ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ВИБУХОВИХ РЕЧОВИН, ЇХ КЛАСИФІКАЦІЯ

Вибухові речовини (ВР) - це індивідуальні речовини або суміші, які в результаті певного зовнішнього впливу (нагрівання, удар, тертя, вибух іншого ВР тощо) здатні до швидкого хімічного перетворювання, що супроводжується виділенням великої кількості енергії та утворюванням газів. Вибуховими можуть бути речовини будь-якого агрегатного стану - тверді тіла, рідини. Найбільш широке застосування знайшли ВР у твердому та рідкому агрегатних станах (конденсовані ВР).

Основною особливістю ВР є велика швидкість виділення енергії під час вибуху. Ця енергія перетворюється на кінетичну енергію початково сильно стиснутих газоподібних продуктів вибуху, які, поширюючись, здатні виконувати механічну роботу та руйнувати оточуюче середовище.

Реакція, що виникає в обмеженому об'ємі речовини, розповсюджується у ВР завдяки передачі енергії через масу речовини. Відстань, на яку переміщується фронт реакції за одиницю часу, називається швидкістю вибухового перетворювання.

Залежно від характеру зовнішнього впливу для ВР характерні два режими хімічного перетворювання - детонація та горіння.

При детонації реакція розповсюджується дуже швидко (залежно від природи ВР, властивостей та розмірів заряду - 1000-10000 м/с) в результаті передачі енергії за допомогою ударної хвилі. Матеріали, які знаходяться у контакті із зарядом детонуючої ВР, сильно деформуються та подрібнюються (місцева або бризантна дія вибуху), а газоподібні продукти, які утворюються при розширенні, переміщують їх на значну відстань (фугасна дія). Бризантна дія залежить від густини заряду та швидкості детонації, фугасна - визначається теплотою вибуху, об'ємом та складом газоподібних продуктів, щовиділилися.

При горінні розповсюдження реакції забезпечується завдяки передачі енергії до речовини, що не прореагувала, і теплопровідності або дифузійному теплообміну з нагрітими продуктами горіння. Розрізняють стаціонарне (нормальне) горіння, що переміщується у ВР з постійною швидкістю від десятих часток міліметрів за секунду до десятків сантиметрів за секунду і нестаціонарне (вибухове), що розповсюджується з непостійною швидкістю до сотень метрів за секунду. Невеликі домішки каталізаторів, підвищення початкової температури і тиску збільшують швидкість горіння. При великих швидкостях горіння процес набуває вибухового характеру, розвивається високий тиск газів, у навколишньому середовищі виникає ударна хвиля, але меншої інтенсивності ніж при детонації. Через це процес називають вибуховим горінням. Здатність переходу горіння в детонацію залежить, насамперед, від хімічної природи і структури ВР.

ВР відрізняються за складом, фізико-хімічними та вибуховими властивостями, іншими ознаками. Наприклад, ВР поділяються на індивідуальні та сумішні, здатні або нездатні до детонації, потужні та малопотужні, чутливі або менш чутливі до зовнішньої дії (розігрів, удар, тертя, вибух тощо). За фізичним станом конденсовані ВР бувають твердомонолітні (литі, пресовані), сипучі (порошкоподібні, гранульовані, зерноподібні), еластичні, пластичні, рідинотекучі.

Крім того розрізняють ВР саморобні та виготовлені промисловим способом згідно із затвердженою технології та апаратурним оформленням процесу.

За сферою та умовами застосування ВР промислового виготовлення поділяються на ВР народногосподарського та військового призначення.

Залежно від умов застосування, цільового призначення, а також здатності переходу горіння в детонацію існують чотири групи ВР: ініціюючі; бризантні; порохи та ракетні палива (метальні ВР); піротехнічні суміші, що здатні до вибухового перетворювання.

Ініціюючі (або первинні) ВР - високочутливі ВР, які використовуються для збудження вибухових перетворювань в зарядах інших ВР (капсулях-детонаторах, запалах, електродетонаторах). Характерною особливістю ініціюючих ВР є те, що для збудження їхнього вибуху у формі детонації необхідний незначний зовнішній вплив (удар, накол, тертя, нагрів, тощо), сам процес вибуху відрізняється дуже малим періодом нарощення швидкості до максимального значення - незрівнянно меншим, ніж у інших типів ВР. Завдяки цій властивості для збудження вибуху бризантних ВР необхідний дуже невеликий заряд ініціюючої ВР. До найбільш розповсюджених ініціюючих ВР відносяться азид свинцю, фульмінат ртуті (гримуча ртуть), тетранітрорезорцинат свинцю (ТНРС) та тетразен.

Бризантні (або вторинні) ВР - відносно менш чутливі і застосовуються як розривні заряди у боєприпасах та у підривних засобах. На відміну від ініціюючих мають меншу сприйнятливість до зовнішніх впливів та більший період нарощення швидкості розкладання до максимального значення. Крім того, горіння вторинних ВР стійке і переходить у детонацію лише під час вибуху ініціюючої ВР або через особливі умови: висока температура, велика маса, високий тиск, горіння в замкненому об'ємі. До характерних представників бризантних ВР, які випускаються промисловістю, належать: індивідуальні ВР - тротил, тетрил, гексоген, октоген, ТЕН, нітрогліцерин, пікринова кислота, дінітронафталін; сумішні ВР на їх основі; сумішні ВР на основі аміачної селітри - амоніти різних марок (суміші з тротилом, гексогеном, дінітронафталіном та різними невибуховими компонентами), динамони (суміші з невибуховими пальними компонентами: деревинною мукою, нафтопродуктами, тощо), детоніти та вугленіти (суміші з нітрогліцерином, діетиленгликольдинітратом).

Метальні ВР (порохи та ракетні палива) застосовуються головним чином для метання снарядів, куль (вогнепальна зброя) та утворення реактивної сили (ракети). Основною формою вибухового перетворювання метальних ВР є стійке горіння, яке не переходить у детонацію навіть за умов, характерних для вторинних ВР. Швидкість їхнього горіння може складати від декількох міліметрів до сотень метрів на секунду і залежить від хімічного складу, фізичного стану та умов використання (горіння на відкритому повітрі, у закритому або напівзакритому об'ємі). До метальних ВР належать порохи та сумішні тверді ракетні палива.

Порохи, що випускаються промисловістю, бувають димні та бездимні, які, в свою чергу, поділяються на піроксилінові та балістичні.

Димні порохи являють собою механічні суміші окисника (нітрату калію) та пальних речовин (деревного вугілля та сірки) і застосовуються в засобах займання, передачі вогневого імпульсу, метальних, вибивних зарядах, піротехнічних сумішах.

До складу бездимних порохів входять такі бризантні ВР, як піроксилін, нітрогліцерин, динітрогліколь та інші нітроефіри, динітробензол, тротил, гексоген. Піроксилін  основна складова частина піроксилінових порохів, а також баліститів; нітрогліцерин та інші нітроефіри використовуються для виготовлення баліститів.

Сумішні тверді ракетні палива являють собою складні композиції, які складаються з окисника, пального і пов'язувача (пальнопов'язувача). До їхнього складу можуть входити перхлорат амонію, тротил, ТЕН, гексоген, октоген тощо.

Піротехнічні суміші (ПС)  використовуються для створювання світлового, димового, звукового ефектів при горінні та являють собою механічні суміші, основними компонентами яких є неорганічні окисники, пальне (органічні або металеві горючі речовини) та в'язка речовина. Застосовуються в боєприпасах освітлювальної, сигнальної, запалювальної дії, а також у різних піротехнічних засобах. Компоненти та їх співвідношення вибираються залежно від призначення ПС для забезпечення заданого ефекту горіння (або вибуху) при певних характеристиках піротехнічного елементу.

Основним видом вибухового перетворювання ПС є горіння, яке може відбуватися з різними швидкостями: від часток міліметрів на секунду до сотень метрів на секунду, що забезпечує мінімальні вибухові властивості. Але деякі речовини при певних умовах здатні до детонації і мають порівняно високу чутливість до зовнішніх впливів. Спроможність ПС до детонації визначається, насамперед, наявністю провідника вибуху (детонації) - індивідуальної речовини, здатної до екзотермічної реакції саморозкладу (наприклад, аміачної селітри, хлорату калію тощо).

Основні характеристики вибухових речовин

Основними характеристиками ВР є чутливість, стійкість, теплота та температура вибуху, об'єм та склад газоподібних продуктів вибуху, фугасність та бризантність.

Чутливість. ВР  нестійкі хімічні системи. Однак вони здатні протистояти зовнішнім впливам, тобто для їхнього вибухового перетворювання необхідно докласти певних зусиль. При цьому деякі ВР здатні вибухати від незначної зовнішньої дії, подібно до йодистого азоту (достатньо дотику пташиного пера), а інші, наприклад, нітрат амонію, потребують потужних факторів у вигляді вибуху кількох десятків і навіть сотень грамів тетрилу. Для кожної ВР за даних умов здатність протистояти зовнішнім впливам має відому межу, при порушенні якої виникає вибухове перетворювання. Чим нижча ця межа, тим ВР чутливіша до зовнішніх впливів.

Таким чином, чутливість ВР - це більша або менша їхня здатність до вибухових перетворювань. Прийнято характеризувати її тією мінімальною кількістю зовнішньої енергії, яку необхідно витратити для того, щоб викликати вибухове перетворювання. Ця зовнішня енергія називається початковим імпульсом. Чим менший початковий імпульс, необхідний для виклику вибухового перетворювання, тим чутливіша ВР.

Як початковий імпульс можна використовувати різні види енергії: механічну (удар, наколювання, тертя), теплову (нагрів, відкрите полум'я), електричну (розжарення, розряд), а також енергію іншої ВР.

Вид початкового імпульсу впливає на характер і розвиток вибухового перетворювання. Так тротил (без оболонки), якщо його запалити, спокійно згоряє, а при дії капсуля-детонатора вибухає. ВР мають вибірну здатність до певних видів початкового імпульсу. Наприклад, азид свинцю порівняно із стифнатом свинцю чутливіший до механічних дій і менш чутливий до теплових впливів.

Числові характеристики чутливості ВР визначаються експериментально на спеціальних приладах за певних умов випробувань. Тому всі вони носять умовний характер і застосовуються тільки для порівняльної оцінки чутливості різних ВР.

Мірою чутливості ВР до теплового імпульсу є температура спалахування.

Характеристиками чутливості ініціюючих ВР до удару служать мінімальна висота падіння вантажу, при якій з певної кількості випробувань (як правило, не менше десяти) не відбувається жодного вибуху, і максимальна висота падіння вантажу, при якій (кількість випробувань та сама) спостерігається 100% вибухів.

Чутливість бризантних ВР до удару, як правило, характеризується відсотком вибухів, що виникають при скиданні вантажу з певної висоти.

Чутливість бризантних ВР до детонаційного імпульсу характеризується вагою граничного (мінімального) заряду ініціюючої ВР, здатного викликати повну детонацію певної кількості бризантної ВР .

Вага граничного заряду може розглядатися також як характеристика ініціюючої здатності ініціюючих ВР.

Стійкість. Під стійкістю ВР розуміють їхню здатність зберігати практично незмінними фізичні, хімічні, а отже, вибухові властивості протягом тривалого часу.

ВР, як зазначено вище, являють собою нестійкі хімічні системи, тому й при нормальних умовах зберігання вони розкладаються з більшою чи меншою швидкістю. У малостійких ВР процес розкладу йде швидше, у більш стійких  повільніше.

Спочатку розклад, як правило, проходить з незначною швидкістю, потім з часом самоприскорюється і може призвести до спалаху і вибуху. Розрізняють фізичну і хімічну стійкість ВР.

Фізична стійкість характеризується схильністю ВР до фізичних змін, що виникають спонтанно або через зовнішні фактори. Вона залежить від фізичних властивостей речовини: гігроскопічності, летючості, механічної міцності, здатності зберігати фізичний стан.

Багато ВР не мають достатньої фізичної стійкості. Так, наприклад, амоніти гігроскопічні, злежуються й вироби з них поступово руйнуються; оксиліквіти втрачають кисень через його летючість; динаміти ексудують нітрогліцерин і, замерзаючи, втрачають пластичність, стаючи небезпечнішими у застосуванні, тощо.

Хімічною стійкістю називається здатність ВР не зазнавати хімічних перетворювань при нормальних умовах зберігання. Вона залежить від хімічної природи ВР, тобто міцності та реакційної здатності з'єднань, а також від деяких домішок  одні з них знижують стійкість, а інші  збільшують.

Вплив домішок, що знижують стійкість, зводиться до каталітичної (прискорюючої) дії на процес розкладу ВР. Такі домішки називаються каталізаторами. Домішки, які уповільнюють розклад ВР, називають стабілізаторами.

Теплота та температура вибуху.

Теплотою вибуху називається кількість тепла, яке виділяється при вибуху 1 кг ВР.

Температурою вибуху називають максимальну температуру, до якої нагріваються продукти вибухового перетворювання ВР.

Бризантна і фугасна дії вибуху. Руйнівна дія вибуху обумовлена роботою, яку виконують газоподібні продукти вибуху при розширенні. Розрізняють дві основні форми зовнішньої роботи вибуху - бризантну і фугасну дії.

Бризантністю називається здатність ВР до місцевої руйнівної дії, яка є наслідком різкого удару продуктів вибуху по предметам, що оточують заряд ВР. Бризантна дія проявляється лише на близьких відстанях від місця вибуху, де тиск і густина енергії продуктів вибуху ще достатньо великі. За рахунок бризантної дії відбувається руйнування (пробивання або подрібнення середовища), яке стикається із зарядом ВР. Досвід свідчить, що бризантна дія залежить головним чином від густини заряду та швидкості детонації. Теоретично бризантність оцінюють за величиною потужності ВР, віднесеної або до одиниці маси або до одиниці об'єму заряду. Експериментально бризантність оцінюється стандартною пробою за величиною стискання свинцевого циліндра певних розмірів під час вибуху на ньому заряду масою 50 г. При цьому свинцевий циліндр стискається й набуває грибовидної форми. Різниця висот циліндра до і після вибуху є мірою бризантності ВР. Оцінка бризантності може бути проведена також за ступенем подрібнення металевої оболонки заряду. Критерієм бризантності у цьому випадку служить кількість осколків масою понад 1 г, віднесена до одиниці маси розривного заряду.

Фугасністю називається здатність ВР до руйнівної дії за рахунок розширення продуктів вибуху до порівняно невисокого тиску і проходження через середовище ударної хвилі. Фугасна дія проявляється у формі розколювання й відкидання середовища, де відбувається вибух. Дуже часто фугасність називають працездатністю ВР. Як міру працездатності ВР приймають величину роботи, яку могли б виконати продукти вибуху 1 кг ВР при розширенні до температури абсолютного нуля.

Величина корисної роботи вибуху значно менша за потенціал ВР, що пояснюється наявністю у складі продуктів вибуху твердих і рідких речовин. Досвід показує, що працездатність ВР залежить не тільки від теплоти вибуху, але й від питомого об'єму та складу продуктів вибуху.

Для практичної оцінки працездатності ВР використовують так звану пробу на розширення свинцевої бомби. Заряд ВР, що досліджується, масою 10 г підривається у циліндричному каналі свинцевої бомби. Під час вибуху канал розширюється й набуває грушоподібної форми. Різниця між об'ємом каналу до і після вибуху є практичною мірою фугасності ВР.