JPS598416B2 - 凝縮系物質の衝撃処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は火薬類又は爆薬の爆発を利用し、固体、液体等
の凝縮系物質を衝撃処理する装置の改良に関する。

従来、爆発衝撃を利用する、物質の合成、粉体の固化・
金属の圧着等の技術は知られており、グラファイトから
のダイヤモンドの合成に代表されるように、その一部は
工業化されている。

この場合、爆発ガスにより駆動された金属板等の高速飛
翔体を得て、これを試料に衝突させる方法が、より高い
衝撃圧力が得られるため有利であることが知られている
。

この場合、爆発による飛翔体の飛翔速度を大きくして、
試料内に発生する衝撃圧を高くシ、且つ衝撃持続時間を
長くすることが処理効果を高める上で望ましい。

これは、爆速の大きい且つ性能の良い爆薬を多量に用い
ることにより達成できるが、そのような爆薬は高価であ
り、大量使用するとなると経済性の点で大きな問題とな
る。

本発明は低コストで超高圧の効果的な衝撃圧縮を行い得
る装置を提供することを目的とするものであり、この目
的を達成すべく、本発明によれば、軸方向に延びる凝縮
系物質に対し平行且つ間隙をもって設置した飛翔部材の
反対面に主爆薬層と、主爆薬層よりも爆速の大きい副爆
薬層を順次積層するとともに、該副爆薬層の一端部に起
爆部を設けたことを特徴とする凝縮系物質の衝撃処理装
置が提供される。

本発明を次に図面により詳細に説明する。

第１図は本発明による衝撃圧縮処理装置の一実施例を立
面断面で示した説明図であって、図中、１は圧縮処理す
べき、液体又は固体の凝縮系物質の試料であって、円筒
状の金属容器２内に収容されている。

符号３，４で示すのは容器２の栓である。容器２と同心
的に円筒状の飛翔部材５が間隙６をもって設置されてい
る。

飛翔部材５の外周面には主爆薬層９が設けられており、
この爆発力により飛翔部材５は容器に向って高速で飛翔
、衝突し、内部の試料１を衝撃圧縮させる。

２８は、主爆薬層９の外周面に設けられた副爆薬層であ
って、主爆薬層９の爆速よりも大きい爆速を有するもの
である。

副爆薬層２８は、上端部に設けた、雷管１１及び起爆薬
層１０からなる起爆部により起爆し、上端から下端に向
って連続的に爆発する。

この副爆薬層２８の爆発により主爆薬９も上端から下端
に向って連続的に起爆する。

起爆薬層１０の爆発により主爆薬９が直接誘爆されるの
を防ぐために、主爆薬層９と起爆薬層１０との間には木
板などの隔離板２９が挿設されている。

２１〜２６は容器２の両端部に設けた容器破損防止手段
であり、その作用は後述する。

なお、この破損防止手段は省略することもできる。

第２図は、第１図の装置による衝撃処理進行中の概念図
であって、この図により副爆薬層２８の作用を説明する
。

いま、副爆薬層２８及び主爆薬層９の爆速をそれぞれＤ
１及びＤ２とすると、主爆薬層９による爆轟波面Ｚは、
飛翔部材５に対し角度θをもって進行する。

この時θはθ−ｓ’ｎ −’ （ Ｄ２／ ＤＩ ）
−・（１）で表わされ、Ｄ１〉Ｄ２である
ため、θは９０°より小さ，くなる。

即ち、爆轟波面Ｚは、本発明の場合、飛翔部材に対し９
０°より小さい一定の角度を構成して形成される。

一般に、爆轟波面とこれにより加速される物体との構成
する角度が小さいほど、加速の効率はよくなり、より高
速の飛翔物体が得られる。

通常使用されている爆薬の爆速値は２〜９ｋｍ／秒であ
り、従って、上記（１）式よりθは約１３°以上９０°
未満となる。

このように、主爆薬層９の爆速より大きい爆速を示す副
爆薬層２８を設けたことにより、主爆薬層９の爆発エネ
ルギーを効率よく飛翔部材５の運動エネルギーに変換す
ることが可能となる。

さらに、飛翔部材５が容器２に衝突すると、衝突点から
容器を通って試料１内にその中心軸に向う斜めの衝撃波
が発生し、中心軸で衝突してより圧力の高い反射衝撃波
が発生し、中心軸から外側へ向って進行する。

衝撃波面Ｙの下方への進行速度は定常な状態では副爆薬
層の爆速Ｄ１と等しくなる故、Ｄ１が十分大きければ主
爆薬層９の爆速Ｄ２が小さくとも容器２の音速よりも大
きい衝撃波面Ｐの移動速度を得ることができ、超高圧の
圧縮処理が可能となる。

θが９０°に近い場合、すなわちＤ２がＤ１とほぼ等し
い場合、爆轟波面Ｚは球面波となり均一な圧縮処理を施
すことが困難となる。

すなわち、第３図に示すように、ＯＡ，ＱＳが各々副爆
薬層２８、飛翔部材５の位置とし、ＯＱが主爆薬層９の
最上面を示すものとすると、６点で起爆された主爆薬の
爆発がＱに到達する間に、Ａ点まで副爆薬２８の爆発が
進行する。

ここで線分ＯＡとＯＱの長さ，の比が爆速Ｄ， ， Ｄ
２の比に等しい。

０を中心とし半径ＯＱの円弧を得て、これにＡ点より接
線ＡＲを引き接点をＲとすると、直線ＡＲ及び円弧ＲＱ
が主爆薬中の爆轟波面を示し、かつ角度ＯＡＲ（これは
角度ＲＯＱに等しい）。

をθとするとθは式（１）を満たす。

直線ＯＲを延長し直線ＱＳとの交点をＴとすると、結局
、ＱＴ間には円状（実際は球面状）の爆轟波が、Ｔより
下方ではθの角度を有す爆轟波が到達することになり、
Ｔ点より下方の飛翔部材は一様に加速される。

主爆薬の横方向の厚さは、ＯＱで示されるゆえ結局ＱＴ
は次式で示す ＱＴ＝ＯＱ−諭θ ・・・・・・（２
）従ってθが９０°に近くなると、即ち、Ｄ１がＤ２と
等しい値をとるようになると、球面状の爆轟波が飛翔部
材に衝突する割合が大きくなり、飛翔部材に一様な加速
を与えることができず、均一な衝撃圧゜縮処理を行うこ
とが困難となる。

第１図の装置においては、前述したように、得られる爆
薬の制限上、（ｌ）式で与えられる角度θは約１３°が
限界となる。

第４図に示される装置は、爆轟波面と飛翔部材との為す
角度θを更に小さくし、場合によってはこれを０とする
ことが可能なような装置を示したものであり、図中第１
図と同一符号は同一部材、要素を示す。

第４図から容易に判断されるように、この実施例におい
ては、主爆薬層９はこれを起爆させるための起爆薬層１
０側の端部（即ち、図示の場合では上端部）から反対側
端部（即ち、下端部）に向って次第に一様に層厚を薄く
して形成されている。

このような主爆薬層９の周囲に形成された副爆薬層２８
の爆速Ｄ１は主爆薬層９の爆速よりも大きくされており
、主爆薬層の外面、即ち副爆薬層２８の傾斜角をδとす
ると、主爆薬層９の爆轟波面と飛翔部材５との為す角度
θは次式で表される。

θ一δ一ｃｏｓ”−’ （ Ｄ２／ Ｄ１）
・・・・・・（３）従って、ＣＯＳδの値がＤ２／ＤＩ
に等しい時、θは０となる。

即ち、たとえば、副爆薬２８として、主爆薬９の２倍の
爆速を有するものを使用する場合、δを６０°とすれば
θを０とすることができる。

試料中に極めて高い圧力を発生する場合には、試料中に
最初に入射する衝撃波を出来るだけ強いものとし、かつ
中心軸での衝突角をなるべく小さくすれば、マツハ衝撃
波が発生しないで反射衝撃波のみで、ほぼ試料全体を均
一に圧縮できる。

本発明の場合、これは飛翔部材９の容器２への衝突角度
を十分小さくすることにより、したがって、主爆薬の爆
轟波面と飛翔部材９とが構成する角度θを十分小さくす
ることにより可能となり、特にθが零の時試料は完全に
円筒状に収縮する衝撃圧縮を受けることになる。

同筒状に収縮する衝撃波は収縮とともに圧力が増大し、
中心では無限に近い超高圧となる。

収縮衝撃波の強さは例えばソモンの方法（フイジクス
オブ ハイエナジーデンシティ アカデミックプレス社
１９７１年刊）により、推定できるが、半径が〆。

以下になると、凝縮系物質では圧力が数倍程度増巾する
ゆえ、この場合横方向のなるべく均一な圧縮を必要とす
るならば、第５図に示すように、試料内に試料と衝撃イ
ンピーダンスの類似した物質より出来た棒３１を中心部
におけば良い。

この場合棒の径を試料径の少くとも％程度とするのがよ
い。

一方極度の高圧は中心部付近で達成されるので、逆に第
５図の棒３１の部分に試料を、試料１の部分に試料と衝
撃インピーダンスの類似した物質を配置して超高圧処理
を行うことができる。

以上に述べた本発明の装置における各部分について次に
説明する。

起爆薬層１０の爆薬としては、円板状のものが通常使用
され、その種類には特に制限は無いが、なるべく爆発伝
播限界薬厚の小さいものの使用が薬量を少くすることが
できるため好ましい。

副爆薬層２８の層厚は通常１０ｍｍ以下とするのが良く
、その薬種としては、爆速か５．５ｋｍ７秒以上で、爆
発伝播限界薬厚の小さいものを用いることが好ましい。

このようなものの例としては、ベントリフト又はヘキソ
ーゲン等のような高性能爆薬の微粉末をシリコンゴム、
ウレタンゴムのような重合プラスチック樹脂類に混合、
成型したものを挙げることができる。

また、液状爆薬の使用も可能である。

主爆薬層９の薬厚としては通常１０７１ｍ以上（第４図
の実施例の場合には、下端の薄層側における薬厚）とす
るのが良く、その種類としては、用いる副爆薬の爆速よ
り小さいものであれば任意であり、アンホ爆薬、ダイナ
マイト類、含水爆薬等の一般産業用の爆薬も使用できる
。

隔離部材２９としては木材の他、プラスチック、せつこ
う、砂、紙等を適用することができる。

飛翔部材５の材質は特に制限はないが、経済性及び加工
性からみて、スチール又は真鍮が好ましＧ）。

また飛翔部材５の肉厚は爆発による飛翔部材５の飛翔速
度を決定する要因であって、実用上は、少なくとも０．
５ｍｍ以上とするのが好ましい。

試料容器２及びその栓３，４はなるべく強度の大きい金
属で構成されることが好ましく、実用上、ステンレス等
の高張力鋼材が望ましい。

容器２の肉厚は破損防止の点からは厚い方が好ましいが
、容器の変形に消費される衝撃エネルギーが多くなり、
それだけ試料の処理効果が減じられるので、この点から
は薄いのが好ましいが、本発明においてはステンレス容
器の場合、１〜１０′／ｎ７１Ｌ程度の肉厚があれば十
分である。

金属栓は、形状が試料に対して、平滑なものよりか、第
１図に示すように凸型、あるいは凹型の形状をもたせた
方が、容器の破断防止に効果的であり、また容器本体と
接する部分がなるべく多くなるようなねじこみ式構造と
するのが好ましい。

飛翔部材５と容器２間の間隙６は、横方向（試料の軸方
向に直交する方向）の巾として主爆薬９の横方向厚みの
少なくとも％以上とするのが良い。

第１及び４図において、符号２１〜２６で示すのは、容
器２の両端に設けた容器破断防止手段である。

すなわち、爆発により飛翔体を試料に対して衝突させて
圧縮処理を行う場合、この飛翔体の衝突により容器２の
上部は上方向へ、その他は全体として下方向へと移動し
ようとし、その結果容器の上及び下部、特に試料１と栓
３，４が接する近傍で容器の破断が生じ易く、試料が散
逸損失するという問題がある。

本発明の如く、超高圧な衝撃圧縮を行う場合にはこの容
器の破断に対処することが特に望まれるが、この破断防
止は、容器２の両端部に飛翔部材の衝突により爆発する
減速用爆薬層を設け、該飛翔部材の衝突による該容器の
該他端部側方向への移動速度を減じるようにしたことに
より達成できる。

２１．２２は容器破損防止用の減速用爆薬層であり、図
示のように、衝撃波減衰板２３ ．２４及び２５ ，２
６にそれぞれサンドインチ状にはさんで使用するのが好
ましい。

爆薬層２Ｌ２２に用いる爆薬の薬種に関しては特に制限
はないが、低速爆轟性のもの、死圧現象を呈しやすいも
の、あるいは、衝撃で爆性が急速に変化しやすいものの
使用はなるべく避け起爆性が良好かつ爆発伝播限界薬厚
のなるべく小さなものが好ましく、このようなものとし
て、ベントリフト、ヘキソーゲンテトリル等の高性能爆
薬単体、これらの混合物、又はこれらの高性能爆薬の粉
体をパラフィン、みつろう、あるいはシリコンゴムやブ
タジエンゴム等で成型処理したもののほか、ニトロメタ
ン、硝酸及びこれらに可溶な可燃性物質からなる溶液な
どの液体爆薬を例挙することができる。

液状の減速用爆薬の場合は、薄肉の容器に入れて使用す
るが、固体状の場合も裸薬でなく、側面を塩化ビニル管
等で囲って使用しても良い。

爆薬層２１．２２の形状は通常、板状とするのが良く、
試料容器２と概略同一な平面形状とするのが好ましい。

薬厚は爆発限界薬厚以上として使用する。

衝撃波減衰板２３．２４，２５，２６としては、その衝
撃インピーダンスが減速用爆薬となるべく類似したもの
の使用が好ましく、例えば、メタクリル等のプラスチッ
ク類、或は水、無機もしくは有機塩類の水溶液等が使用
される。

液体状物質を衝減波減衰用に適用する場合には、薄肉の
容器に封入して使用する。

衝撃波減衰板２３ ， ２４ ，２５．２６の形状は、
挾持する爆薬層２１．２２と略々同一平面形状を有し且
つ同一厚とするのが好ましい。

次に本発明による減速爆薬層２１．２２の作用について
説明する。

いま減速用爆薬層２１ ．２２が無いとすると、減衰板
２３，２４，２５．２６及び試料容器２への飛翔体５の
衝突により、容器の上部は上方向へそれ以外は下方向へ
全体として移動しようとする。

特に容器２の最下部は減衰板の下をプラスチック円板２
７とし、更にその下部を自由空間とした場合、自由面か
ら上方へ稀薄波が発生し容器全体の下方への移動速度を
さらに増加させる。

また試料は一般に容器２及び金属栓３，４より、かなり
衝撃抵抗が小さいため試料との界面で二次的な稀薄波が
発生しやすく、稀薄波間の複雑な相互干渉により、この
近傍で強い引張力が発生し、容器を破断しやすい。

容器の上部に関しても概略同様な効果が生じ、試料と容
器栓の界面近傍で破断しやすい。

一方、爆薬層２１．２２を設け、これに対して飛翔体５
を衝突させて側面より起爆させた場合、その爆発力によ
って上記した容器の上部及び下部方向への移動速度は減
ぜられる。

従って容器の破断が防止できる。尚、起爆薬層１０の薬
量が十分多い場合には、上部に設けた減速用爆薬層２２
は省くことができる。

以上の本発明の実施例においては、圧縮処理すべき試料
の平断面が円形なものについて説明したが、本発明はこ
れに限らず、角柱状、平板状などのように軸方向に延び
る形状の試料の処理にも適用でき、その場合、試料容器
、飛翔部材などの形状は試料の形状に対応して適宜変化
させることは当業者にとって当然のことと理解されよう
。

本発明は、グラファイ１・からダイヤモンドの転化反応
のような衝撃を利用する物質合成や、タングステン、炭
化ケイ素等の粒状の高融点物質を緻密に衝撃する場合、
又は鋼のような金属材料を衝撃硬化せしめる場合、更に
は炭化ケイ素等のセラミック粉を微粉化しかつ歪を与え
て活性化する場合等、固体や液体の凝縮系物質を種々な
目的で衝撃処理する場合に適用される。

本発明を次に実施例により更に詳細に説明する。

実施例 １ 第１図に示した衝撃圧縮装置を用いて緑色の炭化ケイ素
粉末（かさ比重約１．９）を圧縮処理した。

ただし上部破断防止用爆薬層２２及びメタクリル板２５
．２６は使用しなかった。

飛翔体５として、内径７０ｍｍ，肉厚１． ５ｍｖｔ，
長さ１７０ｍｍの真鍮管を用い、これと同心的に内径１
５ ４ｍｍ，肉厚５．５ｍｒｎ１長さ１９０ｍｍの硬
質塩化ビニル管を設置した。

この硬質塩化ビニル管の下端にはプラスチック製円板２
７を取り付け、また内壁周面に沿って厚さ３ｍｍの副爆
薬層２８を設けた。

副爆薬層２８としては、平均粒径が０． ５ ｍｍ以下
のベントソフト粉末を未硬化シリコン樹脂（信越化学製
、ＫＥ−１０）に対し７０対３０の重量割合で混合攪拌
し、成型後硬化させたものを用いた。

副爆薬層は６． ７ ｋｒｎ／秒の爆速を示した。

次に、この副爆薬層２８と真鍮管５との間の環状空間に
アンホ爆薬を充填して主爆薬層９を形成した。

アンホ爆薬の使用量は約２． １ ｋｇで、装填比重は
約０．８であった。

この主爆薬層の爆速は約３． １． ｋｍ／秒であった
。

上記した試料を内径３０１Ｉｔ１１Ｌ１肉厚２ ｍｒｎ
，長さ１ ４． ０ｍ７１１のステンレス製（ ＳＵＳ
−３ ０４ ）円筒管で形成した容器２に充填し（空隙
率約４０％）、両端に凸型のスチール製（ＳＳ−４１）
の栓３，４を螺合させた。

栓３，４のねじ部の長さは５ｍｍ，ふた部の長さは５ｍ
ｍであった。

容器２を内径３４．１ｍｍ１肉厚３． ９ ｍｍ，長さ
１５０ｍｍのスチール（ＳＳ−４１）管で囲んで補強し
、容器下端部には副爆薬層２８と同一組成からなる直径
４１．５ｍｍ，厚さ５ｍｍの円板型のゴム状爆薬層２１
を直径４ １． ５ ｍｍ、厚さ５ｍｒ／Ｌのメククリ
ル製円板２３．２４でサンドインチ状にはさんだものを
固定した後、全体を飛翔真鍮管５の内部に同心的に装入
した。

上部に直径１４２７’＋７１２、肉厚２０ｖｔｙｎの合
板２９を設置し、その上に更に直径１５０ｍｍ１肉厚５
７ｎ７１Ｌの円板型の起爆部１０を装着した。

起爆部１０としては、等重量部の前述したベントリット
とシリコン樹脂からなるゴム状円板を用いた。

このようにして構成した衝撃圧縮装置を大型爆発室の中
央に設置し、６号電気雷管で起爆させた。

爆発後、試料容器を回収し観察した結果、上部栓のねじ
部がちぎれていたが、下部の破損はみられず、試料回収
率は９０％と認められた。

回収した試料のかさ比重及び化学分析を第１表に示す。

また試料を振動ミルで粉砕した場合における、粒径４４
μ以下の粒子が発生する割合を振動時間に対してプロッ
トした結果を第６図に示す。

また、回収試料の粉末Ｘ線回析方法による回折強度及び
半価巾Ｃ）を第２表に示す。

実施例 ２ 実施例１において、飛翔用の真鍮管５の肉厚を１．５ｍ
ｍから３ｍｍのものに変え、下部爆薬層２１の肉厚を５
ｍｍから１０ｍｍに変え、更に、容器２の上端部に爆薬
層２１と同種の爆薬からなる直径４１５關、肉厚５ｍｍ
の爆薬層２２を同一サイズのメクアクリル板２５ ．２
６でサンドインチ状に形成したものを設けた以外は実施
例１と全く同様な装置を構成し、圧縮処理を行った。

容器２の破撰は全く見られず、試料回収率は１００％と
認めた。

試料を容器と共に輪切りにして切断面を観察したところ
、炭化ケイ素は最初の緑色から黒色へと変色し、固く緻
密にしまっていた。

また、幾重ものらせん状の亀裂が見られ、中心部には直
径２〜３ＴＬ１１Ｌの溶融凝縮部が見られた。

実施例１と同様な測定・試１験を行った結果を第１表、
第２表及び第６図に示す。

実施例 ３ 実施例２において、容器補強管の肉厚を３． ｇ ｍｍ
から７罷に変え、主爆薬９として桐ダイナマイト（約３
５ｋｇ使用、爆速約６ｋｍ／秒を示す）を使用し、更に
、上・下爆薬層２Ｌ２２を取除き、メタアクリル板２３
，２４，２５．２６として直径４８ＴｆＬＴＬ１肉厚５
ＴＬ７１Ｌのものを用いそれぞれ２枚重ねしたものを使
用した以外は実施例２と全く同様な装置を構成し、圧縮
処理を行った。

容器は両端部のネジ部附近でちぎれ、試料回収率は約５
０％と認めた。

試料を容器と共に輪切りにして切断面を観察したところ
、中心部は約５〜１０朋にわたって空孔となっていた。

この部分は試料が溶融飛散したために形成されたものと
考えられる。

実施例１と同様な測定試１験を行った結果を第１表、第
２表及び第６図に示す。

第２表及び第６図に示される結果から明らかなように、
実施例１〜３に示す圧縮処理により非常に微細でかつ結
晶ひずみの入ったセラミック粒子が得られる。

又、実施例２及び３は、第１表及び観察結果から認めら
れるように、炭化ケイ素の融解、分解が生じる程の高温
を発生し得る（炭化ケイ素は常圧で２５００℃から分解
、昇華が起るとされており、融点は約２８００°と考え
られている）ことを立証するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による衝撃圧縮処理装置を立断面で示す
説明図であり、第２図は第１図の装置による処理進行中
の状態を示す説明図、第３図は爆轟波と飛翔体との幾何
学的関係を表わす図、第４図は本発明の別の実施例を示
す説明図、第５図は第１又は第４図の容器内部の工態様
を示す図、及び第６図は衝撃処理後及び未衝撃の試料の
振動ミルによる粉砕効果を表わす図であり、折線ａ ＝
ｄはそれぞれ実施例１，２及び３ならびに未衝撃の試
料についてのグラフである。 図中、１・・・・・・試料、２・・・・・・容器、３，
４・・・・・・栓、５・・・・・・飛翔部材、６・・・
・・・空隙、９・・・・・・主爆薬層、１０・・・・・
・起爆薬層、１１・・・・・・雷管、２１，２２・・・
・・・減速爆薬層、２３，２４，２５．２６・・・・・
・衝撃波減衰板、２７・・・・・・プラスチック板、２
８・・・・・・副爆薬層、２９・・・・・・隔離板、３
１・・・・・・衝撃波導通棒、Ｙ・・・・・・衝撃波面
、Ｚ・・・・・・爆轟波面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 軸方向に延びる凝縮系物質に対し平行且つ間隙をも
   って設置した飛翔部材の反対面に主爆薬層と、該主爆薬
   よりも爆速の大きい副爆薬層を順次積層するとともに、
   該副爆薬層の一端部に起爆部を設けたことを特徴とする
   凝縮系物質の衝撃処理装置。 ２ 該主爆薬層の層厚を該一端部側から他端部側に向っ
   て徐々に一様に薄くしたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項の装置。 ３ 該凝縮系物質は金属容器に収納されている特許請求
   の範囲第１項又は第２項の装置。 ４ 金属容器の中心軸上に、該凝縮系物質と略々同一の
   衝撃インピーダンスを有する物質よりなる棒を設けた特
   許請求の範囲第３項の装置。 ５ 該金属容器の中心軸上に該凝縮系物質を位置させ、
   その周囲の容器内空間を該凝縮系物質と略略同一な衝撃
   インピーダンスを有する物体を設置した特許請求の範囲
   第３項の装置。 ６ 軸方向に延びる凝縮系物質を収納した金属容器に対
   し平行且つ間隙をもって設置した飛翔部材の反対面に主
   爆薬層と、該主爆薬層よりも爆速の大きい副爆薬層を順
   次積層するとともに、該副爆薬の一端側に起爆部を設け
   、更に該容器の両端部又は起爆部側端部の反対側端部に
   該飛翔部材との衝突により爆発する減速用爆薬層を設け
   たことを特徴とする凝縮系物質の衝撃圧縮処理装置。