2.1　炸药冲击起爆机理

2.1.1　均质炸药冲击起爆机理

均质炸药是指物理性质和力学性质在各处都可以假定一致的炸药。例如，不含气泡、杂质的液态炸药及单晶均匀的炸药，如硝基甲烷、液态硝化甘油、PETN单晶等。

1961年Campbell最早提出，当冲击波进入均质炸药后，在初始波阵面后面，炸药首先是受冲击整体加热，然后出现化学反应。在最先受冲击的地方，炸药将在极短的时间内完成反应，产生超速爆轰。这种超速冲击波赶上初始入射冲击波以后，在未受冲击的炸药内发展成为稳定爆轰。均质炸药的冲击波起爆特性如图2.1所示。

在图2.1中，当初始冲击波进入均质炸药，先以常速u（或稍有衰减）前进，同时界面以质点运动速度u_s（低于冲击波速度）前进，在界面上的炸药经过一定的延滞期之后，开始爆炸反应，并在均质炸药中产生爆轰波。由于此爆轰波既是在已经受到初始冲击波压缩的炸药（密度增大）中进行的，又是在运动着的界面上进行的，因此其爆速比原密度炸药的稳定爆速要大，所以是以超速爆轰波速度D_s前进。该爆轰波经过一段时间后，赶上初始冲击波，两波重叠并出现过激爆速（约比稳定爆速高10%），然后很快地降到炸药的稳定爆轰速率D。

1970年Walker和Wasley发现，如果入射冲击波的持续时间较长，压力较低，则在冲击波阵面后的反应过程中以低速度进行。热爆炸发生在初始冲击波入射面和冲击波阵面之间的区域内。当入射冲击波压力较高时，热爆炸出现在接近冲击波入射面的地方。

1982年，F.E.Walker和A.M.Karo用分子动力学的方法计算了单晶PTEN的冲击起爆后认为，在冲击波阵面内可以由存在缺陷和界面使共价键断裂引起爆炸。但他们所用的方法完全是数值模拟的方法。章冠人据此在1992年提出了均质炸药的共振起爆机理，他认为所有的介质，包括单晶炸药都不可能是完全均匀的，晶体内总存在缺陷，如位错、空隙、裂纹、杂质等。冲击波过后，温度不可能完全均匀，仍存在热点，不过这些热点是均匀分布的。所以均质炸药的冲击起爆好像是由于被整体均匀加热一样，实际上是均匀分布热点的作用。由于这些微观热点是由一个原子或原子团吸收冲击波的能量形成的，这些缺陷原子或原子团和其他多数原子形成点阵，它们对波动能量的吸收有一定的选择性，例如对某些频率能发生共振，先将链打断，再引起分子的解体。均质炸药的共振起爆，从理论上说是可能的。

2.1.2　非均质炸药冲击起爆机理

所谓非均质炸药是指在浇注、压装、结晶过程中形成的密度不连续性（例如：气泡、空穴、杂质）炸药或是人为掺入一些杂质所形成的密度不连续性炸药。通常使用的传爆药和主装药均属于非均质炸药。

一般散装浇注、压装的固态凝聚炸药中，晶粒周围都保留有空隙。在单位质量的装药中，空隙的总体积与装药的总体积比称为孔隙度。散装炸药的孔隙度最大，可能达到50%左右。压装主装药的孔隙度可达1%～4%，传爆药的孔隙度可达5%～10%，铸装主装药的孔隙度也可能达到2%～4%。因此，这些炸药装药都是非均质的。

对于非均质炸药的冲击起爆，目前比较公认的是“热点理论”。非均质炸药的起爆特性如图2.2所示。

如图2.2所示，当初始冲击波以初始速度u进入非均质炸药后，由于炸药密度的不连续性（不均匀性），造成冲击波交会，在炸药中激起局部热点的化学反应。这些反应加强了初始冲击波，然后以大于初始冲击波的速度（平均速度为u_t）在炸药中行进，同时激起更多的炸药反应，再加强冲击波。反复作用使在炸药中行进的冲击波不断加速，最后达到稳定爆轰速度D。由非均质炸药的冲击波起爆特性图可见，非均质炸药的冲击起爆过程与均质炸药不同，从初始冲击波入射到稳定爆轰，整个过程爆速没有明显突跃，同时也不出现超压爆轰现象，而是逐渐平滑过渡。

Campbell、Davis和Ramsay认为，在整个过渡区阶段，化学反应的量是逐渐增加的，最初加速得慢，到一定程度后才快速增加，最后达到爆轰。对于非均质炸药，当较弱的冲击波进入时，大部分炸药不发生反应，只有少量热点在炸药中产生，这些热点如果温度足够高，可在经过各自所需的延滞期后发生局部爆炸反应。那些温度很高、延滞期极短的热点，反应放出热量快，能跟上初始冲击波，并加强初始冲击波；那些延滞期较长的热点经过一段时间后，其反应放出的热量也能有助于加强初始冲击波。这样就等于有许多不同温度与不同延滞期的局部点的爆炸，在不同的时间加强初始冲击波，从而使形成的热点越来越多，最后达到稳定爆轰。现在已经公认，沿着非均质凝聚炸药行进的起爆冲击波，会先在微秒级的时间内，造成半径尺寸估计只有微米级以下的大量热点。

均质炸药和非均质炸药的冲击起爆有很大不同，可以归结为：

①在均质炸药中，初始冲击波的速度是恒定的或随时间而略为降低；在非均质炸药中，相应的波在它整个传播过程中是加速的。

②在均质炸药中，到高速爆轰的过渡是很突然的；在非均质炸药中，此过渡没有这样突然。

③在均质炸药中，高速爆轰的开头伴随着过高的速度，如在硝基甲烷中约超出10%；对于非均质炸药，在实验中没有记录到这种过高的速度。

④在均质炸药中，可以观察到爆轰发生在冲击波隔板和炸药的分界面处；在非均质炸药中，目前认为爆轰可能发生在冲击波阵面上或冲击波阵面附近。

⑤用硝基甲烷和金刚砂的混合物所做的实验表明，此混合物比均质炸药硝基甲烷敏感得多。混合物的非均匀性引起冲击波相互作用而产生局部加热，对于起爆来说，炸药细微结构的冲击性质比热化学常数值更加重要。

⑥在均质炸药中，直到起爆开始之前，初始冲击波后面的物质相对来说是不导电的。在非均质炸药中，初始冲击波阵面后的物质是完全导电的，并且当过渡到高速爆轰时，变得更明显。

⑦在均质炸药中起爆过程对于初温的变化或冲击波压力的变化比在非均质炸药中敏感。

非均质炸药的起爆过程，实质上就是热点的形成和发展过程，目前认为可分为以下几个阶段：

①热点形成。多数人认为，冲击波与密度不连续处的相互作用形成了热点。

②以热点为中心向周围发展，往往是以高速燃烧的形式向外传播。此现象已被研究者用实验证实。

③低速爆轰阶段。

④高速爆轰阶段。

以上过程又可以归结为点火过程和爆轰成长过程两大阶段，或叫热点的形成和在形成热点后，化学反应生长和建立爆轰的过程两大阶段。

第一阶段的主要特征是“热点”的形成和热点热爆炸。研究者提出了各种可能的热点形成机制，具有代表性的有：

（1）炸药内含有空洞或气泡受到冲击绝热压缩

在炸药中如果存在气泡，由于气体的比热容较炸药的低，所以在冲击作用下绝热压缩时，气泡的温度也就会很高，因而形成热点。Starkenberg设计了一种作用器，用活塞压缩与炸药直接接触的空气隙，实验结果说明了空气隙对冲击起爆的作用。

（2）炸药内颗粒之间受冲击波作用发生了摩擦

当冲击波进入带空穴的非均质炸药时，处于空穴正面的一块炸药可能产生剪切，冲入空穴，在其两边形成剪切带，在剪切带内由于摩擦生热，温度升高。曾有学者用电子扫描显微镜观察高速碰撞的B炸药，在其中见到了剪切带，这就是实验证据。

（3）空洞或气泡压缩后，表面能转化为热能

当凝聚介质形成空穴或气孔时，必须有另外的能量，这些能量储存在空穴或气泡的表面，这就是所谓的表面能。当空穴或气孔消失时，这些能量就释放出来，加热空穴或气孔周围的介质。一般非均质炸药均存在空穴或气孔，当冲击波压缩这种炸药时，其中的空穴或气孔当然受到压缩，其表面积随之减小，当炸药压实时，这些空穴或气孔就随之消失。这时，这些表面能就释放出来加热空穴或气孔周围的炸药，使其温度升高，形成热点。

（4）炸药晶体内存在位错和缺陷，在冲击波的作用下放出位错带有的能量，并转变为热能

晶体形变总是由运动发生的，同时伴随着位错的增长。但在平面滑移发展的同时，在强切变区内，可能出现具有相反帕格斯矢量的位错对，它们发生相互作用而消失，产生完整的结构并放出位错带有的能量。

（5）空穴弹塑性塌陷模型

当冲击波到达空穴表面时，空穴自由表面的速度为冲击波后粒子速度的二倍。由于聚心作用这部分流体的自由表面速度和温度增加，直到空穴闭合。空穴的闭合，有一个冲击波传入密实处，同时反向传入热流体中一个反射波，结果产生更高的温度。

（6）气泡压缩炸药反应模型

气泡绝压压缩模型没有考虑炸药的热分解作用。Boddington认为在中等温度条件下，热点的温度不仅由于压缩而在增加，而且由于炸药的反应放热，使热点温度进一步升高。

对第二阶段的看法有两种不同的观点。以美国弹道研究所Howe、Frey和Taylor为代表的人认为，热点中所释放的热量传给冲击波阵面，这加强了冲击波，被加强的冲击波在继续行进中形成了温度更高的热点，热点热爆炸后使冲击波进一步加强，这样，参与反应的炸药量逐步增加，不断增强冲击波直到转化为爆轰。而以美国阿拉莫斯实验室Mader为代表的人认为，热点热爆炸能量点燃周围炸药，压力增大使燃速增大，反应区域扩展，进一步增大压力，形成一个逐步向前传播的压力波，当压力波赶上前导冲击波转化为爆轰。前一种观点主要强调热传导传输能量机制，后一种观点主要强调冲击波传输能量机制。实际上，在冲击起爆过程中，这两种机制可能并存，只是在不同条件下，其中之一会呈现为主要模式。一些常用的高密度炸药，例如密度为1.84g/cm3的PBX-9404，密度为1.63g/cm3的TNT，密度为1.72g/cm3、1.75g/cm3和1.76g/cm3的PETN炸药，在通常的冲击起爆实验中，以后一种机制为主。对于低密度炸药，例如密度为1.0g/cm3的PETN炸药，伴随热点爆炸的早期反应占优势，前一种机制可能起了主导作用。