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炸药在热、光、电、机械、冲击波、辐射能等外界能量作用下可激发爆炸，那么外界作用是怎样激发炸药的？其化学物理过程的本质是怎样的？这是炸药起爆理论应该回答的问题。研究炸药的起爆机理及感度，对于炸药的安全储存、运输、加工处理，以及炸药的使用，都具有很重要的意义。因此，本章主要讨论炸药在外界作用下发生爆炸变化的原因及评价方法等相关问题。

炸药具有爆炸性能。在通常情况下，它能处于相对的稳定状态，也就是说，它不会自行发生爆炸。要是炸药发生爆炸，必须使炸药失去相对的稳定状态，即必须给炸药施加一定的外能作用。炸药在外界能量作用下发生爆炸变化过程称为炸药的起爆。外界的能量越大，炸药起爆越容易。通常外界能量有热能、电能、光能（激光能量）、机械能（撞击、摩擦）、辐射能（射线）、电磁波能等。我们把引起炸药爆炸变化的最小能量称为引爆冲能。它是度量引起爆炸变化的定量指标。

多种形式的外部能量都可以激起炸药起爆，但从工程爆破技术、作业安全和有效使用炸药的角度看，热能、爆炸能和机械能较有实际意义。

　　当炸药受到热或火焰的作用时，其局部温度将达到爆发点而引起爆炸。例如，火雷管起爆法就是利用导火索的火焰来引爆火雷管；电雷管起爆法则是利用电桥丝通电灼热引燃引火药头而引燃雷管，进而起爆炸药。

　　炸药在撞击或摩擦的作用下，炸药颗粒间产生强烈的相对运动，机械能瞬间转化为热能，从而引起炸药爆炸。但利用机械能起爆炸药既不方便也不安全，工程爆破中一般不采用。在运输和使用炸药时，必须注意机械作用可能引爆炸药的问题，以防爆炸事故发生。

　　工程爆破中常用一种炸药爆炸产生的强大能量来引爆另一种炸药。例如在实际爆破作业中最常见的是利用雷管或导爆索的爆炸来引爆炸药；其次是利用起爆药包的爆炸，引爆一些钝感炸药。

　　除了上述的热能、机械能和爆炸能外，光能、超声振动、粒子轰击、高频电磁波等也都可激起炸药爆炸，因此这些在爆破作业中都应引起注意和重视。

感度或敏感度（sensitivity）是度量炸药起爆难易程度的一个物理量，是指在外界能量作用下，炸药发生爆炸的难易程度。此处的“爆炸”的含义是不稳定爆轰、爆燃或DDT过程。若激发炸药爆炸所需的外界能量小，则炸药感度大，反之，若外界能量大，则炸药感度小。

在研究感度时，基本上是根据外界作用引爆冲能的不同形式将炸药的感度相应的分成若干类型，如热感度、火焰感度、静电感度、摩擦感度、撞击感度、冲击波感度、爆轰波感度、激光感度等。

炸药是一种处于相对稳定状态的物质，本身的能量水平比较高（如处于高位的小球），只有在一定的引爆冲能作用下，才会发生爆炸。有关炸药的稳定性和引爆能量之间的关系可用图5-1（左）的化学能栅图予以表示。在无外界能量激发时，炸药处在能栅图中I位置，此时炸药是处于相对稳定的平衡状态，其位能为E₁，当收到外界能量作用后，炸药被激发到状态II位置，此时炸药已吸收外界的作用能量，同时自身的位能跃迁到E₂，位能的增加量为E₁_，₂。如果E₁_，₂大于炸药分子发生爆炸反应所需的最小活化能，那么炸药便发生爆炸反应，同时释放出能量E₂_，₃，最后形成的爆炸产物处于状态III的位置。

事实上，炸药爆炸的能栅变化如同图5-1（右）中处在位置1放置一个小球，小球此时是处在相对稳定的状态，如果给它一个外力让其越过位置2，则小球就会立即滚到位置3，同时产生一定的动能。从能栅图还可以看出，外界作用所给的能量E₁_，₂既是炸药发生化学反应的活化能，又是外界用以激发炸药爆炸的最小引爆冲能，因此可以得出：E₁_，₂越小，该炸药的感度越大，炸药越易起爆；反之，E₁_，₂越大，则炸药的感度越小，炸药越难起爆。

炸药起爆的难易程度用“感度”这个物理量来度量，炸药起爆的难易受外界能量的种类、作用形式及自身状态等因素影响，炸药在某条件下容易起爆，并不代表它在其它条件下均容易起爆。炸药的起爆或炸药的感度体现出一定的选择性和相对性。

（1）外界能量种类：不同种类的外界能量引起爆炸变化的难易程度是不同的（选择性）。例如，TNT炸药和NaN₃炸药都是耐热性的，而TNT的机械感度低（<8%），NaN₃表现出强机械感度。

（2）外界能量的作用速率：一般情况下，外界能量的作用速率越快，炸药起爆越容易。如静压和快速加压，缓慢加热和迅速加热效果是不同的。

（3）装药条件：装药条件影响炸药的感度（如炸药的装药直径、装药密度等）。当炸药的尺寸<临界条件时，不足以使得炸药在热的条件下发生爆炸；当炸药的尺寸>临界条件时，才有热爆炸的可能。

（4）炸药的物理状态：不同物理状态的同种炸药起爆难易程度不同。如熔融态和固态，结晶状态和粉状体现的效果是不同的。

对工业炸药人们常将感度分为“实用感度”和“危险感度”，所谓“实用感度”是指“敏感性”，即在一定的起爆方式下，如果用它的最小起爆能量来起爆某种炸药时，该种炸药能顺利地起爆，不应该出现半爆或拒爆。对于炸药使用者来说，炸药具有适当的实用感度是很重要的，因为较高的实用感度可以减小炸药拒爆几率，有效的防止意外事故的发生。而“危险感度”是指“不安定性”，即在外界作用的能量低于炸药的最小起爆能时，炸药是安全的。低不安定性是人们对炸药的要求，特别是在炸药的制造、运输等过程中，即使受到了低于最小起爆能的机械或者其它形式的作用，炸药也应该是安全的，不会发生爆炸等意外事故。一般地说，不安定性高则意味着意外引爆的可能性大，而不安定性低则意味着意外引爆的可能性小。

掌握炸药的各种起爆机理，判别炸药对各种外界能量的感度，可以指导研究、生产、储存、运输、使用各个环节。如：定员定量、严禁烟火、轻拿轻放、电雷管脚线短路、抗静电处理、过筛、湿混等。

炸药在储存、运输、加工处理及使用过程中常会遇到不同的热源，如雷管中电热丝加热、炸药的烘干，装药前炸药的预热和熔化等。炸药在热源作用下能否发生爆炸？怎样发生爆炸？具备什么条件才能发生爆炸？热作用下发生爆炸同哪些因素有关？这些都与热爆炸机理有关。

热爆炸（thermal explosion）：凡是在单纯的热作用下，炸药在几何尺寸与温度相适应的时候能发生自动的不可控的爆炸现象均称热爆炸。热爆炸理论主要是研究炸药产生热爆炸的可能性、临界条件（温度、几何尺寸）和一旦满足了临界条件以后发生热爆炸的时间等问题。热爆炸的临界条件就是指在单纯的热作用下，能够引起炸药自动发生爆炸的那些最低条件。

炸药在热作用下发生爆炸的理论探索是从爆炸气体混合物热爆炸问题的研究开始的。H.H.谢苗诺夫建立了混合气体的热自动点火的热爆炸理论。这一理论的基本观点是，在一定条件（温度、压力及其它条件）下，若反应放出的热量大于热传导所散失的热量，就能使混合气体发生热积累，从而使反应自动加速，最后导致爆炸。

弗兰克-卡曼涅斯基发展了定常热爆炸理论，这一理论进一步考虑了温度在反应混合气体中的空间分布。

莱第尔、罗伯逊将热爆炸理论应用于凝聚炸药的起爆研究中，提出了热点学说。这一学说揭示了撞击、摩擦、发射惯性力等机械作用下炸药激发爆炸的机理和物理本质。

布登、约夫等把热爆炸理论进一步扩展到起爆药的起爆研究中，并对热爆炸的临界条件的某些参数进行了计算。

就研究内容而言，热爆炸理论可分为定常热爆炸和非定常热爆炸理论。这里定常与非定常都是指温度与时间的关系而言，即炸药温度是否随时间变化。定常热爆炸理论研究的重点是发生热爆炸的条件，而非定常热爆炸理论则是重点研究具备热爆炸条件后，过程发展的速度。

定常热爆炸理论又分为两种情况，即均匀温度分布和不均匀温度分布。均温分布是指容器中炸药各处温度均相等。而不均温分布，则指的是炸药各处温度有一分布，中部温度最高，壁面处温度最低。图5-2所示为炸药温度分布的三种典型情况。其中图（a）表示炸药温度T既随位置r变化，又随时间t而变；图（b）表示炸药温度只随位置变化而与时间t无关，属于温度定常分布的一种；图（c）是温度定常均与分布情况，是三者中最简单的情况。下面讨论这种最简单的情况，进而推广到图（b）的情况。

谢苗诺夫在如下三点假设下，建立了均温分布定常热爆炸的热平衡方程式，进而确定了热爆炸的临界条件：

①炸药各处温度相同，就是说炸药的里层和外层不存在温度差。这一假定适于研究薄层炸药的热爆炸，如铝盘中炸药的烘干过程，可以认为盘中炸药各处温度是均匀的。

③炸药达到爆炸时的炸药温度T大于T₀，但两者差值（T-T₀）不大。

首先，炸药在温度T时单位时间内，由于发生化学反应而放出的热量Q₁取决于化学反应速度W（g/s）及单位质量炸药反应后所放出的热量q（J/g），即：

按照化学反应动力学，一级反应（炸药的热分解过程假定属于此种类型），在开始反应时的速度为：

上式中Z为频率因子，它与分子的碰撞概率有关；E为炸药的活化能；m为炸药量；R为气体常数。

与炸药发生化学反应的同时，单位时间内因热传导而散失环境的热量Q₂为：

上式中的K为传导系数（J/ ℃.s）；T为炸药温度；T₀为环境温度。

可想而知，只有当单位时间内炸药反应放出的热量Q₁大于散失给环境的热量Q₂时，炸药中才有可能产生热的积累，而只有炸药中发生了热积累，才可能使炸药温度T不断升高，引起炸药反应速度加快，进而最后导致炸药爆炸。故炸药爆炸的临界条件之一必须满足：

然而，达到热平衡只是爆炸的一个条件，要达到爆炸尚必须满足另一个条件，即放热量随温度的变化率超过散热量随温度的变化率，只有这样才能引起炸药的自动加速反应。所以爆炸的第二个条件为：

令，这里称为无因次温度。显然，当无因次温度时，炸药就可能发生热爆炸，当时，炸药不可能发生热爆炸。（2-10）式还可用来估计在环境温度T₀时，炸药达到爆炸必须具备的温度T₀。例如，黑索金炸药在T₀=277℃（550K）时发生爆炸，根据黑索金的活化能E=209275J/g分子，则它达到爆炸时的临界温度条件，按（2-10）式可得：

由此可知，环境温度T₀=277℃时，若炸药发生爆炸，则此时炸药温度为289℃。

上式中称为拉普拉斯算子；为散失给环境的热量（为导热系数）；为炸药化学反应所放出的热。

如果导热过程只与一维空间有关，并把x（距容器中心的距离）转化为无因子量（这里r为容器的半径），则：

上式中l是常数，对于无限大平板状容器l=0，对于圆柱形容器l=1，而对于球形容器l=2。

卡曼涅斯基曾对三种情况解出了（5-13）式，所得热爆炸临界条件列于表5-1中。表中和为和的临界值。如果系统的，，则炸药就会发生爆炸。

容器形状
无限大平板容器	0	0.88	1.19
圆柱形容器	1	2.00	1.39
球形容器	2	3.22	1.61

在坐标系内，为一条指数曲线，如图5-3所示，我们称这条曲线为得热线，而散热量在坐标系中为一斜线，其斜率为，如图5-4所示，我们称它为失热线。

失热线上的每一点的横坐标代表炸药的温度T，纵坐标代表相应的散热量。失热线和T轴的交点表示炸药的温度和环境温度T₀相等，失热量Q₂为零。失热线与Q轴的交点表示炸药温度T=0K时环境传给炸药的热量（如图5-4中等所示）。显然，T轴以下失热线上各点所确定的炸药温度T都低于环境温度T₀，此时环境对炸药加热。

从得热与失热关系容易看出，炸药热爆炸特性与炸药的活化能、炸药的分解反应热、炸药的热传导系数和热容、有效的加热面积及炸药的质量等因素有关。

下面来分析得热线与失热线的关系。将得热线与失热线画在同一个Q~T坐标系内（见图5-5），而后分三种可能情况进行讨论分析。

①环境温度为T₀₁时，由图5-5（a）可看到，直线和曲线有交点A，在A点左边，Q₁>Q₂，得热大于失热，使炸药温度升高，升高到A点时Q₁=Q₂，在A点右边，Q₂>Q₁，失热大于得热，使炸药温度降低，又回到A点。

所以，当介质温度较低时，炸药温度维持在T_A，反应稳定地、缓慢地进行，不会自动加快，A点叫稳定平衡点。

②环境温度为T₀₃时，由图5-5（b）可看到，曲线在直线的上方，在这种情况下，因环境温度T₀₃很高，炸药在任何温度下，得热总是大于失热，炸药温度不断升高，最终导致爆炸。

③环境温度为T₀₂时，由图5-5（c）可看到，曲线与直线相切，在切点C上，有Q₁=Q₂，而在C点以下和C点以上都是Q₁>Q₂。在C点的左边，有Q₁>Q₂，此时得热大于失热，温度升高，很快达到C点。在C点处，只需热量稍微增加一点，就会达到C点的右边，于是Q₁>Q₂，得热大于失热，炸药温度迅速升高，最后导致爆炸，所以称C点为不稳定平衡点。

环境温度T₀₂是量变到质变的数量界限，环境温度低于T₀₂时，得热与失热线线相交，炸药将处于交点的温度，进行稳定地、缓慢地反应，不会导致爆炸。而当环境温度大于T₀₂时，曲线将在直线上，得热大于失热，反应将自行加快，最后导致爆炸。T₀₂是炸药能够导致爆炸的最低环境温度，我们称T₀₂为炸药的爆发点。

所以，爆发点就是炸药在热作用下，其反应能自行加速而导致爆炸的最低环境温度。

应当指出，炸药的爆发点并不是爆发瞬间炸药的温度。爆发瞬间炸药的温度为T_C（见图5-5（c）），爆发点是炸药分解自行加速开始时环境的温度，即为T₀₂。从开始自行加速到爆炸要有一定的时间，称为爆发延滞期。在实验测定时，延滞期取5min或5s为标准，以便比较。

爆发点不是炸药的物理常数，因为它不仅与炸药性质有关，而且与介质的传热条件有关。如将测爆发点的铜壳改成铁壳或玻璃壳，炸药的爆发点就会明显的改变。对于同一炸药在相同的介质温度T₀下，介质传热系数不同，若（或），如图5-6所示，在介质传热系数较小（）时，T₀高于炸药的爆发点，反之，在介质传热系数较大（）时，T₀低于炸药的爆发点。因为时，曲线与相交，T₀低于爆发点；时，曲线与相切，T₀是爆发点；时，曲线 > ，T₀高于爆发点。

由此可见，散热条件不同，爆发点也会变化。所以，如果炸药仓库通风条件不好，炸药可能在较低温度下发生爆炸。

炸药药量对爆发点也有一定的影响（如图5-7所示）。当药量增大时，单位时间内反应放出的热量增大，所以药量大的曲线1在药量小的曲线2的上面。因此，药量大，爆发点就低。

由此可见，爆发点是易受各种物理因素影响的一个量。为了比较不同炸药的热感度，在测定爆发点时，必须固定一个标准实验条件，例如，采用同一种仪器、同一管壳，插到合金浴中同一深度（2.5cm），用同一药量（0.05g）等。

从上面讨论可以看出，很多炸药在热作用下发生爆炸是单纯的热机理，符合简单反应动力学热爆炸规律，但不少炸药如叠氮化钡、雷汞、梯恩梯和硝化甘油等在热作用下发生爆炸的机理是自催化热爆炸。所谓自催化热爆炸是指足够量的炸药，其反应速度随着某一产物浓度的增大而增大，在反应速度增长到最大值前，系统中放热速度大于散热速度，这是反应的自动加速由自催化作用和热作用共同决定，导致自动加速作用更激烈而导致爆炸。

有些炸药在受热作用具有链锁反应的特征，尤其是某些气体混合物，进行链锁反应，链分支大于链中断，即使温度不再升高，也会自动加速，出现等温链锁爆炸。如果炸药受热后不仅进行链锁反应，而且反应放热，随着温度的升高，链锁分支中断，活化中心的数目在短时间内增加得很快，反应会自动加速，从而出现链锁热爆炸。

热爆炸理论虽然是从气体爆炸理论引出来的，但这些基本点也适用于凝聚炸药热爆炸的情况。