1、全国工程爆破技术人员统一培训内容,中国工程爆破协会 编 汪旭光 主编 冶金工业出版社 （2011）,爆 破 设 计 与 施 工 （12上）,第十二章 特种爆破,12.1 爆炸加工 12.2 聚能爆破 12.3 油气井燃烧爆破技术 12.4 地震勘探爆破 12.5 高温凝结物解体爆破 12.6 金属破碎切割爆破 12.7 冰体爆破 12.8 农林爆破,12.1 爆炸加工,爆炸加工是指利用炸药爆炸的瞬态高温和高压，使物料高速变形、切断、相互复合（焊接）或物质结构发生相变的一种加工方法，例如爆炸焊接、爆炸成形、爆炸硬化与强化、爆炸消除残余应力、爆炸合成金刚石等。 与传统的机械加工、物理或化学方法相比
2、，爆炸加工具有无可比拟的优点，故近年来发展很快，前景无可估量！,一、爆炸复合,所谓爆炸复合就是利用炸药的爆轰作为能源，在所选择的金属板材或管材的表面包覆上一层不同性能的金属材料的加工方法，前者叫基板，后者叫做复板。爆炸复合有两种基本形式：一种是爆炸焊接，这种复合工艺使两种金属材料的结合部位有一般的熔化现象。若将爆炸焊接部位放在显微镜下观察，可以看到有细微的波浪状结构，如作金相分析，可以看到两种金属已彼此渗入到各自的组织中，因此爆炸焊接后的强度是很大的。另一种工艺是爆炸压接，它与爆炸焊接的区别是，结合的部位两种金属组织没有发生熔化焊接现象。仅仅是依靠强大的爆炸压力把两者压合、包裹而牢牢地压合在一
3、起。,炸药层与复板之间的缓冲层，主要是起保护复板的作用，使其在炸药爆炸时不会遭受到表面烧伤。常用作缓冲层的材料有：橡皮、沥青和油毡等，如图12-1所示。,图12-1 爆炸焊接装置示意图 1起爆用的雷管；2炸药层；3缓冲层；4复板；5基板；6基础。,基础常采用砂或泥土，在特殊情况下也可采用厚钢板作基础。 基板和复板之间必需要留有一定的间隙，间隙的作用是保证复板在炸药爆炸后，能达到足够的碰撞速度，并保证在基板和复板之间能产生金属喷射流。 按基板与复板的安装方式，分为平行法与角度法两种（参见图12-2）。平行法要求基板与复板之间保持严格的平行。两者之间的间隙大小都要一样。而角度法中基板与复板间的间隙
4、随位置的逐渐变化而变化。故这种安装方式宜使用密度较大和爆速较高的炸药。但是，由于间隙的大小随位置而变化，故不同位置的焊接质量亦有差异，这对大面积的焊接是不适宜采用的。,图12-2 基板与复板的安装方式 a平行法；b角度法,图12-3是爆炸焊接过程的示意图。从图中可以看出，当炸药爆轰后，爆炸产物形成高压脉冲载荷直接作用在复板上，复板被加速，在若干微秒的时间内复板的冲击速度就可达到每秒几百米以上，从起爆点开始，复板依次与基板碰撞。当两金属板相碰撞时，产生很高的冲击压力，大大超过了金属的动态屈服极限。因而在碰撞区内产生了高速的塑性变形，同时还伴随着剧烈的热效应。此时，碰撞面的金属板的物理性质类似于流
5、体。这样，在两金属板的内表面将形成两股运动方向相反的金属喷射流。,图12-3 爆炸焊接过程示意图1基板；2复板；3缓冲层；4炸药层；5雷管,一股是在碰撞点前的自由射流，向尚未焊接的空间高速喷出。它冲刷了金属内表面的表面膜，使被冲刷的金属 表面露出有活性的新鲜的金属面，为两块金属板的焊接提 供了良好的条件。另一股往碰撞点后运动的射流，叫凝固 射流，它被凝固在两金属板之间，形成两种金属的冶金结合过程。,1影响爆炸焊接效果的因素爆炸焊接参数分为初始参数、动态参数和结合区参数三类。1）初始参数它包括炸药的性能和重量；金属材料的物理机械性能和尺 寸以及金属材料的安装位置和状态。炸药的重量与性能：在爆炸焊
6、接中，单位面积装药量是 一个重要的初始参数，它表示爆炸焊接所需要的能量，它可用 式来表示：式中 单位面积装药量，g/cm2；m复板的质量，g，若在装药与复板之间装设了缓冲层的话，则m也包括了缓冲层的质量在内；R比值（单位面积装药质量与复板质量之比）。,单位面积装药量已知后，则一次爆炸焊接所需总装药量为：式中 Q一次爆炸焊接的总装药量，g；A一次爆炸焊接的总面积，cm2。炸药的性能主要是指它的爆速D，绝热指数或爆热E0和装药密度0。在实际爆炸焊接施工中，可以使装药密 度稳定在一个变化不大的范围内。爆炸焊接所使用炸药的爆 速有一定限制一般规定的爆速的最大值不要超过金属材料声 速的1.2倍。但是，为
7、了获得稳定爆轰，炸药厚度必须介于 临界厚度和极限厚度之间。绝热指数对于民用炸药，一般 取2.02.5。,复板和基板的物理机械性能：在实际爆炸焊接施工中，复板和基板的品种和规格是根据工程结构的用途和设计的要求，在爆炸焊接以前已经确定好了的。因此，金属的物理机械性能、厚度和密度也相应是确定了的。在计算爆炸焊接参数时，经常采用的材料常数是体积声速vS，它是与爆炸焊接效果有关的一个重要物理量。复板和基板的安装状态：基板和复板的安装状态是由两板间的预置角和间距s来确定。,间距的作用是保证在复板加速到所要求的碰撞速度时所需要的距离，以产生足够的冲击压力。同时，间距也为碰撞时产生的自由金属射流提供一条无阻碍
8、的通道，防止射流受阻而残留在结合区内。 设置一定的预置角度是为了在使用高爆速炸药爆炸时，把碰撞点移动速度控制在亚声速范围内。或者为了达到最佳的结合区流动状态，使碰撞点移动速度处在（1/21/3）材料声速之间。通过改变预置角，可起到调节碰撞点速度的作用。在实际爆炸焊接中，预置角“一般是很小的，而在大板的焊接装置中，以采用平行法为宜。,图12-4 爆炸焊接动态参数示意图,2）动态焊接参数图12-4是表示爆炸焊接动态参数示意图。爆炸焊接的动态参数包括：复板的动态弯折角、碰撞角、复板碰撞速度vp、复板相对于碰撞点S的速度vi和碰撞点移动速度vcp以及复板的碰撞能IE。它们之间的关系可用下列诸式表示：,
9、式中 vd炸药的爆速；m复板的质量。其它符号的意义见图12-4中的说明。,3）结合区参数在爆炸焊接中，一般来说结合区可分为下面三种类型： 金属与金属的直接结合；形成均匀连续的熔化层；波状结合。 三种结合型式中，以波状结合最为常见。爆炸焊接结合区参数，它表征了结合区的外貌特征和复 合材料的性质，表示爆炸焊接的最终结果。结合区界面参数 包括：界面波的波高和波长、结合强度和熔化层厚度。根据试验结果证明，波长随着碰撞角的增加而增加。 当碰撞角相同时，波长随复板厚度tf的变化而变化。它们之 间存在着下面的关系。,式中：结合区波长；b、c系数；A结合区的波高。当波高与波长的比值为0.281时，形成的波是最
10、稳定的。爆炸焊接的三类结合参数之间是互相联系的。当初始参 数确定后，动态参数和结合区参数也就相应确定了。因此爆 炸焊接效果和质量主要取决于合理的选取初始焊接参数。,2爆炸焊接前的清理工作复板和基板表面的清洁是影响爆炸焊接质量的重要因素。 虽然在爆炸焊接过程中所形成的金属射流，起到清洗基板和 复板表面膜的作用，但是它能清洗表面膜的厚度必竟是有限 的。因此，在爆炸焊接前对金属板表面进行清刷是非常必要 的。实践证明，金属板的初始表面光洁度越高、越新鲜，爆 炸焊接质量也就越高，常采用的清理方法有以下几种：1）砂轮打磨，这是一种最广泛使用的方法，主要用于 钢表面的清理。2）喷丸和喷砂，用于要求不高的钢表
11、面清理。,3）酸洗，常用于铜及其合金表面的清理。4）碱洗，主要用于铝及其合金表面的清理。5）砂布或钢丝刷打磨，主要用于不锈钢和钛合金的表 面清理。6）车、刨、铣、磨，用于要求较高的厚钢板（或钢铸 件）以及异形零件的表面清理。不管采用哪种方法清理，最好是当天清理，当天就进行 爆炸焊接，对于光洁度要求较高的工艺，如果当天不能进行 爆炸焊接，就应用油封，保护已清理好的表面，待第二天爆 炸时，再用丙酮或苯将油封洗净。,（二）爆炸压接爆炸压接是利用炸药爆炸所产生的强大压力，将两种金 属材料压合、包裹和接合在一起的工艺。因此，机械压缩过 程是压接的基本形式。爆炸压接工艺已在我国电力工业部门 架设高压输电线
12、时，成功地用它来连接电力线。这种压接工 艺的原理如图所示。首先将两根电力线的线头，从相对方向 插入压接管中。两根电力线的线头（接头）根据连接方式分 为：对接，即两根插入压接管的线头端面相对接触；搭接， 即一根电力线的接头以一定长度搭在另一根电力线的接头 上；插接，即将两根电力线的接头的金属导线打开，相互插 入。电力线的接头按上述三种方式之一连接好后，在压接管 外周敷设两层炸药，最后用雷管起爆。,图 爆炸压接原理图1钢绞线（对接）；2压接管；3二层炸药；4雷管,在用爆炸压接法压接电力线时，其施工工艺可分为：1切割管线和检查1）在切割管线之前，应对它们作一次详细全面的检查。 检查内容包括：对电力线
13、应检查是否有断股、缺股、折叠、 线股缠绕不良和锈蚀严重等缺陷；对压接管应检查是否有开 裂和严重砂眼、其内、外径是否符合标准。如发现有上述缺 陷，应及时处理或更换。否则，会直接影响接头的机械强度 和电气性能。2）切线时，应先在线的切口两侧用细绳绑扎牢固，以 防切割后线头散股。切口平面要与线轴垂直，切口要整齐。 切割后，可用钢锉刀整理切割面上的毛刺，以利穿线。,2清洗管线管线可用汽油清洗，也可用10%的碱洗液（水占90%， 工业用碱占10%）清洗。用碱液清洗时，将管线放入温度为 4060值的碱洗液中56分钟，然后取出，再用清水冲净管 线表面残存的碱液，并将线头朝上放置，凉干水分。对带有 防腐油的钢
14、绞线和铝绞线的钢芯，可用磷酸三钠液煮洗。煮 洗时，将磷酸三钠溶液（每升水加入80克磷酸三钠）倒入 长罐中，加热至沸腾状态，再将管线放入长罐中浸煮，并不 断地加水，使油溢出，1015分钟后取出，将线头朝上放 置，凉干，或用喷灯烤干。清洗线的长度不得小于爆炸压接 长度的1.5倍。,3浸沾保护层在爆炸压接中，往往由于压接管表面不够光滑和平整， 以致爆炸时所产生的高温高压高速的气流将压接管表面烧伤。 防止这种表面烧伤的方法是在压接管表面浸沾保护层。制作 保护层的材料有：橡皮、塑料、黑胶布、松香、石蜡等涂料。 使用泰乳炸药进行爆炸压接时，多采用松香和石蜡配制的涂 料，它们的配制比例是1:1（重量比）。涂
15、料熔化浸治前， 要将压接管两端用废纸、棉纱头或特制木塞堵死。严禁涂料 进入管内而影响压接质量。保护层的厚度以1.52.0 mm为 宜。对于钢绞线压接管，一般可不浸沾松香石蜡涂料，而在 压接管外包缠12层黑胶布或塑料带即可。包缠时，力求紧 密、均匀。,4裁药和包药使用片状的泰乳炸药进行爆炸压接时，应根据浸沾过保 护层的压接管的外圆周尺寸的大小来裁药，裁药的尺寸力求 准确。裁药时须用快刀在平整的木板或橡皮板上划裁。严禁 用剪刀剪裁或在钢板上用刀划裁。用黑胶布或塑料带包缠药 包时，一定要将药片紧紧地贴在压接管上，在药片的接缝处 不得留有间隙，更不能将药片叠起来包缠。如用橡胶粘接， 应在药片的接缝处均
16、匀地涂抹上胶水，等待稍微凉干后，将 药片紧贴在压接管上，用手在接缝处轻轻压牢。药片包贴完 后，药包的长度应在规定的范围内，否则，应切除多余的部 分。,5穿线 爆炸压接中的穿线工艺，是一项细致的工作，稍有疏 忽，将对接头的压接质量产生很大影响。穿线应仔细检查压 接管的规格是否和被压接的线的型号一致，压接管内是否有 油、水、泥土等污物。穿线时，必须按照线头的连接方式和 要求的尺寸进行穿线。如果是对接时两线头的对接点必须位 于压接管长度的中心点，而且两线头的端面，必须紧密接触。 如果连接方式是搭接或插接时，两线头可稍微穿出压接管口 以外。,6放炮放炮前，应将包好药包的压接管连同钢芯铝绞线或钢绞 线用
17、支架或其它方式牢固地支承起来。药包在离地表的距离 不得小于1米，以防止爆炸时，地面反射波的作用，使压接 管变弯，同时也避免爆炸时飞石伤人。当一切起爆准备工作 做完，并检查无误，同时一切人员撤离现场到达安全地点 后，方准起爆。7整理爆炸压接后，应将残存在压接管上的石蜡松香擦净。 并在钢芯铝绞线和钢绞线接头的锯口两端涂上红丹，以防锈 蚀。,下面是我国各供电局在采用爆炸压接时，不同连接方法 设计和施工示意图。1对接式爆炸压接,图 对接式爆炸压接示意图1钢绞线；2压接管；3药包；4雷管,2插接式爆炸压接,图 插接式爆炸压接示意图（尺寸：mm）1钢绞线；2压接管；3药包；4雷管,3. 搭接式爆炸压接。,
18、图 搭接式爆炸压接示意图（尺寸：mm） 1钢芯铝绞线；2压接筒；3药包；4垫条；5雷管以上三种连接方式的爆炸压接所采用的炸药均为泰乳 （太乳）炸药，采用其它炸药时，其装药参数应经过试 验来确定。,二、爆炸成形,爆炸成形是利用炸药爆炸所产生的冲击波的冲击作用和高压气体的膨胀作用，通过传压介质作用到金属毛料（如金属板材和筒材）上，使金属毛料加工成符合设计要求（即形状、尺寸、精度和光洁度符合要求）的零部件。 传压介质一般多采用水介质，这是由于水的传压性能好，加工出来的零部件表面光洁度高，同时水的来源很方便和成本低廉。有时也采用油、砂、滑石粉和空气作为传压介质，但加工出来的零部件的质量远远不如水。根据
19、金属加工的零部件的形状不同，可将金属爆炸成形分为爆炸拉深成形和爆炸胀形成形两种加工方法。,（一）爆炸拉深成形法这种加工方法是利用炸药爆炸的冲击压力将金属板材 拉深成凹形零件的方法。这种加工方法使用的装置如图12-5 所示。爆炸拉深成形一般分为自由拉深成形和有模拉深成形。,图12-5 爆炸拉深成形装置图 1药包；2水；3护筒（用金属、塑料或沥青纸加工成的）；4卡具；5模具； 6金属板材（毛料）；7排气孔；8压边圈,自由拉深成形的装置很简单（见图12-6），没有模具只 有拉深环。这种加工工艺完全依靠控制加工工艺参数来获得 零部件的外形，全凭经验，易受偶然因素的影响。这种加工 方法只适用于加工形状简
20、单而精度又要求不高的零部件。,图12-6 自由拉深成形装置 1药包；2传压介质（水）；3护筒；4压边螺栓；5压边圈；6毛料；7拉深环；8支座,有模拉深成形又分为自然排气拉深成形（见图12-7）和 模腔抽成真空的拉深成形两种。在爆炸拉深成形过程中，模腔中的空气必须排出，则会 在板材拉深成形过程中，空气受压，温度上升，容易烧伤零 部件表面。另外在零部件成形卸压后，被压缩的气体开始膨 胀，使零部件表面鼓起而造成废品。,图12-7 自然排气有模拉深成形1药包；2传压介质（水）；3护筒；4压边螺栓；5压边圈；6毛料； 7自然排气模,自然排气的有模爆炸拉深成形法所需的装置很简单，只 需在模具上钻几个排气孔
21、。自然排气有模爆炸拉深成形加工 法，它的成形精度较自由拉深成形要高些。也能加工形状复 杂的零部件，但它只适用于加工黑色金属和厚铝板。对于大批量加工精度要求较高和相对厚度比较小的零部 件，不能采用自然排气的有模爆炸拉深成形加工法，而只能 采用模腔抽成真空的爆炸拉深成形加工法。模腔中的气压至 少要降低到667Pa（5 mm汞柱）的压力。,影响爆炸拉深成形效果的因素很多，其中包括：药形、 药位、药量、传压介质的边界条件、水深和真空度等。对这 些因素选取得是否恰当，不只影响拉深成形零部件的质量和 生产率，还会影响模具的使用寿命。药形：药包的形状决定了爆炸所产生的冲击波的形状。 在低药位的情况下，也就决
22、定了作用在金属毛料上的载荷大 小和分布情况。为了有效地控制金属毛料的流动和变形。必 需正确选择符合零部件外形特点和技术要求的药包形状。常 用的药包形状有：球形、柱形、锥形和环形（见图12-8）。,图12-8 常用的药包形状a球形药包；b柱形药包；c锥形药包；d环形药包,球形药包爆炸后所产生的冲击波为球面冲击波，在低药 位时作用在金属毛料上的载荷是不均匀的。中央部位载荷最 大，边缘部位载荷较小。所以零部件成形后，顶部较薄。因 此，它只适用于成形深度不大，变薄要求不严的球底封头零 件。柱形药包制作容易，是生产中采用最多的一种药包。长 柱形药包由于长度与直径之比大于1.0，端面冲击波与侧面 冲击波的
23、强度相差较大，不宜在爆炸拉深成形法中采用，大 都在爆炸胀形成形法中采用。短柱药包（指药包长度与药包 直径之比等于或小于1.0），常常用来代替球形药包。锥形药包爆炸后，顶部冲击波较弱，两侧较强。常用于 变薄量要求较严的椭球底封头的爆炸拉深成形。锥角常为 90120。,环形药包一般用于大型封头零件的爆炸拉深成 形。这是因为环形药包的直径d为模口直径D的 8085%，因此药包比较接近凹模圆角，利于凸缘 毛料流入模腔，减少变薄量。同时，采用环形药 包，药位可低些，毛料向下运动的分速度较大，因 而减轻了成形后的圆角脱离现象。当成形深度相同 的零件，环形药包的用药量要比球形药包少一些。,药位：一般常指药包
24、中心至毛料表面的垂直高度h，并 称之为吊高。药包在水中爆炸后所形成的强冲击波随着波阵 面的推进及扩散，其压力及传播速度迅速下降。由此可见， 药位h不仅影响作用在毛料上的载荷大小，也影响其载荷的 分布。在采用球形、柱形和锥形药包时，相对药位（即药位与 模口直径之比）一般可在0.20.5范围内选取。采用环形药 包时，药位可稍低一些，相对药位一般在0.20.3间选取。药位的选取主要取决于零件的材质和相对厚度。材料的 强度高而相对厚度又大的零部件成形时，药位可低一些。反 之，则应高一些。,药量：当药位一定的情况下，药量决定着作用在毛料上 的载荷大小。药量确定的方法一般采用类比法和估算法。根 据功能平衡
25、准则，得出药量的估算公式如下：,式中 Y金属板顶点挠度，mm；D模口直径，mm；W药量，g；毛料厚度，mm；h药位，mm；K系数，等于S2/S1；S1低炭钢的屈服应力；S2成形零件的材料屈服应力。,传压介质的边界条件：护筒的材质强度对拉深 件的成形深度和外形平滑度有很大的影响。一般来 说，随着护筒材质强度的增加和直径的增大，毛料 的成形深度和外形平滑度也随之增加，这主要是筒 壁正压反射波增强了作用在毛料上的载荷，同时筒 径增大后，也延缓了卸载波作用的时间。,水深：药包中心至水面的距离。水深一方面可以确定水 从自由面卸载所需要的时间；另外一方面对于高压气体作用 在毛料上的能量和时间产生很大影响。
26、水越深，高压气体作 用在毛料上的能量和时间也越多。但水深达到一定值后，这 种影响趋于平稳。此时的水深叫做临界水深。对于薄板零件 成形，临界水深一般取(1/21/3)的模口直径。真空度：当薄板毛料进行爆炸拉深成形时，由于变形速 度快，模腔中的空气来不及排出，残余气体突然受到压缩， 温度升高，容易烧伤零件，另外当载荷消失后，被压缩的气 体自行膨胀、反顶零件而形成反凸形，破坏零件表面的光洁 度。试验表明，模腔中具有小于5 mm水银柱高的真空度， 即可获得外形良好的零件。,压边力：压边力的大小直接影响到零件的质 量，例如成形深度、顶端变薄量、和产生内外皱等。 随着压边力增加，则增加爆炸拉深零件的膨胀形
27、比。 因而变薄量增加，成形深度减小，但有利于防止发 生内外皱。减小压边力，恰好与上述情况相反。在 实际工作中，压边力的大小应视具体的零件而定。,（二）爆炸胀形成形法利用炸药爆炸产生的冲击波和高压气体将金属筒状旋 转体毛料加工成各种筒形零件的加工方法。其加工过程如图 12-9所示。,图12-9 爆炸胀形成形加工示意图1密封圈；2上压板；3药包；4毛坯；5爆炸模；6下压板；7垫木；8抽气孔,大多数胀形件的毛料都有焊缝，在爆炸成形过程中焊缝 最易开裂。因此，毛料在焊接后和在爆炸胀形之前，要进行 热处理，以消除焊接时产生的内应力。不经过热处理的毛料 容易破裂，而且由于各部位应力不均匀，会造成零件质量不
28、 均衡。在进行爆炸胀形加工过程中，为保证零件的加工质量， 必须正确选择加工工艺参数。这些参数包括：药包形状、药 包位置、炸药用量、介质种类、反射板间隙等。1药包形状用于爆炸胀形的药包形状应根据零件的几何形状来确 定，原则上应符合毛料各部位变形量的需要，并使模具受载 最合理，同时药包的制作应力求简单。,对于筒形旋转体胀形零件，一般都采用圆柱形药包。圆 柱形药包的长度，应视具体零件而定，对长而且变形区也较 长的零件，应采用细长药包；对长度较短或变形区较短的零 件，应采用短柱形药包。下面是爆炸胀形加工时，常采用的几种药包形状。,图12-10 几种常用于爆炸胀形的药包形状,2药包位置对筒状旋转体胀形体
29、而言，药包总是挂在旋转轴上。其 吊挂高低位置，应视具体情况而定，其原则是：（1）药包爆炸所产生的冲击能量的分布应与毛料要求的 变形量分布一致。即药包应放在毛料要求变形量最大的部位。（2）载荷对毛料轴向压力不应过大，以防止零件在成形 过程中失稳。（3）用自然排气方法时，要考虑对排气有利。（4）仅根据第一条原则来确定药位，有时药包距水面太 近，其能量利用率很低，在这种情况下需要适当调整药位。以上几条在实际应用中，经常会产生矛盾，必须根据具 体情况加以调整。,3药量爆炸胀形所需的用药量与零件的大小、毛料的种类、材质、厚度和 状态以及爆炸的边界条件等因素有关。爆炸胀形所需的用药量可按功能 平衡原理，即
30、毛料由初始状态到贴模成形这一过程中所作的变形功等于 炸药用于爆炸胜形的有效能这一原理来计算，即：,式中 Q用药量，kg；毛料在动载作用下的屈服极限，近似取静载荷屈服极限的两倍；,毛料圆周方向上的平均应变；S0毛料的初始面积；毛料的初始厚度；q每公斤炸药的能量；炸药的能量利用率，一般为1315%；K1传压介质系数。水K1 = 1.0；砂K1 = 4.0；K2工艺系数，抽成真空成形时K2 = 1.0；水井中成形时K2 = 0.80.9。,4反射板反射板的作用是在爆炸胀形过程中，毛料的某 些部位距离药包太远，所受的载荷不足以使毛料成 形，设置反射板是增大胀形的压力。反射板一般装 置在毛料的上面，因此
31、它的参数影响毛料在成形过 程中的排气和成形状态。例如，反射板重量太轻 时，零件形成收口；反射板与胀形装置间的间隙太 小，则会造成憋气；反射板的直径若小于模口直 径，下落时会砸伤零件。,三、爆炸合成（一）概述爆炸冲击波作用时产生高压和温升，其作用时间很短， 在材料中产生很高的应变率，这样就会使由活性物质组成的 混合物产生化学反应，也可能使纯物质发生相变。通过爆炸 的方法合成新材料一直是一个前沿的热门研究课题，这方面 研究最多和最成功的是一些超硬材料如金刚石和致密相氮化 硼的爆炸合成。最早通过爆炸冲击波合成的化学合成物是锌一铁素体。 其后不久在具有理想配合比的钛碳混合粉末的爆炸烧结中观 察到碳化钛
32、的形成。随后发现当用三硝基苯甲硝胺对乙炔碳 黑和钨或铝粉等的混合物进行爆炸压制后，生成了碳化钨或 碳化铝等金属碳化物。,钛酸钡是广泛用来制造压力传感器的材料，对氧化钛和 碳酸钡的混合物进行爆炸冲击可以合成钛酸钡。通过爆炸冲 击作用于相应组分还可用来合成超导化合物，已有研究表 明，爆炸合成的超导合金的转变温度比用普通方法制成的合 金要低，而且爆炸合成的超导材料的转变范围也要大一些。氮化硅是用于高温的一种非常重要的材料，它可以用来 制造燃气轮机的涡轮叶片和轮盘等。在对氮化硅进行爆炸冲 击时，也会发生相变。当冲击压力达到40GPa时，a- 会转变为 。同普通方法制成的材料相比，爆炸合成的材料具有独特
33、 的性质。比如，爆炸合成的粒度约1mm的碳化钨颗粒的硬 度为HV3500左右，而用普通方法制成的碳化钨为HV2000。,(二) 爆炸合成金刚石由石墨高压相变合成金刚石已有多年的历史，主要包括静压法和爆 炸冲击波动态加压法。爆炸法合成金刚石始于50年代初，1960年美国斯 坦福研究所在经爆炸冲击作用过的石墨中发现了微量金刚石的存在。经 过多年的研究改进，于1967年首先由杜邦公司投入生产。随后其他国家波兰、西德、法国、英国和日本等相继采用爆炸法合 成金刚石微粉。中国于1971年首次用爆炸法合成出金刚石微粉，随后又 用爆炸法成功烧结出大颗粒金刚石聚晶。最早用爆炸法得到的金刚石是 微米和亚微米微粉，
34、这种金刚石纯度较高，具有很好的抗氧化性能及耐 石墨化性能，同时还是烧结大颗粒聚晶的良好原料。1988年出现了通过炸药爆轰方法制备纳米金刚石微粉的新技术，这 种方法不用外加碳源，直接由炸药中的碳相变称金刚石，这种方法被称 为金刚石合成技术的第三次飞跃。与静压法相比，爆炸法合成金刚石不 需要大吨位压力机械设备，投资少，产量高，方法简便，成本低。根据 爆炸作用及相变机理，可以进一步将爆炸法合成金刚石分为三种方法。,1冲击波法冲击波法是指将冲击波作用于试样，使试样在冲击波产 生的瞬间高温高压下相变成金刚石。试样包括石墨、灰口铸 铁及其他碳材料。利用冲击波爆炸合成金刚石的装置有多 种，一是平面飞片法，即
35、利用飞片积储能量，然后高速拍打 石墨试样获取高温和高压。二是收缩爆炸法，则是利用收缩 爆轰波，使大量爆炸能量集中于收缩中心区。造成很大的超 压和高温，来提供石墨相变所需要的条件。图12-12所示为 平面飞片法爆炸装置示意图。经平面波发生器及主装药产生 的冲击波驱动金属飞片，高速驱动的飞片拍打试样，在试样 中产生高温高压，使碳材料相变称金刚石。为了便于回收， 也可以不用砧体而在沙坑中直接爆炸。,图12-12 平面飞片加载装置示意图,目前采用的爆炸装置中多为收缩爆炸法。产生典型的柱 面收缩方法有多种手段:如柱面收缩的炸药透镜法，对数螺 旋面法，金属锚瞬时爆炸引爆法等。但这种装置或是辅助用 药量较多
36、，或者引爆技术比较复杂，或者附属设备投资较 大，不适合于规模化生产。图12-13（a）所示为一种柱面 收缩爆炸装置。引爆头被激发后，爆轰波通过传爆药层使药 柱上侧四周同时激发，形成一个向心和向下的准柱面收缩波。 如果将这种装置和飞片法结合起来，就形成了如图12-13 （b）所示的综合爆炸装置。由于从两个角度利用爆炸的能 量。因而，同样药量下，金刚石的产量大致可以提高一倍。,图12-13 收缩爆炸法a-准柱面收缩装置； b综合装置法,在冲击波法合成金刚石中，为了提高转化率，防止逆向 石墨化相变发生，通常在样品中混入金属粉如Pe、Ni、Co、 Sn合金粉等，以降低样品温度，提高冲击压力和石墨样品
37、的冷却速度。此外也可以采用水下冲击的方法，提高石墨样 品的冷却速度。一般认为冲击波条件下石墨向金刚石转变是非扩散直接 相变。冲击波合成的金刚石是颗粒度在0.1至几十微米之间 的多晶微粉，含有大量的微观晶格缺陷，具有较高的烧结活 性，多为立方晶型，纯度高，质量好，强度、硬度和绝缘性 能明显比静压合成金刚石好。,解决冲击波合成大颗粒金刚石是当今国内外需要攻克的 难题。冲击波压力、温度及作用时间是影响金刚石粒度和装 化率的重要因素。其中温度的作用更为明显，提高温度可以 促进金刚石的成核和生长，但如果冷却措施不力，卸载后温 度仍然很高，会使合成的金刚石发生石墨化。对于作用时间 尚有不同的认识，有些学者
38、认为冲击压力的持续时间是金刚 石成核和生长的有效时间，但也有人认为真正起作用的冲击 波上升前沿这段时间。为增大金刚石粒度，可以采用多次冲 击的方法合成聚晶金刚石，使金刚石聚晶粒度达100微米以 上，但随着冲击次数的增加，金刚石聚晶变脆。,2爆轰波法1982年，前苏联首先提出采用爆轰波法合成金 刚石，这种方法是指将可相变的石墨与高能炸药直 接混合，起爆后利用炸药爆轰产生的高温高压直接 作用于石墨，利用爆轰波的高温高压直接作用合成 金刚石，爆轰波过后产物飞散而快速冷却得到金刚 石。这种方法中，作用于石墨的不是一般的冲击 波，而是带化学反应的爆轰波。爆轰波法与冲击波 法比较相似。这两种条件下都是非扩
39、散直接相变。,3爆轰产物法利用炸药爆轰的方法合成纳米金刚石被誉为金刚石合成技术的第三 次飞跃。爆轰合成超微金刚石（Ultrafine Diamond，简称UFD）与冲 击波法和爆轰波法不同，它是利用负氧平衡炸药爆轰后，炸药中过剩的 没有被氧化的碳原子在爆轰产生的高温高压下重新排列、聚集、晶化而 成纳米金刚石的技术，所以又称为爆轰产物法。由于爆轰过程的瞬时性 决定了UFD的纳米小尺寸。目前，仅在陨石中发现有和UFD相似的物质。 UFD的制备过程较为简单，图12-14为UFD的爆炸合成装置示意图。负 氧平衡的混合炸药在高强度的密闭容器中爆炸，为了减少爆炸过程中伴 生物石墨和无定形碳等的生成，同时防
40、止UFD发生氧化和石墨化，爆炸 前在容器中充惰性保护气或（和）在药柱外包裹具有保压和吸热作用的 水、冰或热分解盐类等保护介质。爆炸后，收集固相爆轰产物（爆轰 灰），先过筛去除杂物，然后用氧化剂进行提纯处理，除去其中的石墨、 无定形碳等非金刚石碳相以及金属杂质等，经蒸馏水洗涤并烘干即可得 到较纯净的UFD。,图12-14 爆炸合成装置示意图,虽然只用TNT可以生成游离碳，但由于TNT的爆轰压力 不高，因而还不能生成金刚石。用TNT与RDS的混合物就 可以生成金刚石。实验结果表明，TNT含量在50%70% 时，金刚石的产率较高。爆炸需要在密闭的容器中进行，容 器中要充填惰性介质以保护生成的金刚石不
41、被氧化。作为惰 性介质，开始时是采用一些气体。实验结果表明，用 的 结果优于其他几种气体，而采用惰性气体（如氦、氩）时， 几乎不生成金刚石。试验结果表明，采用水做保护介质时，金刚石的得率最 高，且操作工艺最简单，因而在实际生产中经常采用水做保 护介质，国内外甚至发展了水下连续爆炸的方法。,如上所述，在合成金刚石的过程中，TNT之类的负氧平 衡炸药主要提供碳源。按化学反应式计算，当使用 TNT/RDS（50%/50%）混合炸药时，游离碳的生成量最多 为14%，也就是说，即使全部游离碳都转化为金刚石（这实 际上是不可能的），其收率也只能是炸药用量的14%。为了 探索提高金刚石收率的可能性，研究者们
42、尝试向炸药中添加 有机物的方法。曾试探过多种有机物，其中有一些可以使含 金刚石粉的收率有所提高，因而金刚石收率也略有增加，但 并不明显。有人认为，添加有机物后爆轰产物中游离碳的含 量增加还有保护金刚石的作用。金刚石收率提高不明显的原 因是，添加惰性有机物后，炸药的爆轰压力下降，这对金刚 石的生成是不利的。,爆轰合成纳米金刚石属于纳米级微粉，只有立方金刚 石，没有六方金刚石，UDF大都呈规整的球形，粒径范围 为120 nm，平均粒径48 nm，颗粒之间由于严重的硬团聚 通常形成微米和亚微米尺寸的团聚体。其晶格常数比宏观尺 寸金刚石大，具有较大的微应力。UDF比表面积大，一般 300400 m2/
43、g，最大可达450 m2/g，其化学活性高，具有很 强的吸附能力，表面吸附有大量的羟基、羰基、羧基、醚基、 酯基及一些含氮的基团，形成了相对疏松的表面结构。元素 分析表明其元素组成为碳（85%），氢（1%），氮 （2%），氧（10%）。不同合成条件对UFD的晶粒尺寸、 结构以及性质都有影响，可以根据不同的要求选择合适的合 成条件。也可以通过表面处理对其进行物理、化学改性，以 满足不同的应用要求。,纳米金刚石用途很广泛。例如用作玻璃、半导 体、金属和合金表面超精细加工抛光粉的添加剂； 作为磁柔性合金成分制备磁盘和磁头；用作生长大 颗粒金刚石的籽晶；用作强电流接触电极表面合金 成分；制备半导体器件
44、和集成电路元件（金刚石和 类金刚石薄膜异向外延，金刚石半导体晶体管，可 见和紫外波段发光二极管，蓝光和紫外光发光材 料，集成电路的高热导率散热层）以及用于军事隐 身材料等。,(三)爆炸合成致密相氮化硼致密相氮化硼是另一类重要的超硬材料。氮化硼的分子 结构与碳一样，低密度相是与石墨一样的六方层状结构的石 墨相氮化硼（GBN）；致密相分为立方结构的闪锌矿型氮 化硼（CBN）和六方结构的纤锌矿型氮化硼（WNB）。立 方氮化硼和六方氮化硼，其硬度约低于金刚石，但其热稳定 性及对铁基金属安定性优于金刚石。在机械加工中，氮化硼 超硬材料有着特殊的用途，其用量逐年增加。,合成致密相氮化硼的方法包括上面提到的
45、冲击波法和爆 轰法。其工艺与用石墨合成金刚石类似。冲击波法合成的致 密相氮化硼通常只含有纤锌矿型氮化硼，而在爆轰波法中由 于GBN发生相变的相变温度较高，所形成的致密相中除纤 锌矿型氮化硼外，还有比较稳定的立方氮化硼。一般认为， GBN向WNB 的相变是通过沿C轴方向的压缩，使硼原子与 氮原子发生微小位移，形成六方密排堆积结构，是一种非扩 散、非热的马氏体转变机制。GBN向高密相氮化硼的转化 率强烈依赖于原始GBN的结晶特性，结晶度越好，转化率 越高。,用国产的结晶度为5.0的GBN，最高转化率可 以超过50%。在爆轰波法中，炸药的爆轰参数对氮 化硼的相变过程有直接影响。爆压越高，转化率越 高
46、。装药的形状也影响产物中致密相氮化硼的得 率，这是由于炸药形状影响了压力卸载过程，卸载 过程中也会发生与金刚石类似的石墨化现象，即产 物中的致密相氮化硼向低密度相氮化硼的逆转变。 卸载越慢，石墨化过程越长，产物中的致密相越少。,与爆炸合成金刚石类似，爆炸合成的致密相氮 化硼是颗粒度在0.1至几十微米之间的多晶微粉， 含有大量的微观晶格缺陷。爆炸法合成的纤锌矿型 氮化硼WNB，具有很高的韧性和烧结活性。它相 当容易转变为CBN，又易于和CBN 共同烧结成强 度和硬度达到CBN水平的新型超硬材料。用它制造 的切削刀具和磨削刀具，由于其独特的高韧性，在 抗冲击、抗断裂、抗挠曲强度等方面都要超过 CB
47、N，是目前开发新型抗冲击多晶超硬材料最重要 的基本材料。,四、爆炸硬化爆炸硬化是利用直接敷贴在金属表面的板状炸药的爆炸 所产生的冲击波，猛烈冲击金属表面使其增加表面硬度的方 法。根据试验证明，爆炸硬化效果最好的金属是高锰钢。（一）爆炸硬化原理矿用高锰钢是一种含锰1014%、炭1.4%、硅0.8%、 磷小于0.1%、硫小于0.005%的Fe-C-Mn 合金钢。它具有较 高的抗张和抗冲击强度，在冲击和研磨载荷作用下，具有较 高的耐磨性，但是用这种钢铸造的工件，脆性较大，经过 “水韧”处理后，虽然它的韧性提高了，但是它的初始表面硬 度较低，布氏硬度一般只有180220左右，所以这种工件在 使用初期，
48、磨损速度非常快。高锰钢的另一特性是它的冷加 工特性，即这种工件在使用过程中，由于不断受到冲击和研 磨载荷的作用，它的硬度和耐磨性会随着使用时间的增加而 增加。,为了发挥高锰钢工件的冷加工特性，又能克服它初期硬度较低和容 易磨损的缺点，在工件使用以前，对它的表面进爆炸预硬化处理，是解 决上述问题的有效途径。爆炸硬化是利用敷贴在金属表面上的薄层高猛度炸药的爆炸所产生 的爆轰波和爆炸气体生成物，对金属表面进行猛烈的冲击，使在金属中 激发出强烈的冲击波，金属在强大冲击压缩应力作用下，形成致密金属 层而引起金属硬度的增加。这是爆炸硬化的宏观解释。图12-15是金属 爆炸硬化过程的示意图。将爆炸硬化后的高
49、锰钢切片，放在扫描电镜和透视电镜下进行微观 观察和分析后，可以认为：高锰钢工件在复杂的爆炸应力作用下，引起 晶粒内产生高密度的位错，位错的大量增殖和堆积形成滑移，大量滑移 引起高锰钢的塑性变形，同时大量孪晶的出现也导致塑性变形的强化， 而塑性变形强化的结果，表现为高锰钢硬度的提高，这就是高锰钢在爆 炸载荷作用下硬度提高的内在原因。,图12-15 爆炸硬化过程示意图1待硬化金属；2已硬化金属；3炸药片；4雷管,（二）影响爆炸硬化效果的因素影响金属爆炸硬化效果的因素很多，但归纳起来，主要 有下面几种：1炸药炸药是影响金属爆炸硬化效果的主要因素，选用的炸药 应满足以下几点要求1）选用的炸药应具备高密度、高爆速、高爆轰压力和 高猛度的要求，炸药的传爆性能稳定和临界直径要小。2）炸药要具有良好的柔软性和可塑性，能适应工件的 不同形状、尺寸和敷药方向的要求，便于剪裁和敷贴。3）炸药爆轰后的爆轰压力应超过高锰钢的雨贡纽弹性 极限。4）用药量要少，硬化效果要好，炸药爆轰后不会在金 属表面产生龟裂。5）操作简单安全，成本低。,
