Взрывное разложение нанокомпозитов pent — ni и pent — co лазерным импульсом

NovaInfo 37, скачать PDF
Опубликовано
Раздел: Химические науки
Просмотров за месяц: 0
CC BY-NC

Аннотация

В работе рассчитаны зависимости критической плотности энергии инициирования взрывного разложения нанокомпозитов на основе вторичного взрывчатого вещества от радиусов легирующих наночастиц никеля и кобальта. При уменьшении радиуса критическая плотность энергии инициирования взрывного разложения импульсом лазера перестает зависеть от природы включения. Результаты необходимы для прогноза стабильности устройств нелинейной оптики, в том числе капсюля оптического детонатора.

Ключевые слова

ОПТИЧЕСКИЙ ДЕТОНАТОР, ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, НАНОЧАСТИЦЫ НИКЕЛЯ, НАНОЧАСТИЦЫ КОБАЛЬТА

Текст научной работы

Необходимость разработки оптических детонаторов показана в работах [1-3]. Уже созданы оптические детонаторы на основе модельного инициирующего взрывчатого вещества — азида серебра [4-6]. Необходимыми условиями реализации этого достижения явились: разработка кинетической модели инициирования взрывного разложения кристаллов и прессованных таблеток азида серебра [7], оценка элементарных стадий процесса [7-10], комплексное экспериментальное исследование кинетических эффектов взрывного разложения [7-12], в том числе — возможность целенаправленно варьировать чувствительность азида серебра к импульсному воздействию [4-13]. Основной недостаток оптических детонаторов на основе азида серебра — высокая чувствительность к удару, нагреванию, электрическим наводкам [4-13]. Для его кардинального устранения в цикле работ [1-3, 14-17] предложено использовать в качестве энергетического материала капсюля оптического детонатора бризантные взрывчатые вещества. Добавки наночастиц алюминия, кобальта, никеля, меди и некоторых других металлов в прессованные таблетки пентаэритриттетранитрата (PENT) способны увеличить чувствительность образца более чем в 100 раз [1-3, 14-17], что является экспериментальным доказательством реализации в этих образцах теплового взрыва в микроочаговом варианте [18-20]. В работах [1-3, 14-20] экспериментально и теоретически начато исследование возможностей минимизации критической (минимальной) плотности энергии инициирования (H2) при изменении радиуса и природы вводимых наночастиц, длины волны лазера и др. Часть работ [18-23] посвящена разработке (модернизации) микроочаговой модели теплового взрыва, как теоретической основы осознанного поиска материала капсюля оптического детонатора. Целью настоящей работы является дальнейшая разработка микроочаговой модели теплового взрыва: расчет зависимостей критической плотности энергии инициирования взрывного разложения нанокомпозитов на основе PENT от размеров допирующих наночастиц никеля и кобальта, сравнение полученных зависимостей, установление характеристических особенностей процесса взрывного разложения исследуемых объектов.

Численный эксперимент значительно ускоряет решение научных и особенно производственных задач [1-17, 24]. Процесс взрывного разложения энергетических материалов, инициированный импульсным лазерным излучением содержит ряд общих стадий [1-23]. В первую очередь — это процесс распространения энергии излучения в образце, включающий поглощение энергии лазера наночастицами металла, отражение от поверхностей образца и рассеяние в объеме прессованной таблетки. Экспериментальному исследованию этих процессов посвящены работы [24-29]. Поглощение энергии приводит к повышению температуры как наночастицы, так и ближайших к ней слоев энергетического материала. Инициируемая повышенной температурой химическая реакция способна либо привести к реализации самоускоряющегося режима, либо остановиться на локальном кратковременном повышении температуры с последующим быстрым охлаждением [1-3, 14-23]. В настоящей работе в рамках микроочаговой модели теплового взрыва PENT с наночастицами металлов рассчитаны максимальная поглощенная наночастицей плотность энергии импульса, не приводящая к взрыву образца (H1), и минимальная плотность энергии импульса, приводящая к взрывному разложению всего образца (H2). Моделирующий импульс имел временную форму функции ошибок с шириной на полувысоте 12 нс (как в работах [1-17]).

Рассчитаем зависимости H1 и H2 прессованных таблеток PENT с наночастицами никеля и кобальта радиусами (R) от 10 нм до 120 нм. В работах [1-23] разработана методика решения данной задачи. Модель пока не учитывает возможность усиления освещенности внутри образца за счет многократного рассеяния света, исследование которого начато в работах [24-29]. Воспользуемся микроочаговой моделью теплового взрыва композитов PENT — Ni и PENT — Со [1-3, 19]. Методике численного моделирования процесса посвящены работы [14-22]. Система дифференциальных уравнений (ДУ) в частных производных с заданными начальными и граничными условиями решалась через создание пространственной сетки с переменным шагом по координате. При этом возможно свести систему ДУ в частных производных к большой системе обыкновенных жестких ДУ. Полученная система обыкновенных ДУ решалась методом Рунге-Кутты 1-5 порядка с переменным шагом по времени при относительной погрешности на шаге интегрирования не хуже 10-14. Погрешность по точности выполнения закона сохранения энергии поглощаемого импульса — 2.5∙10-10. В настоящей работе методика расчета изменена в сторону максимального повышения точности расчета до величины 10-8. Для каждого радиуса наночастиц металлов в диапазоне от 10 нм до 120 нм рассчитывались значения H1 и H2 с относительной точности (H2H1)/H2 < 10-8.

Зависимости критической плотности энергии инициирования взрывного разложения композитов PENT - </em><em>Co</em><em> (сплошная линия) и PENT - </em><em>Ni</em><em> (пунктир) от радиуса наночастиц при длительности импульса на полувысоте 12 нс. Точки — расчет (включая положения глобальных минимумов, линии — аппроксимация).</em>
Рисунок 1. Зависимости критической плотности энергии инициирования взрывного разложения композитов PENT - Co (сплошная линия) и PENT - Ni (пунктир) от радиуса наночастиц при длительности импульса на полувысоте 12 нс. Точки — расчет (включая положения глобальных минимумов, линии — аппроксимация)

На рисунке 1 приведены рассчитанные зависимости критической (минимальной) плотности энергии инициирования взрывного разложения прессованных таблеток PENT — Co (сплошная линия) и PENT — Ni (пунктир) от радиуса наночастиц при длительности лазерного импульса на полувысоте 12 нс. Точками нанесены результаты выполненных расчетов, линиями — аппроксимация. Рассчитанный с относительной точностью 10-8 по H2 и абсолютной точностью 0.1 нм по R положение глобального минимума зависимости H2(R) для системы PENT — Ni составило 64.0971758 мДж/см2 при R = 48.1 нм.

Таблица 1. Рассчитанные при радиусах наночастиц кобальта и никеля максимальные значения плотности энергии, при которых взрывной режим не реализуется (H1 Co и H1 Ni соответственно), и минимальные значения плотности энергии, при которых реализуется взрывной режим (H2), различия в рассчитанных величинах в процентах

R, нм

H1 Co, Дж/см2

HCo, Дж/см2

H1 Ni, Дж/см2

H2 Ni, Дж/см2

(H2 NiHCo)/H2Ni,%

10

0.136170749

0.136170750

0.136509555

0.136509556

0.24819239

15

0.0979284318

0.097928

0.098326591

0.098326592

0.40493633

20

0.081485410

0.081485411

0.081989847

0.081989848

0.61524330

25

0.072908448

0.072908449

0.0735288772

0.0735288776

0.84378903

30

0.068110572

0.068110573

0.068848122

0.068848123

1.07127086

35

0.0653497462

0.0653497465

0.066204096

0.066204097

1.29048007

40

0.0638247203

0.0638247206

0.0647946712

0.0647946716

1.49696103

45

0.0631029816

0.0631029819

0.064187115

0.064187116

1.68902152

50

0.0629310980

0.0629310983

0.0641280301

0.0641280304

1.86647262

55

0.063151064

0.063151065

0.06445952

0.06445953

2.02990122

60

0.0636594571

0.0636594575

0.0650783183

0.0650783187

2.18023639

65

0.0643858326

0.0643858329

0.0659140925

0.0659140929

2.31856326

70

0.0652806344

0.0652806347

0.0669174

0.06691741

2.44596330

75

0.0663080204

0.0663080207

0.0680525280

0.0680525284

2.56347216

80

0.0674414514

0.0674414518

0.069292994

0.0692929943

2.67204869

85

0.0686608745

0.0686608749

0.0706188265

0.0706188268

2.77256367

90

0.0699508670

0.0699508673

0.0720146624

0.0720146628

2.86579892

95

0.071299378

0.071299379

0.073468503

0.0734685034

2.95245477

100

0.0726968651

0.0726968655

0.074970845

0.074970846

3.03315344

105

0.0741356704

0.0741356708

0.0765140712

0.0765140716

3.10844893

110

0.075609586

0.075609587

0.0780920015

0.0780920019

3.17883344

115

0.0771135275

0.0771135279

0.079699575

0.079699576

3.24474508

120

0.0786438735

0.0786438739

0.081333292

0.081333293

3.30666460

Соответствующее значение для PENT — Co 62.9284704 мДж/см2 для радиуса наночастицы 49.4 нм. Расчет положения минимума зависимости H2(R) для отдельных металлов выполнялся в работах[1-3, 14-23], где определена природа минимума и выполнены аналитические выкладки, связывающие положение минимума с теплофизическими свойствами композита (матрицы и включений) и длительностью импульса. В настоящей работе впервые зависимости H1(R) и H2(R) рассчитаны для двух разных металлов (и одинаковой длительностью импульса на полувысоте). Рассчитанные значения H1 и H2для композитов на основе PENT и наночастиц Ni и Co приведены в таблице 1.

Сравнение результатов, приведенных во 2 и 4 столбцах таблицы 1 и рисунке 1, свидетельствуют о практическом совпадении значений H2 Niи H2 Co для относительно небольших размеров наночастиц. Для количественной оценки эффекта для каждого радиуса рассчитаем величину относительного отличия значений критической плотности энергии H2 Co и H2 Ni по выражению (H2 Ni- H2 Co)/H2 Ni * 100. Умножение на 100 переводит значение оцениваемой величины в более удобную процентную форму. Полученное выражение представлено в 5 столбце таблицы 1. Визуальный вывод подтверждается численными оценками: для 10 нм расхождение H2 для анализируемых металлов составляет менее ¼ процента, тогда как для 120 нм это величина возрастает более чем в 15 раз. Полученный результат свидетельствует о возможном наличии универсальной (независимой от природы металла) для данной длительности импульса зависимости H2(R) (при значении коэффициента эффективности поглощения наночастиц равном 1). Автор выражает благодарность научному руководителю профессору, доктору физико-математических наук, профессору А. В. Каленскому.

Читайте также

Список литературы

  1. 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.
  2. Ананьева М. В., Звеков А. А., Зыков И. Ю. и др. Перспективные составы для капсюля оптического детонатора // Перспективные материалы. 2014. №7. С. 5-12.
  3. 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.
  4. 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.
  5. Боровикова А. П., Каленский А. В., Зыков И. Ю. Пространственно-временные характеристики волны горения в азиде серебра // Аспирант. 2014. №3. С. 37-42.
  6. Ананьева М. В., Каленский А. В. Инициирование взрывного разложения микрокристаллов азида серебра //Молодой ученый. 2014. № 19. С. 52-55.
  7. Кригер В. Г., Каленский А. В. Размерный эффект при инициировании разложения азидов тяжелых металлов импульсным излучением // ХФ. 1996. Т. 15. № 3. С. 40-47.
  8. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. Релаксация электронно-возбужденных продуктов твердофазной реакции в кристаллической решетке // ХФ. 2012. Т.31. №1. С. 18-22.
  9. 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.
  10. 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.
  11. Каленский А. В., Ципилев В. П. и др. Закономерности разлета продуктов взрыва монокристаллов азида серебра // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2008. Т. 5. № 1. С. 11-15.
  12. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. и др. Определение ширины фронта волны реакции взрывного разложения азида серебра // ФГВ. 2012. Т. 48. № 4. С. 129-136.
  13. Кригер В. Г., Каленский А. В., Захаров Ю. А. и др. Механизм твердофазной цепной реакции // Материаловедение. 2006. № 9. С. 14-21.
  14. 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.
  15. 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.
  16. Никитин А. П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна с наночастицами хрома // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. №2 (9). С. 29-34.
  17. 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.
  18. Ananyeva M. V., Kriger V. G., Kalensii A. V. and others. Comparative analysis of energetic materials explosion chain and thermal mechanisms // Известия ВУЗов. Физика. 2012. Т.55. №11-3. С. 13-17.
  19. 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.
  20. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. и др. Влияние эффективности поглощения лазерного излучения на температуру разогрева включения в прозрачных средах // ФГВ. 2012. Т.48. № 6. С. 54-58.
  21. 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.
  22. Kalenskii A. V., Kriger V. G., Zykov I. Yu., Ananyeva M. V. Modern microcenter heat explosion model // Journal of Physics: Conference Series. 2014. Т. 552. № 1. С. 012037.
  23. Никитин А. П. Эффективность поглощения лазерного излучения наноразмерными включениями металлов // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2012. №4 (7) С. 81-86.
  24. Халиков Р. М. Технологические схемы решения экологических проблем производства материалов// Nauka-Rastudent.ru. 2014. № 3(03). С. 10.
  25. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите // ЖТФ. 2014. Т. 84. № 9. С. 126 - 131.
  26. 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.
  27. 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.
  28. Лукатова С. Г. Расчет коэффициентов эффективности поглощения для композитов золото-тэн на второй гармонике неодимового лазера // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2014. №1(12). С. 95 – 98.
  29. Газенаур Н. В., Зыков И. Ю., Каленский А. В. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны // Аспирант. 2014.№5. С. 89-93.

Цитировать

Иващенко, Г.Э. Взрывное разложение нанокомпозитов pent — ni и pent — co лазерным импульсом / Г.Э. Иващенко, К.А. Радченко. — Текст : электронный // NovaInfo, 2015. — № 37. — URL: https://novainfo.ru/article/3894 (дата обращения: 26.06.2022).

Поделиться