Энергетические материалы, селективно чувствительные к лазерному излучению, являются перспективной основой создания оптических детонаторов [1]. В настоящее время разработаны оптические детонаторы на основе азида серебра [2]. Низкая селективность оптических детонаторов на его основе (высокая чувствительность к нагреванию, удару, трению, электрическому полю) может приводить к их несанкционированному срабатыванию и многочисленному экономическому ущербу [3, 4]. Одним из основных направлений разработки оптических детонаторов является создание композитов на основе существующих бризантных взрывчатых веществ и светочувствительных добавок наночастиц металлов [5].
В работах [6-9] показано, что добавки наночастиц алюминия, кобальта, никеля позволяют значительно (в десятки, а иногда и до сотни раз) снизить критическую плотность энергии лазерного инициирования пентаэритритатетранитрата. Бризантные взрывчатые вещества (ВВ), содержащие наночастицы металлов, являются перспективным материал для капсульных составов оптических детонаторов. Одним из наиболее используемых в промышленности ВВ является гексоген ([(CH_2)_3N_3NO_2]_3 (RDX, T4)), однако закономерности инициирования этого материала, содержащего светопоглощающие наночастицы металла, лазерным излучения не исследованы. Поэтому исследование кинетических закономерностей импульсного взрывного разложения композитов гексоген-никель представляет большой интерес.
Цель работы: оценить параметры микроочаговой модели процесса взрывчатого разложения гексоген–никель, рассчитать кинетические закономерности инициирования композитов на основе гексогена с наночастицами никеля.
Модель разогрева наночастиц лазерным излучением
Модель инициирования взрывного разложения ВВ за счет нагревания находящейся там одинокой наночастицы металла сформулирована в работах [5-11]. В модели учитываются процессы поглощения лазерного импульса наночастицей металла, нагревания ВВ за счет кондуктивного теплопереноса, а также тепловыделение за счет химической реакции разложения энергетического материала. Скорость разложения лимитируется уравнением Аррениуса, учитывается расход вещества. Использование сферической симметрии обусловлено тремя факторами. Первое: лазерное излучение претерпевает многократные отражения на границах зерен и наночастицах металлов [12], поэтому каждый из квантов света испытает несколько актов отражения и происходит существенное усреднение освещенности по направлениям [13]. Второе: хотя нагревание осуществляется преимущественно с передней грани, но малые размеры наночастицы и особенно большое значение коэффициента температуропроводности приводит к практически постоянной температуре в наночастице. Третье: особенности поглощения лазерного монохроматического света с длиной волны 1064 нм (наиболее мощный на сегодняшний день неодимовый лазер) на порядок большей радиуса наночастицы проявляются в практически объемном характере поглощения в наночастицах никеля [14]. Следовательно, возможные неточности, возникающие при использовании одномерной сферической системы координат, компенсируются возможностью точного расчета кинетики процесса за счет использования разностной схемы с малым шагом по координате. Для расчета кинетических закономерностей взрывного разложения численно решалась методом Рунге Кутта 5 порядка с переменным шагом по времени система обыкновенных дифференциальных уравнений модели на сетке с переменным шагом по координате [15]. Моделирование процесса взрывного разложения композита гексоген — никель проводили при следующих значениях параметров: объемная теплоемкость гексогена 2.26 Дж/см^3 K, объемная теплоемкость никеля 3.95 Дж/см3K, коэффициенты температуропроводности ВВ 4.46∙10-4 см^2с^-1 и никеля 0.23 см2с-1, энергия активации процесса разложения ВВ 197.3 кДж/(моль·К), предэкспонент — 2·1018 с-1, тепловой эффект химической реакции разложения ВВ 3.792 кДж/см3 [16]. Обращает внимание разлитие почти в 500 раз коэффициентов температуропроводности матрицы и металла, к кинетическим следствиям этого вернемся позже.
На границе наночастица — ВВ происходит поглощение излучения в ячейке, состоящей из слоя металла и энергетического материала. В результате для границ каждой ячейки используем соответствующий коэффициент температуропроводности. Зависимость мощности лазерного импульса от времени хорошо описывается функцией Гаусса [17]. В работе длительность импульса на полувысоте принималась равной 20 нс. Это типичное значение для современных экспериментальных лазерных стендов. На границе рассматриваемой области (наночастица радиуса R и слой энергетического материала толщиной 7R) задавалось условие первого рода T=300K.
На рис. 1 представлены результаты моделирования кинетических закономерностей нагревания композита гексоген–никель, инициированного импульсном с плотностью энергии 70 мДж/см2. Радиус наночастицы выбран равным 100 нм. Это значение близко к рассчитанным
для первой гармоники неодимового лазера оптимальным радиусам наночастиц: меди (94 [18]), хрома (94 [19]), алюминия (98 [10-13]), кобальта (94 [8]) и никеля (92 [20]), обеспечивающим минимальную плотность энергии инициирования взрывного разложения. Время отсчитывается от максимума интенсивности лазерного импульса, поэтому моменту времени 0 секунд соответствует поглощение половины энергии импульса и разогрев наночастицы на 484 К (до 784 К). Распределение температуры в системе имеет существенную особенность: в наночастице температура практически постоянна, чему соответствует горизонтальная, параллельная оси Х прямая. Большое значение коэффициента температуропроводности обеспечивает равномерное нагревание наночастицы радиуса в 100 нм импульсом лазера длительностью 20 нс. Малое значение коэффициента температуропроводности матрицы приводит к медленному прогреванию слоя гексогена: разница в температурах на участке в 10 нм — более 200 К (от 784 К на поверхности наночастицы 0.1 мкм до 568 К на расстоянии 0.11 мкм от центра наночастицы). В положительные моменты времени происходит уменьшение мощности импульса, но нагревание за счет поглощения превалирует над охлаждением за счет теплопроводности в матрицу. В результате температура повышается за следующие 5 нс до 964 К (на 180 К). Взрывного разложения нет, так как нагрета до столь больших температур ограниченная область ВВ. В закономерностях цепного взрыва имеется размерный эффект аналог данного, когда при уменьшении размера реакционной области необходимо существенно увеличить внешнее воздействия для реализации самоускоряющегося режима разложения ВВ [21]. При данной плотности энергии (70 мДж/см2) взрывное разложение начинается после уменьшения мощности лазерного импульса более чем в 2 раза. На рис. 1. представлен момент формирования очага взрывного разложения, который образуется не на границе ВВ — наночастица, а в объеме энергетического материала. Время начала формирования очага в системе гексоген–никель при данной плотности энергии и длительности импульса составляет примерно 10.8 нс. Индукционный период реакции, развивающейся по механизму теплового взрыва — отсутствует. Реакция начинает интенсивно ускорять во время действия импульса при незначительном превышении критической плотности энергии импульса. Отсутствие индукционного периода может стать отличительной характеристикой теплового и цепного взрыва, где после окончания импульса наблюдается выраженный индукционный период [2-3].
Для понимания причины отсутствия индукционного периода взрывного разложения (как промежутка времени между окончанием импульса и началом интенсивного процесса разложения) рассчитаем кинетические закономерности температуры в системе. На рис. 2 представлены рассчитанные временные зависимости температуры на границе гексоген — никель для значений плотности энергии 40, 50, 60 и 70 мДж/см2. Из рисунка видно, что при значении плотности энергии инициирования меньше критического значения (70 мДж/см2), происходит только нагрев системы с ее последующим остыванием, взрывного разложения не происходит. В случае превышения критической плотности энергии происходит резкий рост температуры, что соответствует тепловому взрыву. Максимальное значение температуры наблюдается в моменты
времени приблизительно соответствующие времени ослабления мощности импульса в 3 раза. При плотности энергии 40 мДж/см2 максимальная температура наблюдается в момент времени 12.84 нс, при 50 мДж/см2 — через 12.94 нс, и вблизи критической плотности энергии 60 мДж/см2 — через 13.4 нс после максимума импульса. Большие градиенты температуры, созданные мощным лазерным импульсов приводят к быстрому остыванию очага после окончания импульса. Либо взрыв осуществляется в момент действия импульса, либо он не реализуется вообще, что проявляется в отсутствии индукционного периода взрывного разложения. Реакция начинает интенсивно ускорять во время действия импульса при незначительном превышении критической плотности энергии импульса.
Заключение
В работе рассчитаны кинетические зависимости нагревания композитов гексоген-никель при инициировании импульсом неодимового лазера длительностью 20 нс. Расчеты проведены для радиуса наночастицы никеля 100 нм — оптимальном размере ряда металлов для первой гармоники неодимового лазера. Показано, что при значении плотности энергии 60 мДж/см2 и менее происходит нагревание системы с ее последующим остыванием без взрывного разложения. Расчеты кинетики изменения температуры на границе гексоген-никель при плотностях энергии 70 мДж/см2 показали, что в этих случаях резкий рост температуры наблюдается во время действия импульса и индукционный период реакции отсутствует. Относительно небольшие значения критической плотности энергии нанокомпозита гексоген-никель позволяют сделать вывод о перспективности его использования в качестве капсюля оптического детонатора и необходимости дальнейшего экспериментального и теоретического исследования процессов его взрывного разложения.
Авторы выражают глубокую благодарность научному руководителю профессору А.В. Каленскому.