利用爆轰波合成TiC的探讨.pdf

第5 8 卷第4 期 2 006 年I1 月 有色金属 N o n f e r Y O U SM e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N o ．4 N o v e m b e r2 0 06 利用爆轰波合成T i C 的探讨 贾丽改，熊代余 北京矿冶研究总院，北京 10 0 0 4 4 摘．要研究爆轰波条件下合成T i C 等碳化物陶瓷粉末的过程。改变炸药爆轰瞬问的周围介反、炸药种类、合成反应混合粉 末种类等条件的试验结果表明，利用炸药爆轰反应条件直接合成T i C 等碳化物超细陶瓷粉末是难以实现的。 关键词材料加工与合成；T i C ；爆轰波；乳化炸药 中图分类号0 6 1 1 ．4 ；0 6 1 4 ．4 1 ；0 6 4 3 ．2 ；T D 2 3 5 ．2 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 i 一0 2 1 1 2 0 0 6 0 4 0 0 1 9 一0 3 在炸药爆轰波作用下，单一或混合猛炸药体系 中的外加C 源或爆轰产物中的游离C 发生相变，可 以利用炸药爆轰波方法制备金刚石粉末。试验结果 表明C 1 ] ，将单质B 加入炸药中，利用爆轰波作用成 功合成了B 2 0 3 ，B N 和B 4 C 等产物，将Z n O 和S i 0 2 混合粉末直接添加到炸药中，成功合成了Z 迎S i 0 4 。 利用乳化炸药爆炸产生的冲击波方法合成T i C 已 经实现[ 2 】。作为对比来研究炸药爆轰波方法能否 合成T i C ，探索利用制备工艺简单、成本相对低廉的 乳化炸药制备T i C 等碳化物粉末陶瓷材料的经济、 实用的工艺技术。 I实验方法 1 ．1 样品准备 试验样品采用粒度7 4 ／卫m 、纯度9 9 ．9 ％的T i S i 粉，碳源采用活性碳，粒度为4 5 ／- m ，纯度为 9 9 ％。两种粉末按化学计量比混合后，放入球磨罐， 按3 1 的球料比球磨3 h ，取出备用。 所用炸药为E L - 1 0 2 乳化炸药。制备过程为 先按配方称量好水相、油相各组分，再将水相，油相 加热熔解后，把水相缓慢加入油相，伴以均匀搅拌， 使其乳化形成乳胶基质，待乳胶温度降至大约 6 0 ℃，加入发泡剂及T i 和C 混合粉末 1 0 ％ ，充分 搅拌，随后装进小药卷。 I ．2 试验步骤 将准备好的药柱悬挂在直径约l m 爆炸罐的中 心位置，用雷管引爆。每次试验连续引爆3 ～4 管药 柱，待爆轰气体产物充分排放后，用水冲刷爆炸罐内 收稿日期2 0 0 6 0 7 2 6 作者简介贾丽改 1 9 7 2 一 ，女，山西万荣县人，工程师，硕士，主要 从事乳化炸药生产技术等方面的研究。 壁，收集冲刷后的混合液，然后放置沉淀1 2 h 以上， 待其充分沉淀后，吸去上面的清液，取出下层沉淀 物，放进烘箱，等到完全干燥后，研磨，过筛。最后取 筛下物作x 射线衍射分析。 1 ．3 炸药爆速的测定 为考察T i 和C 混合粉末的加入对E L - 1 0 2 乳 化炸药爆轰性能的影响，通过试验测定了添加T i 和 C 混合粉末后炸药的爆速。 E L ．1 0 2 型乳化炸药的爆速一般在4 5 0 0 m ／s 左 右【2J ，当添加了1 0 ％的T i 和C 粉末混合物时，取三 管炸药作平行试验，测定炸药的爆速，结果见表1 。 表1 添加T i 和C 粉末混合物后炸药的爆速 T a b l e1D e t o n a t i o nv e l o c i t yo fe x p b s i v e sa d d i n gt o t i t a n i u ma n dc a r b o np o w d e r s 从表1 可以看出，与乳化炸药的正常爆速相比， 添加T i 和C 粉末混合物后对乳化炸药的爆速影响 很小，这表明向炸药中添加适量反应粉末混合物基 本不会影响炸药的爆轰性能。 2 试验结果与讨论 通过改变炸药爆轰瞬间的周围介质、炸药种类、 合成反应混合粉末种类等条件，分别进行了爆轰波 方法合成T i C 等碳化物陶瓷粉末的探讨试验。 2 ．1 不同炸药爆轰瞬间周围介质条件的试验结果 试验采用两种条件，一种是将药卷悬空在充满 空气的爆炸罐中引爆，另一种是先将药卷放在充满 水的塑料袋里，然后放人有空气的爆炸罐中引爆，分 别收集反应釜中的固体爆轰产物。两种条件下均收 集到了外观呈灰黑色的粉末状爆轰产物，分别做了 万方数据 2 0有色金属第5 8 卷 X 射线衍射分析。 两种条件下反应产物的X 射线衍射谱图如图1 所示。从图1 可以看出，两种条件下均没有T i C 的 峰值出现，表明T i 粉与C 粉未发生反应，且产物基 本相同，为比较复杂的混合物，其中主要是一些钛的 氧化物，而且形成的晶型不太好，而碳未参与反应。 据此可以推论，在炸药爆轰反应的高温、高压条件 下，外加T i 和C 混合粉末中的T i 将优先与O 而不 是与C 发生反应。 爆轰瞬间炸药周围的不同介质条件的试验结果 表明，爆轰反应生成的T i 的各种氧化物是T i 直接 与乳化炸药爆轰产物中的O 发生反应，而不是与外 界的氧发生反应生成的。 图1 爆炸瞬间周围介质为空气和水反应后 产物的x 射线衍射图谱 F i g ．1X r a yd i f f r a c t i o np a t t e r no fr e a c t i o np r o d u c t i o n i nw a t e ra n dt h ea i r 2 ．2 不同混合粉末种类的试验结果 由上面的试验结果可以看出，E L ．1 0 2 乳化炸药 爆炸产生的爆轰波并未使T i 和C 发生反应。考虑 到T i 与C 的反应是高放热反应，作为对比，另外选 取反应为弱放热的S i 和C 反应为例研究乳化炸药 爆炸对不同混合粉末作用的结果。 试验中，首先将S i 和C 粉末混合物加入到E L - 1 0 2 乳化炸药中，制备方式如前。然后将药卷放人 装有水的塑料袋中，在爆炸罐中引爆，以后的试验步 骤及反应物的处理与T i 和C 混合物相同。 图2 是对反应产物所作的x 射线衍射分析结 果。从图2 知道，S i 并未发生反应，保持其单质形 式，C 由于是非晶态的，所以没有衍射峰的出现。 由于S i 与C 的反应是弱放热反应，所以反应的 发生相比于T i 与C 的反应需要更高的条件。从以 上的结果分析可以‘推知，直接利用乳化炸药的爆轰 反应条件，很难实现T i C 等碳化物超细陶瓷粉末的 合成。 赵 嗡 ‰ ‰小幽时 、． 、- 一_蚋M 味k ～一k 忡。即，6 ． 嚣‘丘t 墨E 骷■；■曩若电■‘■■，i ，，} ，，f ，，寮m a ‘m ■‘a E ■■i ‘■■‘■船P } ，， 擘■F P ，B j ■窨‘t ■‘日j 2 0 ／ 。 图2S i 与c 反应后产物的x 射线衍射图谱 F i g ．2X r a yd i f f r a c t i o np a t t e r no fr e a c t i o np r o d u c t o fs i l i c o na n dc a r b o n 2 ．3 不同炸药种类的试验结果 基于前述试验结果，为验证炸药爆压的影响，改 变炸药种类，进一步探讨炸药爆轰波方法直接合成 T i C 的可能性。 采用爆速和爆热都大于E L - 1 0 2 乳化炸药的 5 0 ％T N T 和5 0 ％黑索金混合炸药，在T N T 和黑索 金全部熔化后加入1 0 ％的T i 和C 粉，混合均匀，然 后浇铸成药柱，其后的试验步骤，过程和反应物的处 理与前面的试验相同。 图3 是最后反应产物的X 射线衍射图。可以 看出，并没有T i C 的峰出现，产物是比较复杂的混 合物，其中有T i 的氧化物，还有c 的晶态金刚石。 金刚石形成可能是在爆炸过程中，游离态的碳转化 为金刚石，这种发现已有相关资料报道【3J 。 尽管采用了具有更高能量的T N T 混合炸药， 而T i 与C 还是没有反应，这说明将T i 和C 粉末混 合物直接加入到炸药的条件下，二者很难发生反应。 据此初步推论，利用炸药爆轰反应条件直接合成 T i C 等碳化物超细陶瓷粉末。是难以实现的。前面 已经提及，利用炸药爆轰波作用合成化合物的化学 反应过程一般小于1 0 ～S ，所以对此的可能解释是 反应作用时间太短，二者不能发生反应。这还有待 进一步探讨。 万方数据 第4 期贾丽改等利用爆轰波合成T i C 的探讨2 1 1 息鬲嚣≈￡铅葛￡吊鼯吊芾带；R 不{ ；；篇鬲帛帛芋；笋字f 字字芋字孚昂而碟景吝器寮￡景曩昂；瑞墨五扭盅 2 0 1 o 图3以T N T 作为能量源爆炸后的反应产物 X 射线衍射图谱 F i g ．3X r a yd i f f r a c t i o np a t t e r no fr e a c t i o n w i t hT N Ta se n e r g ys o u r c e 参考文献 3结论 将占炸药质量1 0 ％的T i 和C 混合粉末加入到 E L 一1 0 2 乳化炸药中，爆炸后的产物主要为T i 的各 种氧化物。在炸药爆轰反应的高温、高压条件下，外 加T i 和C 混合粉末中的T i 将优先与O 而不是与C 发生反应，爆轰反应生成的T i 的各种氧化物是T i 直接与乳化炸药爆轰产物中的O 发生反应，而不是 与外界的氧发生反应生成的。将E L ．1 0 2 乳化炸药 改变为猛炸药R D X T N T ，尽管炸药爆压等爆轰参 数得到提高，T i 和C 混合粉末仍很难直接发生反应 生成T i C 。据此推论利用炸药爆轰反应条件直接合 成T i C 等碳化物超细陶瓷粉末，是难以实现的。 [ 1 ] B a t s a n o vSS ．E f f e c t so fe x p l o s i o n so nm a t e r i a l s M o d i f i c a t i o na n ds y n t h e s i su n d e rh i g h ．p r e s s u r es h o c kc o m p r e s s i o n [ M ] ．N e w Y o r k S p r i n g r V e r l a g ，1 9 9 4 ． [ 2 ] 贾丽改，熊代余．冲击波方法合成T i C 的影响因素[ J ] ．有色金属，2 0 0 2 ，5 4 4 1 5 ． 。 [ 3 ] 章士逊，崔安娜，郭素云，等．E L 系列乳化油炸药的研制报告[ R ] ．北京北京矿冶研究总院，1 9 7 9 1 3 ． [ 4 ] 恽寿榕，陈权，马峰，等．马赫反射效应在炸药爆轰合成金刚石中的应用[ J ] ．高压物理学报，1 9 9 7 ，1 1 2 1 1 0 ． I n v e s t i g a t i o no nS y n t h e s i so fT i t a n i u mC a r b i d eb yD e t o n a t i o nW a v e n AL i g a i ，X I O N GD a i y u B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t T h es y n t h e s i sp r o c e s so ft i t a n i u mc a r b i d ew i t ht h ed e t o n a t i o nw a v ei si n v e s t i g a t e d ．T h er e s u l t sw i t h t h e v a r i a t i o n sO fr e a c t i o nm e d i a ，e x p l o s i v e st y p e sa n dr a wm a t e r i a l sS Oo ni n d i c a t et h a tt h ec e r a m i cc a r b o n i z a t i o nm a t e r i a l ss u c ha st i t a n i u mc a r b i d ea r eh a r d l ys y n t h e s i z e db yt h ed e t o n a t i o nw a v ec o n d i t i o n ． K e y w o r d s m a t e r i a lw o r k i n ga n ds y n t h e s i s ；t i t a n i u mc a r b i d e ；d e t o n a t i o nw a v e ，e m u l s i o ne x p l o s i v e s 万方数据