Вероятностный характер взрывного разложения нанокомпозитов pent — ni лазерным импульсом

№36-1,

химические науки

В работе исследуются причины вероятностного характера взрывного разложения нанокомпозитов PENT – Ni лазерным импульсом. Показано, что различие в длительностях импульса могут определять вероятностный характер взрыва.

Похожие материалы

Необходимость создания современных оптических детонаторов определяется возможностью революционного повышения безопасности взрывных работ в добывающей промышленности [1]. В настоящее время разрабатывается оптические детонаторы на основе инициирующих [2, 3] и бризантных взрывчатых веществ (ВВ) [1, 4]. В этих классах ВВ реализуются механизмы цепного и теплового взрывов, различающиеся механизмами положительной обратной связи [5]. Механизм разветвленной энергетической цепной реакции базируется на возможности в некоторых условиях неограниченного увеличения неравновесной концентрации реагентов практически без нагревания [5-7]. В кристаллах азида серебра под действием импульсного лазерного излучения формируется разветвленная твердофазная цепная реакция [5-8]. Механизм теплового взрыва основан на экспоненциальном увеличении скорости реакции в результате нагревания при наличии большой концентрации равновесных реагентов [5, 9]. В прессованных таблетках пентаэритриттетранитрата (PENT) с добавками наночастиц алюминия, кобальта, никеля реализуется тепловой взрыв в микроочаговом варианте [1, 4, 10]. Для оптимизации капсюля оптического детонатора необходимо уменьшить критическую плотность энергии инициирования взрывного разложения (H) входящих в него составов. В работах [1, 4, 10, 11] особое внимание уделялось минимизации H при варьировании размера наночастиц, длины волны лазера и длительности импульса. Однако хорошо известно, что вблизи порога взрывное разложение имеет вероятностный характер, природа которого не исследована. Целью настоящей работы является исследование возможных причин вероятностного характера взрывного разложения нанокомпозитов PENT – Ni лазерным импульсом.

Предварительным этапом научного исследования является теоретический этап систематизации эксперимента. Реализация численного эксперимента позволяет значительно ускорить решение научных и производственных задач [1-14]. Переход реакции разложения энергетических материалов (как инициирующих, так и бризантных ВВ) в самоускоряющийся режим имеет одинаковые стадии [1-15]. Первичным является процесс поглощения энергии лазерного импульса с формированием очага взрывного разложения. В эксперименте на бризантных ВВ достаточно редко записывается форма импульса. Это связано с необходимостью занимать канал регистрации цифрового осциллографа, и (в меньшей степени) сложностью реализации процесса. Длина волны неодимового лазера (1064 нм) не попадает в видимую область спектра и не фиксируется фотоэлектронным усилителем. Форму лазера можно записать только импульсным фотоэлектронным калориметром. В тоже время длительность импульса на полувысоте может меняться в достаточно широких пределах. Обработка экспериментальных осциллограмм из работы [16] показало, что длительность импульса на полувысоте может изменяться от 12 нс, до 14 нс (длительность по паспорту лазерного стенда) и до 15.6 нс – максимально длинный импульс.

Рассчитаем зависимости критической плотности энергии инициирования взрывного разложения PENT от радиуса наночастиц никеля при двух достаточно близких длительностях импульса (12 и 15.6 нс). В работах [1, 4, 6, 10, 11, 14, 17-20] создана и реализована методика расчета пороговых параметров взрывного разложения композитов прозрачная матрица ВВ – наночастицы металлов. На сегодняшний день модель не учитывает процессы усиления освещенности за счет многократного рассеяния света [12, 21-23]. Воспользуемся моделью теплового взрыва композитов PENT - Ni в микроочаговом варианте, сформулированной в работах [1, 20, 22, 24-25]. Методика численного моделирования процесса взрывного разложения сформулирована в [16-21, 26-27]. Она заключается в разбиении пространства наночастицы и окружающей матрицы на отдельные ячейки, сведении системы дифференциальных уравнений в частных производных к очень большой (~500 уравнений) системе обыкновенных жестких ДУ Полученная система ОДУ решалась методом Рунге-Кутты 1-5 порядка с переменным шагом по времени. Относительная погрешность на шаге интегрирования не превышала 10-14, при этом погрешность, оцениваемая по точности выполнения закона сохранения энергии 2.5∙10-10.

В работах [16-21, 26-27] рассчитывалась с точностью 0.01 %. Актуальность исследования требует повышение точности расчета еще в 10000 раз до величины 10-8. Для каждого радиуса наночастицы никеля в диапазоне от 10 нм до 120 нм рассчитывалась минимальная плотность энергии инициирования взрывного разложения. Уменьшение H на 10-8 приводит к реализации допорогового режима протекания процесса, когда взрывного разложения не наблюдается. На рис. 1 приведены рассчитанные зависимости критической плотности энергии инициирования взрывного разложения композитов PENT - Ni (Hc) от радиуса наночастиц (R) при длительностях импульса 12 нс (сплошная кривая Н2) и 15.6 нс – штрих пунктир (H1). Так как и для длительностей импульса в 20 нс рассчитанные зависимости Hc(R) проходят через глобальный минимум. Для каждой зависимости на рис. 1 точками обозначены положения глобальных минимумов. Для длительности импульса на полувысоте 12 нс координаты минимума составили Hc = 68.0995854 мДж/см2 при радиусе 91.3 нм. Для 15.6 нс координаты минимума Hc = 72.797223 мДж/см2 при радиусе 92.1 нм. Кривые проходят друг над другом, т.е. для длительности импульса 12 нс Hc всегда меньше для любого радиуса, чем для 15.6 нс. С увеличением длительности импульса критическая плотность энергии увеличивается, как и значение оптимального радиуса. Всегда остается между кривыми рис. 1 некоторое расстояние, которое определяет вероятностный характер взрыва при неустойчивости его длительности. Количественная оценка эффекта иллюстрируется рис. 2. На нем показано относительное уменьшение в процентах критической плотности энергии при уменьшении длительности импульса по выражению (H1-H2)/H2*100 для каждого радиуса наночастиц в диапазоне от 10 до 120 нм.

Зависимости критической плотности энергии инициирования взрывного разложения композитов PENT - Ni от радиуса наночастиц при длительностях импульса

Рисунок 1 Зависимости критической плотности энергии инициирования взрывного разложения композитов PENT - Ni от радиуса наночастиц при длительностях импульса 12 нс (сплошная кривая) и 15.6 нс – штрих пунктир. Точки – положения глобальных минимумов.

Относительное уменьшение в процентах критической плотности энергии при уменьшении длительности импульса от 15.6 нс до 12 нс

Рисунок 2 Относительное уменьшение в процентах критической плотности энергии при уменьшении длительности импульса от 15.6 нс до 12 нс

Максимальная разность H достигает 21 % при относительно небольшом изменении длительности импульса. Полностью определить вероятностный характер инициирования взрывного разложения исследованный в работе эффект не может, но для интерпретации полученных экспериментальных данных необходима обязательная фиксация формы импульса с определением длительности на полувысоте. Автор выражает благодарность научному руководителю профессору, доктору физико-математических наук, профессору А. В. Каленскому.

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. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р. и др. Взрывчатое разложение тэна с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны // ХФ. 2013. Т. 32. № 8. С. 39-42.
  5. Каленский А. В., Ананьева М. В. и др. Условия реализации режимов цепного и теплового взрывов энергетических материалов // Вестник КемГУ. 2014. № 1-1 (57). С. 201-206.
  6. Кригер В. Г., Каленский А. В. и др Механизмы взрывного разложения энергетических веществ при инициировании лазерным излучением // Известия ВУЗов. Физика. 2011. Т 54. № 1(3). С. 18-23.
  7. Каленский А. В., Булушева Л. Г. и др. Моделирование граничных условий при квантовохимических расчетах азидов металлов в кластерном приближении // ЖСХ. 2000. Т. 41. № 3. С. 605-608.
  8. Каленский А. В., Ананьева М. В., Кригер В. Г., Звеков А. А. Коэффициент захвата электронных носителей заряда на экранированном отталкивающем центре // ХФ. 2014. Т. 33. № 4. С. 11-16.
  9. Гришаева, Е. А. Расчет индукционного периода взрывного разложения азида серебра // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2012. №3(6). С. 67-72.
  10. Каленский А. В., Звеков А. А. и др Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов // ФГВ. 2014. Т. 50. № 3. С. 98-104.
  11. 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.
  12. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите с использованием фотометрического шара // ЖТФ. 2014. Т. 84. № 9. С. 126 - 131.
  13. Халиков Р. М. Технологические схемы решения экологических проблем регионального производства материалов // Nauka-Rastudent.ru. 2014. № 3 (03). С. 10.
  14. 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.
  15. Боровикова А. П., Каленский А. В. Методика моделирования распространения взрывного разложения азида серебра // Аспирант. 2014. №4. С. 96-100.
  16. Каленский А. В., Ананьева М. В., Звеков А. А. и др. Кинетические закономерности взрывчатого разложения таблеток тетранитропентаэритрит-алюминий // ЖТФ. 2015. Т. 85. № 3. С. 119-123.
  17. Адуев Б. П., Ананьева М. В., Звеков А. А. и др. Микроочаговая модель лазерного инициирования взрывного разложения энергетических материалов с учетом плавления// ФГВ. 2014. Т. 50. № 6. С. 92-99.
  18. Никитин А. П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна с наночастицами хрома // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. №2 (9). С. 29-34.
  19. Каленский А. В., Звеков А. А., Ананьева М. В. и др Взрывная чувствительность композитов тэн-алюминий к действию импульсного лазерного излучения // Вестник КемГУ. 2014. № 3-3 (59). С. 211-217.
  20. Каленский А. В., Зыков И. Ю., Боровикова А. П. и др. Критическая плотность энергии инициирования композитов тэн - никель и гексоген никель // Известия ВУЗов. Физика. 2014. Т. 57. № 12-3. С. 147-151.
  21. Зыков, И. Ю. Расчет коэффициентов эффективности поглощения цилиндрическими наночастицами // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. № 4 (11). С. 63-68.
  22. 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.
  23. 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.
  24. Каленский А. В., Звеков А. А., Зыков И. Ю. и др. Чувствительность композитов гексоген-алюминий к лазерному импульсу // Известия ВУЗов. Физика. 2014. Т. 57. № 12-3. С. 142-146.
  25. Ананьева М. В., Каленский А. В. и др Кинетические закономерности взрывного разложения ТЭНа, содержащего наноразмерные включения алюминия, кобальта и никеля // Вестник КемГУ. 2014. №1-1 (57). С. 194-200.
  26. Лукатова С. Г., Одинцова О. В. Взрывное разложение композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами золота // Вестник КемГУ. 2014. № 4–2(60). С. 218-222.
  27. Одинцова О. В. Расчет коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в пентаэритритатетранитрате // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2014. №3(14). С. 40-44.