Температура вспышки компаундов PETN-наночастицы алюминия лазерным импульсом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кемеровский государственный университет

ФИЦ УУХ СО РАН, институт углехимии и химического материаловедения

Кафедра химии твердого тела

Температура вспышки компаундов PETN-наночастицы алюминия лазерным импульсом

доктор физико-математических наук, профессор

Каленский Александр Васильевич

инженер, аспирант

Никитин Андрей Павлович

Аннотация

В качестве критерия взрывного разложения компаундов PETN-наночастицы алюминия обсуждается температура вспышки. Этот параметр достаточно слабо зависит от радиуса наночастиц в диапазоне от 10 нм до 120 нм. Показано, что в рассчитанном диапазоне радиусов наночастиц алюминия в допороговом режиме существенно выгорание матрицы PETN, которое вблизи поверхности наночастицы более 50%. Для наночастиц меньше 30 нм разложение энергетического материала вблизи включения практически полное.

Ключевые слова: наночастицы алюминия, критический параметр, температура вспышки, математическое моделирование, оптический детонатор, лазерный импульс

Повышение безопасности взрывных работ идет по пути внедрения вместо опасных в эксплуатации электродетонаторов [1] оптических систем инициирования. Первые оптические детонаторы (ОД) были созданы на базе инициирующих взрывчатых веществ (ВВ) [2-4]. Сейчас разрабатываются капсюли ОД на основе бризантных ВВ, так как они являются практически инертными к большому числу сопутствующих видов воздействия [5]. Механизм лазерного импульсного взрывного разложения инициирующих ВВ относится к классу моделей цепного взрыва [1-4]. Критерии реализации которого получены в ранних работах академика Семенова Н.Н. Для классических вариантов теплового взрыва критерием является температура вспышки. Однако инициирование взрывного разложения компаундов на основе штатного бризантного ВВ PETN с включением светопоглощающих наночастиц металла реализуется по микроочаговому варианту модели, в котором эмпирическим критерием взрыва является критическая плотность энергии [5-6]. Эта величина существенно зависит от природы включения, режима распространения света в образце, рассеивающих свойств наночастиц [7-9]. Целью работы является расчет температуры вспышки взрывного разложения композитов PETN - наночастицы алюминия различными радиусами.

В работах [10-13] показано, что кинетические (в частности температурные) зависимости определяются превышением, или недостатком плотности энергии его критической величины. Очевидно, что все недостаточно известные и неточно моделируемые параметры процесса в этом случае сокращаются [10-13]. К ним относятся коэффициенты: отражения образца, эффективности поглощения наночастицы [14], усиления освещенности в таблетке.

Определим температуру вспышки, как минимальную температуру на границе раздела бризантное ВВ - наночастица, достижение которой в условиях эксперимента приводит к инициированию взрывного (самоускоряющегося) режима разложения. Очевидно, что данные условия выполняются при критической плотности энергии импульса (H) [2-6, 10-13]. Математическая модель для расчета критических параметров взрывного разложения композитов PETN - Al сформулирована в работах [6, 15] для инициирования импульсом длительностями на полувысоте 30 нс и 20 нс. В настоящее время микроочаговая модель сформулирована для ряда бризантных ВВ с добавками наночастиц никеля [10], ванадия [13], меди [16], хрома [17], серебра [18], золота [19-20] и других металлов. В последние несколько лет наблюдается устойчивая тенденция к сокращению длительности импульса на полувысоте в экспериментальных установках, использующихся для исследования закономерностей взрывного разложения ВВ [1-4]. В работе для моделирования процесса будем использовать длительность импульса 12 нс, соответствующую современным экспериментальным лазерным комплексам [10-13].

Временная форма импульса существенно влияет на результаты моделирования. Простейшим для теоретического исследования является прямоугольная форма импульса, когда мгновенно достигается амплитуда импульса, далее она сохраняется в течении длительности импульса и мгновенно уменьшается до нулевого значения. Длительности импульса по основанию и на полувысоте в этом случае совпадают, плотности энергии и мощности связаны однозначно через длительность импульса. Эти многочисленные достоинства полностью нивелируются невозможностью экспериментального создания наносекундных прямоугольных лазерных импульсов. Современные наносекундные лазеры генерируют импульсы, временная форма которых хорошо описывается функцией Гаусса [21], которую мы будем использовать для интерполяции плотности мощности лазерного импульса.

Модель процесса, описывающая процессы нагревания наночастицы лазерным импульсом, теплопереноса в наночастице и PETN и химическую реакцию экзотермического разложения ВВ, сформулирована для ряда матриц и включений в работах [5-20]. Математической модели соответствует система дифференциальных уравнений в частных производных, которую удобно записать в сферической системе координат. Хотя поглощение и нагревание наночастицы в этом случае не точно имеет сферическую симметрию в связи с существованием выделенного направления распространения, однако в связи с большими значениями коэффициента температуропроводности (для алюминия в 1000 раз превосходящими PETN), за времена порядка нескольких пикосекунд в наночастице поле температур станет очень близким к сферически симметричному. Первым этапом с высокой точностью рассчитаем значения критической плотности энергии импульса. Для этого методом деления отрезка пополам (как и в работах [10-13, 15-19]) уменьшаем интервал между плотностями энергий при которых реакция переходит во взрывной режим и при котором - не переходит. В ранних работах относительная точность выбиралась на уровне 10^-4, однако при этом зависимость максимальной температуры от радиуса наночастицы демонстрирует полиэкстремальный характер, связанный с недостаточной точностью расчета. Поэтому в современных работах точность определения пороговой плотности энергии инициирования повышена еще в сто миллионов раз [10-13]. Поэтому в настоящей работе относительная точность расчета критической плотности энергии составляла 10^-12.

На рисунке 1 представлена рассчитанная в работе зависимость критической плотности энергии от радиуса наночастицы алюминия для лазерного импульса длительностью на полувысоте 12 нс. Положение минимума критической плотности энергии от радиуса наночастиц определено с точностью 0.1 нм.

нагревание наночастица лазерный интерполяция

Рисунок 1. Рассчитанная зависимость критической плотности энергии от радиуса наночастиц алюминия в PETN для длительности импульса 12 нс.

Такая точность необходима для определения оптимальных радиусов наночастиц, определения рядовых зависимостей и физической природы эффекта. Для достижения данной точности проводилась сплайн - интерполяция рассчитанной зависимости с шагом 0.1 нм с последующим определением минимума полученного массива. В ранних работах эта задача решалась квадратичной интерполяцией по ближайшим 3 точкам с аналитическим определением минимума параболы. Наименьшее значение H составило 54.987 мДж/см² для радиуса 61.3 нм. В результате расчета получается еще один массив плотностей энергии, при которых взрывного разложения не происходит, в работах [10-13] показано, что с точностью 10^-12 максимальная температура при облучении импульсами с этой плотностью энергии соответствует температуре вспышки. Однако сложный характер кинетической зависимости температуры наночастицы в режиме взрывного разложения и большие необходимые вычислительные мощности привел нас к возможности расчета температуры вспышки в допороговом режиме при плотности энергии незначительно меньшей критической. В этом случае начальные температурные зависимости на стадии инициирования взрывного разложения будут совпадать.

Рисунок 2. Рентгенограмма синтезированного порошка никеля

Полученный массив температур вспышки для импульса длительностью 12 нс и различных радиусов наночастиц имеет вид: [1496.7 1352.4 1286.1 1243.9 1214.3 1191.9 1174.2 1159.8 1147.9 1137.9 1129.3 1122.0 1115.6 1110.0 1105.1 1100.7 1096.8 1093.3 1090.1 1087.2 1084.5 1082.0 1079.8]. Первый элемент массива соответствует температуре вспышки ВВ с наночастицей алюминия радиуса 10 нм, второй - 15 нм и далее с шагом 5 нм до 120 нм. Мы видим, что температура существенно изменяется с увеличением радиуса. В химических реакциях увеличение температуры на 10 К приводит к увеличению скорости активируемых реакций в 2-4 раза. В данном случае температура вспышки изменяется более чем на 410 К. Посмотрим, как это скажется на расходе взрывчатого вещества (C), начальная она же и максимальная, концентрация (C_Маx) была равна 1.

На рисунке 2 представлена рассчитанная зависимость нормированной на начальную концентрация ВВ в первой от наночастицы ячейке. В рассчитанном диапазоне радиусов наночастиц алюминия в допороговом режиме существенно выгорание матрицы PETN в первой от наночастицы ячейке. Для наночастиц алюминия меньше 30 нм разложение ВВ вблизи наночастицы практически полное, что приводки к остановке разложения в этой ячейке. При увеличении радиуса температура вспышки уменьшается и разложение в допороговом - тоже. Однако даже для радиуса наночастицы алюминия 120 нм разложение достигает более 50%. Этот эффект необходимо учитывать при оптимизации состава капсюля оптического детонатора.

Список литературы

1. Rodzevich A.P., Gazenaur E.G., Krasheninin V.I. On a mechanizm of an electric field influence on physicotecnical specifications of materials //Applied Mechanics and Materials. - 2013. - Т. 379. - С. 154-160.

2. Ананьева М.В. Размерные эффекты разветвленных твердофазных цепных реакций: Дис. … канд. физ. - мат. наук. Кемерово. - 2010. - С. 142.

3. Звеков А.А. Кинетические закономерности взрывного разложения азида серебра в условиях импульсного лазерного инициирования: Дис. … канд. физ. - мат. наук. Кемерово. - 2010. - С. 147.

4. Боровикова А.П. Моделирование распространения волны твердофазной цепной реакции: Дис. … канд. физ. - мат. наук. Кемерово. - 2012. - С. 151.

5. Одинцова О. В. Инициирование композитов ТЭН - серебро первой и второй гармониками неодимового лазера // Аспирант. - 2015. - № 4. - С. 50-54.

6. Зыков И. Ю. Критическая плотность энергии инициирования тэна с добавками наночастиц алюминия // Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2013. - Т. 1. - № 1 (8). - С. 79-84.

7. Никитин А.П., Газенаур Н.В. Расчет спектральных закономерностей коэффициентов эффективности поглощения наночастиц меди //Аспирант. - 2015. - № 5-2 (10). - С. 73-76.

8. Радченко К.А. Исследование спектральной зависимости показателя поглощения ванадия // NovaInfo.Ru. - 2015. - № 36. - С. 16-22.

9. Одинцова О.В. Оптические свойства наночастиц серебра на первой гармонике неодимового лазера //Аспирант. - 2015. - № 8(2). - С. 71-74.

10. Иващенко Г.Э. Кинетика образования очага взрывного разложения композитов PETN-Ni // Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2015. - № 3 (18). - С. 33-40.

11. Радченко К.А. Критическая плотность закономерности инициирования взрывного разложения PETN-V неодимовым лазером длительностью 12 нс // Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2015. - № 3 (18). - С. 40-46.

12. Козленко Е.А. Формирование очага взрывного разложения композитов ТЭН - алюминий импульсом неодимового лазера //Аспирант. - 2015. - № 9. - С. 48-51.

13. Боровикова А.П., Иващенко Г.Э. , Радченко К.А., Галкина Е.В Моделирование взрывного разложения прессованных таблеток PEТN-наночастицы металлов // Вестник науки и образования Северо-Запада России. - 2015. - Т. 1. - № 1. - С. 217-223.

14. Иващенко Г.Э. Характеристики рассеяния света второй гармоники неодимового лазера наночастицами никеля в PETN //Аспирант. - 2015. - № 10. - С. 84-89.

15. Ананьева М.В., Зыков И.Ю. Лазерное инициирования композитов гексоген - алюминий // Молодой ученый. - 2015. - № 9 (89). - С. 65-70.

16. Газенаур Н.В., Никитин А.П. Инициирование взрывного разложения композитов PETN - наночастицы меди радиуса 50 нм // Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2015. - № 4 (19). - С. 97-103.

17. Никитин А.П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна с наночастицами хрома // Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2013. - № 2 (9). - С. 29-34.

18. Одинцова О.В.Расчет взрывной чувствительности композитов пентаэритритатетранитрат-серебро к действию лазерного импульса // Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2014. - № 4 (15). - С. 38-43.

19. Лукатова С.Г., Одинцова О.В. Взрывное разложение композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами золота // Вестник КемГУ. - 2014. - № 4-2(60). - С. 218-222.

20. Лукатова С.Г. Спектральные закономерности коэффициентов эффективности поглощения композитов золото-тэн// Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2014. - №2(13). - С. 54-58.

21. Одинцова О.В., Иващенко Г.Э. Временная форма импульса первой гармоники неодимового лазера // Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2015. - № 2 (17). - С. 43-48.

Размещено на Allbest.ru