的能力。针刺感度一般用上、下限或感度曲线（落高与爆炸百分数关系曲线）来表示。

（3）炸药的爆轰感度

炸药在爆轰波作用下发生爆炸的难易程度称为炸药的爆轰感度（或起爆感度），它用来表示一种炸药在其他炸药的爆炸作用下发生爆炸的难易程度。前一种炸药称为主发炸药，后者称为被发炸药。爆轰感度一般用极限起爆药量表示。所谓极限起爆药量系指引起炸药完全爆炸的最小起爆药量。最小起爆药量越小，表示炸药的起爆感度越高；反之，则表明炸药的起爆感度越低。通常用图1-6所示的试验装置来测定。

测试时，先取炸药试样0.5g，以50MPa压力将其压入8号铜雷管壳中，然后再装入起爆药，扣上加强帽，以30MPa压力加压，并插入导火索。将带有导火索的这种雷管直立放在厚4mm的铅板上起爆，起爆后铅板被打穿。根据铅板穿孔的大小来判断测试的炸药是否被引爆。完全爆炸的标准是铅板穿孔直径不小于雷管壳的外径。通过增减起爆药的药量，并进行反复试验，即可测出受试炸药的极限起爆药量。

在爆破工程中，引爆炸药并保证其稳定爆轰所选择的起爆能（雷管、起爆药柱等）决定于炸药的起爆感度，并常用炸药的殉爆能力来定性地比较炸药起爆感度的大小。

（4）炸药的冲击波感度

炸药在冲击波作用下发生爆炸的难易程度称为炸药的冲击波感度。实践证明，某处炸药爆炸时，通过在某种惰性介质中（例如空气、水、沙土等）产生的冲击波作用，可以引起相隔一定距离的另一处炸药爆炸的现象称为殉爆（或诱导爆炸）。在炸药生产、贮存和运输过程中，必须防止炸药发生殉爆，以保证安全。但在爆破工程中，则需要保证炮孔内相邻药卷完全殉爆，以防止产生半爆，降低爆破效率。炸药殉爆的难易性决定于炸药对冲击波作用的感度。

炸药对冲击波感度的测定方法分为两类。

①隔板试验。

利用不同的惰性材料，例如用空气、蜡、有机玻璃、软钢、铝等做成冲击波衰减器（称为隔板），改变其厚度来调节冲击波的强度。用惰性材料进行隔板试验的方法如图1-7（a）所示。采用直径41mm、高50.8mm、重100g的特屈儿作为主发药柱。当它爆炸时，在隔板中产生的冲击波经隔板传入受试药柱（被发药柱），使它发生爆炸。通过一系列试验，找出爆炸频数为50％的隔板厚度（称为隔板值），作为衡量炸药对冲击波感度的指标。

传入受试药柱并能引爆它的冲击波称为激发性冲击波。引爆炸药所需激发性冲击波的最小压力称为临界压力。

若已知隔板材料和受试炸药的冲击压缩曲线P=f（u），和通过单独试验测得隔板内冲击波传播至自由表面的质点速度（决定于主发药柱和隔板厚度），则通过计算或图解的方法，由隔板值可求得激发性冲击波的压力。

冲击压缩曲线也需要通过试验来确定。在试验中，通常先确定冲击波速度与质点速度的关系，然后利用P=ρ0Du关系式确定出压力与质点速度的关系。

在图1-7（b）中，曲线Ⅰ为隔板材料的冲击压缩曲线，曲线Ⅱ为受试炸药的冲击压缩曲线。u1为隔板内冲击波传播至自由表面的质点速度，表面运动速度为2u1。自u1作平行于P轴的直线与曲线Ⅰ交于“1”点，再从该点作曲线Ⅰ的镜像曲线（图中虚曲线），与曲线Ⅱ交于“2”点，该点对应的质点速度和压力值就是隔板-炸药界面上的数值，即激发性冲击波的初始参量。若隔板厚度为引爆炸药的最大厚度，则求得的压力就是临界压力。

②飞片撞击试验（图1-8）。

飞片撞击试验即利用飞出的金属圆片来撞击受试药柱，使之发生爆炸。飞片撞击炸药所产生的冲击波强度，可通过改变飞片速度来调节。炸药对冲击波的感度用使炸药发生爆炸的最低飞片速度来表示。已知飞片撞击速度、飞片材料和受试炸药的冲击压缩曲线，也能够通过计算和图解的方法求得激发性冲击波的临界质点速度和临界压力。图解法与隔板试验中所述的方法类似，区别仅在于与“1”点对应的飞片内质点速度为，其中Vf为飞片撞击速度。当飞片撞击炸药时，除在炸药内产生冲击波外，同时在飞片内也产生冲击波。在飞片内传播的冲击波遇飞片自由端产生稀疏波，并向相反方向传播。当稀疏波到达撞击面时，飞片与炸药才开始脱离。在未脱离前，炸药内的冲击波压力保持定值。通过计算可确定出飞片与炸药的接触时间，然后按下列公式可求得炸药内冲击波的能量E（简称冲能）。

　　（1-1）

式中　P——炸药内冲击波压力，Pa；

τ——飞片与炸药的接触时间，s；

Z——受试炸药的冲击阻抗，Z=ρ0D，其中，ρ0为炸药的初始密度，D为冲击波速度。

③炸药的静电火花感度。

炸药在静电火花作用下发生爆炸的难易程度称为炸药的静电感度。炸药属于绝缘物质，当绝缘体之间相互摩擦时，会产生静电，并容易形成静电积累。在炸药生产和爆破作业现场利用装药车（器）经管道输送进行炮孔装药时，炸药颗粒之间或炸药与其他绝缘物体之间经常发生摩擦会产生静电，有时会形成很高的静电电压（可达数万伏）。当静电电量或能量聚集到足够大时，就有可能放电产生电火花而引燃或引爆炸药。

高电压静电放电产生电火花时，会形成高温、高压的离子流，并集中大量能量。这种现象类似于爆炸，同样能在炸药内产生激发冲击波。因此，炸药在静电火花作用下发生的爆炸，既与热作用有关，也与冲击波的作用有关。

炸药对静电火花的感度，可用使炸药发生爆炸所需的最小放电电能来表示，或用在一定放电电能条件下所发生的爆炸频数来表示。测定炸药静电火花感度的装置如图1-9所示。其试验原理是利用高压电源使电容充电到所需电压，然后通过电极尖端放电产生静电方法引爆炸药。炸药试样置于两个电极之间。作用于炸药的电火花能量E（单位：J）可用下式计算：

　　（1-2）

式中　C——电容，μF；

V——电压，kV。

消除静电危害，主要在于防止静电的产生和静电产生后的消除，使静电电量不至于过多地积累。目前，尚无有效方法避免静电产生，但可以采取措施，防止静电积累，或将产生静电及时消除和泄漏掉。

在炸药生产中，通常采用的防静电事故的措施有：工房增湿；设备接地、容器壁涂上能减少产生静电的物质或防静电剂；炸药颗粒包敷导电物质或表面活性剂；桌面、地面铺设导电橡胶等。在爆破地点使用压气装药器装药时，常采用敷有良好导电层的抗静电聚乙烯软管作为输药管并采取接地等措施，以减少静电的产生，防止静电事故。

细节4　影响炸药感度的因素

不同种类的炸药或同一种炸药，在不同形式外能的作用下所表现出的感度是不同的。影响炸药感度的因素很多，且非常复杂，但归结起来主要有内在因素与外在因素两个方面。

（1）内在影响因素

炸药分子中各原子间的键能较低或单质炸药分子中各种原子基团的稳定性较差，则炸药的感度较大；生成热较小的炸药，其感度较大；炸药的热效应越大，其感度越高；活化能越大，炸药感度越低，活化能越小，则感度越高；热容量大或热传导性好或活化能高的炸药，其感度低。

（2）外在影响因素

一般情况下，炸药随密度的增加感度会降低。当密度过大时，还会造成所谓的“压死”现象（拒爆）。随着温度的升高，炸药的各种感度相应会提高。

通常，炸药内的所有惰性物质都会降低炸药的起爆感度。然而，对于机械感度而言，掺入惰性物质对其影响取决于掺入物的硬度、熔点、含量和粒度等性质。当惰性杂质的硬度大于炸药的硬度，且具有棱角时，如石英沙粒、碎玻璃、金属碎屑等，可使炸药的机械感度增高，这类物质常称为增感剂。而另外一些较软且热容量大的物质，如水、石蜡等，掺入后可使炸药的感度降低，这类物质称为钝感剂。

炸药的感度是一个非常重要的问题，在炸药的生产、贮存、运输和使用过程中都应给予足够的重视。