爆轰是一种极为特殊的化学反应现象，能发生爆轰的材料可以称之为炸药，但应当注意的是炸药本身还包含火药、烟火剂等可以发生爆炸的材料。

表1 炸药的种类与化学反应类型

一、爆轰的特点

1、炸药中的化学反应界面以超过炸药中声速的速度向未反应的炸药中推进并释放大量能量产生大量气体。

2、在化学反应界面前有一个冲击波，受冲击波压缩的炸药引发了化学反应。而化学反应释放的能量又补充了冲击波传播过程中损失的能量，这种冲击波后跟随化学反应的特殊波型称为爆轰波。如果炸药的厚度是无限的，那么爆轰波传播的时间也是无限的，爆轰波几乎不会因外界条件（温度、压力、湿度等）的变化而受到影响。

3、炸药发生爆轰反应后产生的反应物和爆轰波的传播方向是一致的，燃烧或爆燃产生的反应物则和燃烧面传播的方向相反。

图1 高速摄影拍摄到反应物与爆轰波传播方向

4、爆轰波阵面前后的温度、密度、压力是突然变化的，而燃烧则是连续变化的。如果燃烧就像沙滩上的海浪涌来，观测者能看到海水慢慢的升高；而爆轰则像平静的海中一堵垂直水墙拍来，在观察者和水墙之间没有海浪升起的过渡。

图2 爆轰波波型

二、可爆轰材料的极限

根据爆轰的定义我们可以发现，只要材料自身能迅速释放大量能量就存在爆轰的可能性。那么就涉及到两个问题：爆轰所需的最低限度能量是多少和反应不生成气体能否发生爆轰。

2.1 爆轰所需的最低限度能量是多少

要回答这个问题就需要从资料中筛选出爆热最低的炸药品种，经查找可发现三个具有这方面讨论价值的材料。

1、Oppauer盐

1921年9月21日德国奥堡发生了一起惨痛的爆炸事故，工人们像以往两万多次那样对结块的硝酸铵与硫酸铵混合盐（ASN）进行爆破疏松。但与以往不同的是这次爆破仅仅使用了2~5卷的Perastralit炸药，却造成了高达300~400 t的ASN发生爆轰，形成了一个长165 m，宽96 m，深18.5 m，体积12000 m³的爆坑^[1]。经过后续的调查发现，此次事故是由于工艺问题造成了硝酸铵与硫酸铵局部比例达到了55:45。这一数值虽然偏离设定值50:50并不多，却引发了灾难性的后果。考虑到这种百吨级的爆轰反应极为复杂，所以简化为仅有硝酸铵发生爆炸的化学模型。

图3 事故现场的爆坑

由此可以根据硝酸铵的爆热1441 kJ/kg折算出ASN的爆热至多为793 kJ/kg。考虑到硫酸铵在爆炸中的吸能分解，实际爆热应小于这一数值。在这起事故中值得注意的一点是，发生爆炸的储仓中存放了约4500 t的ASN，但发生爆炸的比例却不到10%，这表明50:50含量的ASN处于能否稳定爆轰的临界状态。

2、过氧化氢

94~100%的双氧水在34~40 mm的钢管中使用50 g太安引爆可完全爆轰，但92%的双氧水爆轰只能传播到距雷管100 mm远处^[2]。双氧水按以下方式爆炸分解：

H2O2 → H2O↑+0.5O2↑+54.2 kJ

则94%的过氧化氢计算爆热1352 kJ/kg，但是这些测量仅代表少量的94%过氧化氢实验室爆炸风险，并不能排除工业化大量生产中更低浓度的过氧化氢存在爆轰可能性。

3、过氧化苯甲酰（BP）

BP最大放能按以下方式分解：

C6H5(O)C-O-O-C(O)C6H5 → C6H5-C6H5+2CO2+167.6 kJ

计算爆热692 kJ/kg。

因为BP中存在脆弱的过氧键，使得BP的爆轰较ASN更容易发生。在内径10 mm，壁厚13 mm，长240 mm的钢管中使用2 g密度为1.67-1.68 g/cm³_的RDX作为扩爆药，装药密度0.4 g/cm³的BP爆速从初始的1.28 km/s衰减至装药末端的0.70 km/s；同样测试条件下装药密度0.57 g/cm³的BP爆速从初始的1.77 km/s衰减至装药末端的1.00 km/s^[3]。如此低的爆速无法破坏钢管，对观测是否发生爆轰造成了很大的影响，但根据密度增大爆速升高这一特征仍可以判断BP发生了爆轰。

从以上例子可以看出爆轰的能量限值与材料的结构和组成有关，不能一概而论，但是可以确定的是维持爆轰所需能量要比许多人想象的要低。因此在工业化生产羟胺溶液、肼、过氧化脲等产品时需要注意爆轰风险，并在设计生产线时部分参照炸药生产行业的标准。实际上肼^[4]、过氧化脲^[5]已经在实验室条件下测量到了部分爆轰参数，而历史上羟胺水溶液的生产也曾多次发生爆轰事故^[6]。

2.2 反应不生成气体能否发生爆轰

这一疑问的核心是对气体的定义，在传统认知中常温下呈气相的物质被称为气体。而典型的爆轰状态模型中，高温下的H2O等低沸点物质也被当做气相纳入计算。尽管爆轰反应能达到2000~5000 k的高温，但是C、Al2O3、NaCl等材料还是做为凝聚相产物进行处理。这就有了一个需要搞清楚的分界线，来判断爆轰产物为凝聚相还是气相。

1、乙炔银

乙炔银是一种极弱的起爆药，McCowan^[7]使用高速摄影法测量有机玻璃中的乙炔银爆速为1.20 km/s，乙炔银按下式分解：

Ag2C2 → 2Ag+2C+357.6 kJ

银的沸点为2435 K，碳的沸点为4100 K。考虑到爆温的计算既困难又容易出现较大误差，因此采用类比法显然是更简便的方法。类比的物质为叠氮化银，两者的结构与分解方式都十分接近。测量得到叠氮化银的分解产物温度约3200 K^[8]，叠氮化银爆热为2074 kJ/kg，较乙炔银的爆热1491 kJ/kg高出许多。但是叠氮化银分解产生具有较高热容的氮气，在高温条件下氮气的热容约为气态碳的1.7倍。而气态银的热容受温度的影响较小，综合的看乙炔银的爆温不会低于3000 K，这一温度大大超过了银的沸点，因此可以认为乙炔银的爆轰是生成了气态产物的。

2、类爆轰型混合物

根据Dolgoborodov^[9]的研究，Al/S混合物、Al/高氯酸钾、Al/聚四氟乙烯均可发生0.30~1.40 km/s的低速爆轰，最直接的证据就是测试装置底部的铝制验证板受到冲击出现凹痕。

图4 左：验证板上爆轰造成的凹痕；右：燃烧造成的痕迹

因为这类混合物均含有Al、Mg等高热值的金属，所以反应时能放出不逊于猛炸药的能量。同时生成了沸点相对较低的Al2S3、AlF3、KCl等产物。除了使用复杂的爆温计算法，宏观上这些物质可以对附近的物质抛掷做功，而这种强有力的做功只能凭借气体介质完成。反例则是一些延期药种类，虽然燃烧速度也可以很快，释放的热量也较高，但是几乎不生成气体，因此适合密闭条件下使用，避免因为压力变化造成燃速改变。

3、纳米铝热剂

虽然纳米铝热剂可以达到1.00 km/s以上的燃速^[10]，但是目前对纳米铝热剂研究还未发现爆轰现象，这很可能是由反应类型与生成高沸点产物综合造成的。铝热剂为固-固相反应，受限于接触面积影响，能量释放速率不如乙炔银等单质炸药在分子层面反应放能快；其次铝热反应生成金属单质与氧化铝这类高沸点产物进一步增加了产生气体的困难。但是不应当排除未来发现可爆轰铝热剂的可能性。

表2 铝热剂产物沸点

三、实验

综合上述内容可以初步判断影响物质爆轰能力的关键是爆热，足够高的爆热可以汽化产物中的凝聚相，视作爆轰产生了气体。而化学结构则对爆轰的难易程度造成影响。为此设计了三项实验进行验证。

3.1 试验用主要原材料与仪器

高氯酸，70~72％，分析纯；硝酸，65~68％，分析纯；氯酸钾，含量99％，分析纯；400目片状铝粉，含量99%，工业品；3000目片状铝粉，含量99%，工业品；电子天平，精度值0.01g。

3.2 铝粉/高氯酸混合物

将高氯酸与400目铝粉按质量比2:1混合，不使用约束外壳时1 g混合物可被0.3 g手压高氯酸胺共晶盐（SA）起爆。扩大规模的30 g混合物爆轰实验中，在13 m外拍摄了120 fps视频，爆轰瞬间产生明亮的闪光以至于无法观测到火球的边界，火球维持了约40 ms。

图5 铝粉/高氯酸混合物爆轰形成的火球

高氯酸：铝2：1.mp4  点击下载

3.2 铝粉/硝酸混合物

将硝酸和400目铝粉按质量比2:1混合，使用10*8 mm的铁管为壳体，装药量2.5 g，使用0.3 g的SA起爆。根据壳体碎片可以判断混合物发生了爆轰。

图6 铝粉/硝酸混合物爆轰后装药壳体的碎片

3.3 铝粉/氯酸钾混合物

将15.5 g氯酸钾仔细研磨，称量3.5 g 400目铝粉和3.5 g 3000目铝粉，将三种组份放入塑料瓶内小心摇匀。

(A)将5.5 g混合物装入16*14 mm不锈钢管中，装药密度0.46 g/cm³。混合物顶部松装1 g高氯酸铵与3000目铝粉的混合物，使用0.3 g的SA起爆。该测试装置放入DN15（21.3*16.7 mm）镀锌钢管中增强约束，再埋入沙内以收集碎片，起爆后不锈钢管与镀锌钢管均从纵向开裂成一个整体，无碎片生成。

(B)将2 ml水加入8.5 g混合物内搅拌均匀，装入16*14 mm不锈钢管中，装药密度0.68 g/cm³。混合物顶部松装1 g高氯酸铵与3000目铝粉的混合物，使用0.3 g的SA起爆。该测试装置底部粘贴一块1 mm厚不锈钢验证板，再埋入沙内以收集碎片。起爆后验证板碎裂成四份且与钢管接触部位有穿孔痕迹，不锈钢管破裂成大块碎片。

图7 左侧为A组实验壳体，右侧为B组实验壳体与验证板

(C)1.5 g混合物装入12*7.5 mm不锈钢管中，装药密度0.68 g/cm³，使用0.3 g的SA起爆。该测试装置底部粘贴一块2 mm厚不锈钢验证板，再埋入沙内以收集碎片。起爆后验证板凹痕深2.7 mm，表面残留有大量坚硬的黑色残渣，不锈钢管未开裂，但底部内径扩张到9.5 mm。

图8 凹痕中心残留的坚硬黑色残渣

(D)将3.0 g混合物装入12*7.5 mm不锈钢管中，装药密度0.80 g/cm³，使用0.3 g的SA起爆。该测试装置底部设置一块2 mm厚不锈钢验证板，埋入沙内以收集碎片。起爆后验证板凹痕深3.3 mm，表面残留有大量坚硬的黑色残渣，不锈钢管未开裂，但多个部位出现膨胀。

图9 扩张的管壁

四、讨论

铝粉/高氯酸混合物与铝粉/硝酸混合物释放的热量极高，满足爆轰对能量的要求，将水视作钝化组份时，两者的爆容均较低。因此进行对比，以探讨氧化剂的化学结构对爆轰可能性的影响。实验结果表明二者均能发生爆轰，且视频显示混合物有着类似温压炸药的巨大火球。由于两种混合物都能发生爆轰，因此无法得到化学结构对爆轰可能性的影响，需要将酸进一步稀释，找出两种酸与铝混合物的爆轰浓度极限。这一内容将留待以后补充。

铝粉/高氯酸钾的起爆难度极大，因此选择更不稳定的氯酸钾作为氧化剂，以期获得可爆轰的实验材料。实验A与实验B参考自Binex液体炸药^[10]，将水引入混合物中参与反应生成气体，来对比典型气体对材料爆轰可能性的影响。实验A由于约束太强，且无验证板存在，因此无法判断混合物是否发生了爆轰；实验B改进为减小约束强度，并增加了验证板，起爆后的壳体碎片及验证板表明混合物可能发生了爆轰，为此设计了实验C和实验D。

实验C与实验D更换了更强的约束壳体与更厚的验证板，除控制密度与装药不同外其余测试条件一致。而爆速稳定所需距离在5倍装药直径以内，因此装药量的差异不会影响钢板炸坑数值。对比两组实验可以发现，装药密度从0.68 g/cm³增加到0.80 g/cm³后，不锈钢板上的凹痕深度也增大了0.7 mm，符合密度增大猛度也随之增大的爆轰特征，因此验证铝粉/氯酸钾这一不产生典型气体的混合物为可爆轰性材料。

图10 左侧为实验D造成的凹痕，右侧为实验C造成的凹痕

铝粉/氯酸钾混合物按下式反应：

KClO3+2Al=Al2O3+KCl+1493.3 kJ

查表^[11]获得4000 k条件下液态Al2O3和气态KCl的热容，计算得铝粉/氯酸钾混合物的爆温为6412 k，两者不符。根据液态Al2O3和气态KCl热容随温度升高而增大的趋势，说明4000 k的爆温计算值偏低。受限于数据库没有提供液态Al2O3大于4000 k的热容数值，所以无法获得详细爆温。但是这足以表明铝粉/氯酸钾混合物的爆轰产物是存在气态产物的，验证了爆轰反应需要气态产物支持这一假设。

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