Исследование взрывной чувствительности композитов гексоген-никель

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Кемеровский государственный университет

Химические науки

Исследование взрывной чувствительности композитов гексоген-никель

Иващенко Гюнель Эюб кызы, магистр, студент

Одинцова Оксана Витальевна, студент

Аннотация

В статье проведено обсуждение перспективы разработки оптических детонаторов на основе штатного бризантного взрывчатого вещества гексоген, сенсибилизированного светопоглощающими наночастицами никеля. Сформулирована микроочаговая модель процесса, рассчитаны кинетические закономерности разложения.

Ключевые слова: МИКРООЧАГОВАЯ МОДЕЛЬ, ОПТИЧЕСКИЙ ДЕТОНАТОР, НАНОЧАСТИЦЫ НИКЕЛЯ, ГЕКСОГЕН

Похожие материалы

· Вероятностный характер взрывного разложения нанокомпозитов pent -- ni лазерным импульсом

· Взрывное разложение нанокомпозитов pent -- ni и pent -- co лазерным импульсом

· Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц вольфрама на длинах волн лазеров

· Неразрушающий контроль исполнительных устройств на основе композитов petn с наночастицами никеля

· Резонансное поглощения наночастиц никеля

Энергетические материалы, селективно чувствительные к лазерному излучению, являются перспективной основой создания оптических детонаторов [1]. В настоящее время разработаны оптические детонаторы на основе азида серебра [2]. Низкая селективность оптических детонаторов на его основе (высокая чувствительность к нагреванию, удару, трению, электрическому полю) может приводить к их несанкционированному срабатыванию и многочисленному экономическому ущербу [3, 4]. Одним из основных направлений разработки оптических детонаторов является создание композитов на основе существующих бризантных взрывчатых веществ и светочувствительных добавок наночастиц металлов [5].

В работах [6-9] показано, что добавки наночастиц алюминия, кобальта, никеля позволяют значительно (в десятки, а иногда и до сотни раз) снизить критическую плотность энергии лазерного инициирования пентаэритритатетранитрата. Бризантные взрывчатые вещества (ВВ), содержащие наночастицы металлов, являются перспективным материал для капсульных составов оптических детонаторов. Одним из наиболее используемых в промышленности ВВ является гексоген ([(CH_2)_3N_3NO_2]_3 (RDX, T4)), однако закономерности инициирования этого материала, содержащего светопоглощающие наночастицы металла, лазерным излучения не исследованы. Поэтому исследование кинетических закономерностей импульсного взрывного разложения композитов гексоген-никель представляет большой интерес.

Цель работы: оценить параметры микроочаговой модели процесса взрывчатого разложения гексоген-никель, рассчитать кинетические закономерности инициирования композитов на основе гексогена с наночастицами никеля. оптический детонатор гексоген никель

Модель разогрева наночастиц лазерным излучением

Модель инициирования взрывного разложения ВВ за счет нагревания находящейся там одинокой наночастицы металла сформулирована в работах [5-11]. В модели учитываются процессы поглощения лазерного импульса наночастицей металла, нагревания ВВ за счет кондуктивного теплопереноса, а также тепловыделение за счет химической реакции разложения энергетического материала. Скорость разложения лимитируется уравнением Аррениуса, учитывается расход вещества. Использование сферической симметрии обусловлено тремя факторами. Первое: лазерное излучение претерпевает многократные отражения на границах зерен и наночастицах металлов [12], поэтому каждый из квантов света испытает несколько актов отражения и происходит существенное усреднение освещенности по направлениям [13]. Второе: хотя нагревание осуществляется преимущественно с передней грани, но малые размеры наночастицы и особенно большое значение коэффициента температуропроводности приводит к практически постоянной температуре в наночастице. Третье: особенности поглощения лазерного монохроматического света с длиной волны 1064 нм (наиболее мощный на сегодняшний день неодимовый лазер) на порядок большей радиуса наночастицы проявляются в практически объемном характере поглощения в наночастицах никеля [14]. Следовательно, возможные неточности, возникающие при использовании одномерной сферической системы координат, компенсируются возможностью точного расчета кинетики процесса за счет использования разностной схемы с малым шагом по координате. Для расчета кинетических закономерностей взрывного разложения численно решалась методом Рунге Кутта 5 порядка с переменным шагом по времени система обыкновенных дифференциальных уравнений модели на сетке с переменным шагом по координате [15]. Моделирование процесса взрывного разложения композита гексоген - никель проводили при следующих значениях параметров: объемная теплоемкость гексогена 2.26 Дж/см^3 K, объемная теплоемкость никеля 3.95 Дж/см^3K, коэффициенты температуропроводности ВВ 4.46•10^-4 см^2с^-1 и никеля 0.23 см^2с^-1, энергия активации процесса разложения ВВ 197.3 кДж/(моль·К), предэкспонент - 2·10^18 с^-1, тепловой эффект химической реакции разложения ВВ 3.792 кДж/см^3 [16]. Обращает внимание разлитие почти в 500 раз коэффициентов температуропроводности матрицы и металла, к кинетическим следствиям этого вернемся позже.

На границе наночастица - ВВ происходит поглощение излучения в ячейке, состоящей из слоя металла и энергетического материала. В результате для границ каждой ячейки используем соответствующий коэффициент температуропроводности. Зависимость мощности лазерного импульса от времени хорошо описывается функцией Гаусса [17]. В работе длительность импульса на полувысоте принималась равной 20 нс. Это типичное значение для современных экспериментальных лазерных стендов. На границе рассматриваемой области (наночастица радиуса R и слой энергетического материала толщиной 7R) задавалось условие первого рода T=300K.

На рис. 1 представлены результаты моделирования кинетических закономерностей нагревания композита гексоген-никель, инициированного импульсном с плотностью энергии 70 мДж/см^2. Радиус наночастицы выбран равным 100 нм. Это значение близко к рассчитанным для первой гармоники неодимового лазера оптимальным радиусам наночастиц: меди (94 [18]), хрома (94 [19]), алюминия (98 [10-13]), кобальта (94 [8]) и никеля (92 [20]), обеспечивающим минимальную плотность энергии инициирования взрывного разложения. Время отсчитывается от максимума интенсивности лазерного импульса, поэтому моменту времени 0 секунд соответствует поглощение половины энергии импульса и разогрев наночастицы на 484 К (до 784 К). Распределение температуры в системе имеет существенную особенность: в наночастице температура практически постоянна, чему соответствует горизонтальная, параллельная оси Х прямая. Большое значение коэффициента температуропроводности обеспечивает равномерное нагревание наночастицы радиуса в 100 нм импульсом лазера длительностью 20 нс. Малое значение коэффициента температуропроводности матрицы приводит к медленному прогреванию слоя гексогена: разница в температурах на участке в 10 нм - более 200 К (от 784 К на поверхности наночастицы 0.1 мкм до 568 К на расстоянии 0.11 мкм от центра наночастицы). В положительные моменты времени происходит уменьшение мощности импульса, но нагревание за счет поглощения превалирует над охлаждением за счет теплопроводности в матрицу. В результате температура повышается за следующие 5 нс до 964 К (на 180 К). Взрывного разложения нет, так как нагрета до столь больших температур ограниченная область ВВ. В закономерностях цепного взрыва имеется размерный эффект аналог данного, когда при уменьшении размера реакционной области необходимо существенно увеличить внешнее воздействия для реализации самоускоряющегося режима разложения ВВ [21]. При данной плотности энергии (70 мДж/см^2) взрывное разложение начинается после уменьшения мощности лазерного импульса более чем в 2 раза. На рис. 1. представлен момент формирования очага взрывного разложения, который образуется не на границе ВВ - наночастица, а в объеме энергетического материала. Время начала формирования очага в системе гексоген-никель при данной плотности энергии и длительности импульса составляет примерно 10.8 нс. Индукционный период реакции, развивающейся по механизму теплового взрыва - отсутствует. Реакция начинает интенсивно ускорять во время действия импульса при незначительном превышении критической плотности энергии импульса. Отсутствие индукционного периода может стать отличительной характеристикой теплового и цепного взрыва, где после окончания импульса наблюдается выраженный индукционный период [2-3].

Рис. 1 Формирования очага взрывного разложения вблизи границы гексоген-никель

Для понимания причины отсутствия индукционного периода взрывного разложения (как промежутка времени между окончанием импульса и началом интенсивного процесса разложения) рассчитаем кинетические закономерности температуры в системе. На рис. 2 представлены рассчитанные временные зависимости температуры на границе гексоген - никель для значений плотности энергии 40, 50, 60 и 70 мДж/см^2. Из рисунка видно, что при значении плотности энергии инициирования меньше критического значения (70 мДж/см^2), происходит только нагрев системы с ее последующим остыванием, взрывного разложения не происходит. В случае превышения критической плотности энергии происходит резкий рост температуры, что соответствует тепловому взрыву. Максимальное значение температуры наблюдается в моменты времени приблизительно соответствующие времени ослабления мощности импульса в 3 раза. При плотности энергии 40 мДж/см^2 максимальная температура наблюдается в момент времени 12.84 нс, при 50 мДж/см^2 - через 12.94 нс, и вблизи критической плотности энергии 60 мДж/см^2 - через 13.4 нс после максимума импульса. Большие градиенты температуры, созданные мощным лазерным импульсов приводят к быстрому остыванию очага после окончания импульса. Либо взрыв осуществляется в момент действия импульса, либо он не реализуется вообще, что проявляется в отсутствии индукционного периода взрывного разложения. Реакция начинает интенсивно ускорять во время действия импульса при незначительном превышении критической плотности энергии импульса.

Рис. 2 Рассчитанные кинетические закономерности изменения температуры на границе а гексоген-никель при инициировании импульсом лазером длительностью на полувысоте 20 нс и плотностями энергии указанными в легенде

Заключение

В работе рассчитаны кинетические зависимости нагревания композитов гексоген-никель при инициировании импульсом неодимового лазера длительностью 20 нс. Расчеты проведены для радиуса наночастицы никеля 100 нм - оптимальном размере ряда металлов для первой гармоники неодимового лазера. Показано, что при значении плотности энергии 60 мДж/см^2 и менее происходит нагревание системы с ее последующим остыванием без взрывного разложения. Расчеты кинетики изменения температуры на границе гексоген-никель при плотностях энергии 70 мДж/см^2 показали, что в этих случаях резкий рост температуры наблюдается во время действия импульса и индукционный период реакции отсутствует. Относительно небольшие значения критической плотности энергии нанокомпозита гексоген-никель позволяют сделать вывод о перспективности его использования в качестве капсюля оптического детонатора и необходимости дальнейшего экспериментального и теоретического исследования процессов его взрывного разложения.

Авторы выражают глубокую благодарность научному руководителю 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. Халиков Р. М. Технологические схемы решения экологических проблем регионального производства материалов // Nauka-Rastudent.ru. 2014. № 3 (03). С. 10.

5. Адуев Б.П., Ананьева М.В., Звеков А.А. и др. Микроочаговая модель лазерного инициирования взрывного разложения энергетических материалов с учетом плавления// Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. № 6. С. 92-99.

6. 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.

7. Kalenskii A.V., Kriger V.G., Zvekov A.A. et al The Microcenter Heat Explosion Model Modernization // Известия ВУЗов. Физика. 2012. Т. 55. № 11/3. С. 62 - 66.

8. Ананьева М.В., Каленский А.В., Гришаева Е.А. и др. Кинетические закономерности взрывного разложения ТЭНа, содержащего наноразмерные включения алюминия, кобальта и никеля // Вестник КемГУ. 2014. № 1-1(57). С. 194-200.

9. Каленский А.В., Ананьева М.В., Звеков А.А. и др. Спектральная зависимость критической плотности энергии инициирования композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами никеля// Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2014. Т. 11. № 3. С. 340-345.

10. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Фурега Р.И. и др. Взрывчатое разложение тэна с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны // Химическая физика. 2013. Т. 32. № 8. С. 39-42.

11. Каленский А.В., Звеков А.А., Ананьева М.В. и др Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов // Физика горения и взрыва. 2014. Т. 50. № 3. С. 98-104.

12. 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.

13. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р., Белокуров Г.М. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите с использованием фотометрического шара // ЖТФ. 2014. Т. 84. № 9. С. 126 - 131.

14. 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.

15. Кригер В.Г., Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Процессы теплопереноса при лазерном разогреве включений в инертной матрице // Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т. 20. № 3. С. 375-382.

16. Физика взрыва / под ред. Орленко Л. П.. М.: Наука, 2004. Т. 1. 832 с.

17. 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.

18. Газенаур Н.В., Зыков И.Ю., Каленский А.В. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны // Аспирант. 2014.№5. С. 89-93.

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

20. Каленский А.В., Ананьева М.В., Никитин А.П. Оптические характеристики наночастиц никеля в прозрачных матрицах // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 11-1(43). С. 5-13.

21. Ananyeva M.V., Kriger V.G. и др. Comparative analysis of energetic materials explosion chain and thermal mechanisms// Известия ВУЗов. Физика. 2012. Т. 55. № 11-3. С. 13-17.

Размещено на Allbest.ru