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

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 (H₂ — H₁)/H₂ < 10^-8.

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.

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 H_{2 Ni}и H_{2 Co} для относительно небольших размеров наночастиц. Для количественной оценки эффекта для каждого радиуса рассчитаем величину относительного отличия значений критической плотности энергии H_{2 Co} и H_{2 Ni} по выражению (H_{2 Ni}- H_{2 Co})/H_{2 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.