Вероятностный характер взрывного разложения нанокомпозитов pent — ni лазерным импульсом

NovaInfo 36, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Химические науки
Просмотров за месяц: 0
CC BY-NC

Аннотация

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

Ключевые слова

КОЭФФИЦИЕНТ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОГЛОЩЕНИЯ, НАНОЧАСТИЦЫ НИКЕЛЯ, КОМПЛЕКСНЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ, ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОПТИЧЕСКИЙ ДЕТОНАТОР

Текст научной работы

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 12 нс (сплошная кривая) и 15.6 нс — штрих пунктир. Точки — положения глобальных минимумов.
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.

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. 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.

Цитировать

Иващенко, Г.Э. Вероятностный характер взрывного разложения нанокомпозитов pent — ni лазерным импульсом / Г.Э. Иващенко. — Текст : электронный // NovaInfo, 2015. — № 36. — URL: https://novainfo.ru/article/3846 (дата обращения: 03.10.2022).

Поделиться