Исследование взрывной чувствительности композитов гексоген-никель

NovaInfo 33, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Химические науки
Просмотров за месяц: 0
CC BY-NC

Аннотация

В статье проведено обсуждение перспективы разработки оптических детонаторов на основе штатного бризантного взрывчатого вещества гексоген, сенсибилизированного светопоглощающими наночастицами никеля. Сформулирована микроочаговая модель процесса, рассчитаны кинетические закономерности разложения.

Ключевые слова

МИКРООЧАГОВАЯ МОДЕЛЬ, ОПТИЧЕСКИЙ ДЕТОНАТОР, НАНОЧАСТИЦЫ НИКЕЛЯ, ГЕКСОГЕН

Текст научной работы

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

Формирования очага взрывного разложения вблизи границы гексоген-никель
Рисунок 1. Формирования очага взрывного разложения вблизи границы гексоген-никель

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

Рассчитанные кинетические закономерности изменения температуры на границе а гексоген-никель при инициировании импульсом лазером длительностью на полувысоте 20 нс и плотностями энергии указанными в легенде
Рисунок 2. Рассчитанные кинетические закономерности изменения температуры на границе а гексоген-никель при инициировании импульсом лазером длительностью на полувысоте 20 нс и плотностями энергии указанными в легенде

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.

Читайте также

Список литературы

  1. Ананьева М.В., Звеков А.А., Зыков И.Ю. и др. Перспективные составы для капсюля оптического детонатора // Перспективные материалы. 2014. № 7. С. 5-12.
  2. Ананьева М.В., Каленский А.В. Инициирование взрывного разложения микрокристаллов азида серебра //Молодой ученый. 2014. № 19. С. 52-55.
  3. Ananyeva M.V., Kalenskii A.V. The size effects and before-threshold mode of solid-state chain reaction // Журнал СФУ. Серия: Химия. 2014. Т. 7. №4. С. 470-479.
  4. Халиков Р. М. Технологические схемы решения экологических проблем регионального производства материалов // Nauka-Rastudent.ru. 2014. № 3 (03). С. 10.
  5. Адуев Б.П., Ананьева М.В., Звеков А.А. и др. Микроочаговая модель лазерного инициирования взрывного разложения энергетических материалов с учетом плавления// Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. № 6. С. 92-99.
  6. Kalenskii A.V., Ananyeva M.V. Spectral regularities of the critical energy density of the pentaerythriol tetranitrate -aluminium nanosystems initiated by the laser pulse // Наносистемы: физика, химия, математика. 2014. Т. 5. № 6. С. 803-810.
  7. Kalenskii A.V., Kriger V.G., Zvekov A.A. et al The Microcenter Heat Explosion Model Modernization // Известия ВУЗов. Физика. 2012. Т. 55. № 11/3. С. 62 - 66.
  8. Ананьева М.В., Каленский А.В., Гришаева Е.А. и др. Кинетические закономерности взрывного разложения ТЭНа, содержащего наноразмерные включения алюминия, кобальта и никеля // Вестник КемГУ. 2014. № 1-1(57). С. 194-200.
  9. Каленский А.В., Ананьева М.В., Звеков А.А. и др. Спектральная зависимость критической плотности энергии инициирования композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами никеля// Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11. № 3. С. 340-345.
  10. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Фурега Р.И. и др. Взрывчатое разложение тэна с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны // Химическая физика. 2013. Т. 32. № 8. С. 39-42.
  11. Каленский А.В., Звеков А.А., Ананьева М.В. и др Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов // Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. № 3. С. 98-104.
  12. Звеков А.А., Каленский А.В., Никитин А.П. и др. Моделирование распределения интенсивности в прозрачной среде с Френелевскими границами, содержащей наночастицы алюминия // Компьютерная оптика. 2014. Т. 38. № 4. С. 749-756.
  13. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Белокуров Г.М. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите с использованием фотометрического шара // ЖТФ. 2014. Т. 84. № 9. С. 126 - 131.
  14. Zvekov A.A., Ananyeva M.V., Kalenskii A.V., Nikitin A.P. Regularities of light diffusion in the composite material pentaery thriol tetranitrate nickel // Наносистемы: физика, химия, математика. 2014. Т. 5. № 5. С. 685-691.
  15. Кригер В.Г., Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Процессы теплопереноса при лазерном разогреве включений в инертной матрице // Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т. 20. № 3. С. 375-382.
  16. Физика взрыва / под ред. Орленко Л. П.. М.: Наука, 2004. Т. 1. 832 с.
  17. Никитин А.П. Эффективность поглощения лазерного излучения наноразмерными включениями металлов в зависимости от длины волны// Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2012. №4 (7) С. 81-86.
  18. Газенаур Н.В., Зыков И.Ю., Каленский А.В. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны // Аспирант. 2014.№5. С. 89-93.
  19. Никитин А.П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна с наночастицами хрома // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. №2 (9). С. 29-34.
  20. Каленский А.В., Ананьева М.В., Никитин А.П. Оптические характеристики наночастиц никеля в прозрачных матрицах // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 11-1(43). С. 5-13.
  21. Ananyeva M.V., Kriger V.G. и др. Comparative analysis of energetic materials explosion chain and thermal mechanisms// Известия ВУЗов. Физика. 2012. Т. 55. № 11-3. С. 13-17.

Цитировать

Иващенко, Г.Э. Исследование взрывной чувствительности композитов гексоген-никель / Г.Э. Иващенко, О.В. Одинцова. — Текст : электронный // NovaInfo, 2015. — № 33. — URL: https://novainfo.ru/article/3537 (дата обращения: 25.06.2022).

Поделиться