Классификация и свойства взрывчатых веществ

Взрыв — это процесс очень быстрого превращения взрывчатого вещества в большое количество сильно сжатых и нагретых газов, которые, расширяясь, производят механическую работу (разрушение, перемещение, дробление, выбрасывание).

Взрывчатое вещество — химические соединения или смеси таких соединений, которые под воздействием определенных внешних воздействий способны к быстрому, саморазвивающемуся химическому превращению в большое количество газов [38].

Проще говоря, взрыв сродни горению обычных горючих веществ (уголь, дрова), но отличается от простого горения тем, что этот процесс происходит очень быстро, в тысячные и десятитысячные доли секунды. По скорости превращения взрыв делят на два типа: горение и детонация [43].

При взрывчатом превращении типа горения передача энергии от одного слоя вещества к другому происходит путем теплопроводности. Скорость горения (от десятых долей мм/с до десятков см/с) в значительно большей степени зависит от природы взрывчатого вещества, чем скорость детонации. Небольшие добавки катализаторов, повышение начальных температуры и давления увеличивают скорость горения [42]. Взрыв типа горения характерен для пороха. Благодаря тому что процесс образования газов происходит достаточно медленно, при взрыве пороха в замкнутом пространстве (гильзе патрона, снаряда) происходит выбрасывание пули, снаряда из ствола, но не происходит разрушения гильзы, патронника оружия [43].

Горение при определенных условиях может переходить в детонацию. По условиям этого перехода взрывчатые вещества (ВВ) делят на инициирующие (первичные), бризантные (вторичные) и пороха (метательные). Инициирующие ВВ воспламеняются от слабого импульса и горят в десятки и даже сотни раз быстрее других, их горение легко переходит в детонацию при атмосферном давлении. Горение порохов не переходит в детонацию даже при давлениях в сотни МПа. Бризантные ВВ занимают промежуточное положение между порохами и инициирующими ВВ. В со­ответствии с этим пороха применяют в режиме горения в ствольном оружии, в качестве твердого ракетного топлива; бризантные ВВ — в режиме детонации для промышленных взрывных работ, снаряжения боеприпасов и других целей; инициирующие — для возбуждения взрывчатого превращения других ВВ [42].

При взрыве типа детонации процесс передачи энергии обуславливается прохождением ударной волны по ВВ со сверхзвуковой скоростью (6—7 км/с) [43]. В этом случае газы образуются очень быстро, давление возрастает мгновенно до очень больших величин. Проще говоря, у газов нет времени уходить по пути наименьшего сопротивления, и они в стремлении расшириться разрушают все на своем пути. Этот тип взрыва характерен для тротила, гексогена, аммонита и т.п. веществ.

При детонации реакция распространяется очень быстро (1—10 км/с в зависимости от природы ВВ, свойств и размеров заряда) в результате передачи энергии посредством ударной волны. Материалы, находящиеся в контакте с зарядом детонирующего ВВ, сильно деформируются и дробятся (местное, или бризантное, действие взрыва), а образующиеся газообразные продукты при расширении перемещают их на расстояние (фугасное действие).

Бризантное действие зависит от плотности заряда и скорости детонации, фугасное действие определяется теплотой взрыва, объемом и составом выделившихся газообразных продуктов.

ВВ способны к самопроизвольному термическому разложению, которое со временем приводит к потере необходимых свойств. Способность сохранять эксплуатационные свойства при переработке и хранении (химическая стойкость) — важная характеристика ВВ. Разложение ВВ при затрудненном теплоотводе может привести к саморазогреву и тепловому взрыву. ВВопасны в обращении. Их взрывчатые превращения вызываются простыми воздействиями, чувствительность к которым всегда учитывается при работе с ВВ [42].

Чтобы начался процесс взрыва (далее он развивается самопроизвольно), требуется внешнее воздействие. На взрывчатое вещество необходимо подать определенное количество энергии. Внешние воздействия на ВВ подразделяются на следующие типы:

¯ механическое (удар, накол, трение);

¯ тепловое (искра, пламя, нагревание);

¯ химическое (химическая реакция взаимодействия какого- либо вещества с ВВ);

¯ детонационное (взрыв рядом с другим ВВ).

Разные ВВ по-разному реагируют на внешние воздействия. Одни из них взрываются при любом воздействии, другие имеют избирательную чувствительность. Например, черный дымный порох хорошо реагирует на тепловое воздействие, очень плохо на механическое и практически не реагирует на химическое. Тротил же в основном реагирует только на детонационное воздействие. Капсюльные составы (гремучая ртуть) реагируют практически на любое внешнее воздействие. Есть ВВ, которые взрываются без видимого внешнего воздействия, но практическое применение таких ВВ невозможно.

В зависимости от типа взрыва и чувствительности к внешним воздействиям ВВ делят на три основные группы:

v инициирующие;

v бризантные;

v метательные.

Инициирующие ВВ. У них высокая чувствительность к внешним воздействиям. Остальные характеристики обычно невысоки. Но они обладают ценным свойством — их взрыв (детонация) оказывает детонационное воздействие на бризантные и метательные ВВ, которые обычно к остальным типам внешнего воздействия не чувствительны вовсе или же обладают неудовлетворительной чувствительностью. Поэтому инициирующие вещества и применяют только для возбуждения взрыва бризантных или метательных ВВ. Для обеспечения безопасности применения инициирующих ВВ их упаковывают в защитные приспособления (капсюль, капсюльная втулка, капсюль-детонатор, электродетонатор, взрыватель). Типичные представители инициирующих ВВ: гремучая ртуть, азид свинца, тенерес (ТНРС).

Бризантные ВВ. Чаще всего этот вид ВВ используют террористы. Ими снаряжают снаряды, мины, бомбы, ракеты, фугасы. Ими взрывают мосты, транспорт, людей [43].

Бризантные ВВ по их взрывным характеристикам делят на три группы:

Ø повышенной мощности (гексоген, тэн, тетрил);

Ø нормальной мощности (тротил, мелинит, пластит);

Ø пониженной мощности (аммиачная селитра и ее смеси).

ВВ повышенной мощности более чувствительны к внешним воздействиям и поэтому их чаще применяют в смеси с флегматизаторами (веществами, понижающими чувствительность ВВ), а также в смеси с ВВ нормальной мощности для повышения мощности последних. Иногда ВВ повышенной мощности применяют в качестве промежуточных детонаторов.

Метательные ВВ. Это различные пороха — черный дымный, бездымные пироксилиновые и нитроглицериновые. К ним также относят различные пиротехнические смеси для фейерверков, сигнальных и осветительных ракет, осветительных снарядов, мин, авиабомб [43].

Все ВВ характеризуются определенными данными, в зависимости от которых решается вопрос о выборе вещества для решения тех или иных задач [34]. Наиболее существенные из них следующие:

1. Чувствительность к внешним воздействиям.

2. Энергия (теплота) взрывчатого превращения.

3. Скорость детонации.

4. Бризантность.

5. Фугасность.

6. Химическая стойкость.

7. Продолжительность и условия работоспособного состояния.

8. Нормальное агрегатное состояние.

9. Плотность.

Более полно свойства ВВ можно описать, используя все девять характеристик. Для понимания его мощности или силы можно ограничиться двумя характеристиками: бризантность и фугасность [43].

Бризантность — это способность ВВ дробить, разрушать соприкасающиеся с ним предметы (металл, горные породы и т.п.). Величина бризантности говорит о том, насколько быстро образуются при взрыве газы. Чем выше бризантность ВВ, тем больше годится для снаряжения снарядов, мин, авиабомб. Такое ВВ при взрыве лучше раздробит корпус снаряда, придаст осколкам наибольшую скорость, создаст более сильную ударную волну. С бризантностью напрямую связана характеристика — скорость детонации (насколько быстро процесс взрыва распространяется по ВВ). Измеряется бризантность в миллиметрах (мм). Это условная единица.

Фугасность — это работоспособность ВВ, способность разрушить и выбросить из области взрыва окружающие материалы (грунт, бетон, кирпич и т.п.). Данная характеристика определяется количеством образующихся при взрыве газов. Чем больше образуется газов, тем большую работу способно выполнить ВВ. Измеряется фугасность в кубических сантиметрах (см³). Фугасность является достаточно условной величиной [35].

В зависимости от области применения взрывчатые вещества подразделяются на четыре группы:

1. Инициирующие, используемые в капсюлях, электровоспламенителях, пиропатронах и других устройствах, предназначенных для возбуждения взрывчатого превращения зарядов бризантных ВВ, порохов и пиротехнических составов; характерная особенность инициирующих ВВ состоит в том, что для возбуждения их взрыва необходимо незначительное внешнее воздействие (удар, накол, нагрев и т.п.);

2. Бризантные, которые служат в качестве разрывных зарядов боевых частей средств поражения и в подрывных средствах; в отличие от инициирующих ВВ они обладают меньшей восприимчивостью к внешним воздействиям; основным видом взрывчатого превращения бризантных ВВ является детонация, которая вызывается обычно действием взрыва инициирующих ВВ (в зависимости от состава бризантных ВВ различают однородные химические соединения и взрывчатые смеси);

3. Пороха, используемые в качестве метательного средства в артиллерийском оружии, твердого топлива в ракетных двигателях, а также в вышибных зарядах кассетных боеприпасов и огневых цепях взрывателей; основным видом взрывчатого превращения порохов является горение (в зависимости от физической структуры пороха разделяются на две группы: смесевые и нитро- целлюлозные — бездымные);

4. Пиротехнические составы, применяемые для снаряжения пиротехнических средств (осветительных, трассирующих, дымовых, зажигательных и т.п.), представляют собой механические смеси неорганических окислителей с органическими и металлическими горючими и цементирующими добавками [43].

Важнейшие представители инициирующих ВВ:

¯ ароматические нитросоединения — тринитротолуол (тротил, тол), тринитрофенол (пикриновая кислота), тринитроксилол (ксилил)и другие;

¯ нитрамины — гексоген, октоген, тетрил;

¯ нитроэфиры — нитроглицерин, целлюлозы нитраты, пентаэритриттетранитрат (ТЭН);

¯ соли неорганических кислот — аммония нитрат, аммония перхлорат, свинца азид.

Большинство применяемых взрывчатых веществ представляют собой смеси (смесевые ВВ), в качестве компонентов которых используют как взрывчатые, так и невзрывчатые соединения. Впоследнем случае смеси содержат вещества, способные окисляться, или горючее (например, порошкообразный металл, древесная мука) и окислитель.

Примеры бризантных смесевых ВВ: октоген или гексоген и тротил; динамиты — нитроглицерин, нитрогликоль (диэтиленгликольдинитрат) и древесная мука; аммониты — NH₄N0₃ и нитросоединения; динамоны — NH₄N0₃ и древесная мука или другое органическое горючее; аммоналы — NH₄N0₃ с порошкообразным А1; игданиты — NH₄N0₃ и дизельное топливо; жидкие смеси концентрированной HN0₃ или N₂0₄ с горючим.

Используются также смеси мощных инициирующих ВВ с флегматизаторами (парафин и другие легкоплавкие вещества), позволяющими улучшить технологические свойства ВВ, снизить их чувствительность к внешним воздействиям. В целях по­вышения безопасности применения бризантных ВВ в шахтах, опасных по пыли и газу, в их состав вводят пламегасители, или ингибиторы горения, обычно соли щелочных металлов (NaCl и другие вещества). Такие смеси называют предохранительными взрывчатыми веществами (антигризутными). Их разновидности — селективнодетонирующие ВВ, представляющие собой смеси NH₄C1, NaN0₃ и нитроглицерина. Для эксплуатации зарядов при повышенных температурах (например, при разработке глубоких нефтяных скважин) применяют термостойкие ВВ, например, тринитробензол, октоген, диаминотринитробензол, гексанитростильбен [42].

Главное требование, предъявляемое к порохам (метательным ВВ) — надежная устойчивость горения в жестких условиях применения (быстро растущее давление до десятков и сотен МПа, большие динамические перегрузки, перепады температуры). Оно удовлетворяется введением в смеси связующего вещества (полимера), благодаря которому получают монолитный высокопрочный нехрупкий заряд. В качестве метательных ВВ в ствольных системах используют пороха на основе нитрата целлюлозы: пироксилиновые и баллиститы. В ракетных системах в основном применяют композиции, содержащие небольшое количество полимерного связующего, окислитель (главным образом NH₄C10₄), горючее (алюминий), а иногда и мощные инициирующие ВВ; используют также баллиститы.

Инициирующие ВВ — гремучая ртуть и азид свинца. В случае малочувствительных ВВ инициирующие устройства содержат также небольшой промежуточный заряд бризантного ВВ. Для возбуждения горения порохов используют смеси гремучей ртути, свинца тринитрорезорцината или тетразена с добавками, повышающими чувствительность к механическому воздействию.

Ряд взрывчатых смесей на основе таких окислителей, как хроматы, дихроматы, хлораты, пероксиды, оксиды, нитраты металлов, в сочетании с горючими добавками применяют в пиротехнике. Мировое производство ВВ — несколько миллионов тонн в год. Первым взрывчатым веществом, примененным человеком, был дымный порох, изобретенный в Китае в VII веке. В Европе порох известен с XIII века [42].