Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
17.04.2015

Кинетические закономерности лазерного инициирования композитов тэн-серебро

Одинцова Оксана Витальевна
Студент 5 курса, Кафедра химии твердого тела, Химический факультет Кемеровский государственный университет, Кемерово, Россия
Иващенко Гюнель Эюб кызы
магистрант 2 курса кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, химический факультет, Кемеровский государственный университет Кемерово, Россия
Аннотация: В работе рассчитаны кинетические зависимости нагревания композитов тэн-серебро при инициировании импульсом неодимового лазера (длина волны 1064 нм) длительностью 12 нс. Расчеты проведены для радиуса наночастицы серебра 95 нм – оптимального размера ряда металлов для первой гармоники неодимового лазера. Показано, что при значении плотности энергии 0.75 Дж/см2 происходит нагревание системы с ее последующим остыванием без взрывного разложения. Расчеты кинетики изменения температуры на границе тэн-серебро при плотностях энергии 0.85 Дж/см2, 1 Дж/см2 и 1.25 Дж/см2 показали, что в этих случаях резкий рост температуры наблюдается во время действия импульса и индукционный период реакции отсутствует. Проведенные расчеты позволили сделать вывод, что наночастицы серебра являются перспективным материалом для использования его в составе капсюля оптического детонатора.
Ключевые слова: Наночастицы серебра, коэффициенты эффективности поглощения; взрывное разложение, оптический детонатор, тэн, лазерное излучение
Электронная версия
Скачать (833 Kb)

Наночастицы серебра применяются в исполнительных устройствах различного назначения: спектрально-селективных покрытиях для поглощения солнечной энергии, в катализаторах химических реакций, для антимикробной стерилизации и др. [1]. В некоторых из них процессы нагревания светом наночастиц металла играют негативную роль. Повышение температуры приводит к появлению термоупругих напряжений, способных привести к механическому разрушению изделия. В оптических детонаторах [2] нагрев светопоглощающей наночастицы металла лазерным импульсом приводит к инициированию взрывного разложения взрывчатого материала прозрачной матрицы. Оптимизация состава капсюлей требует поиска материалов с минимальным порогом срабатывания [2-5]. Введение в таблетку пентаэритритатетранитрата (тэна) наночастиц алюминия уменьшило на два порядка до 1 Дж/см2 (в сто раз) критическую плотность энергии инициирования первой гармоникой неодимового лазера [6-8]. В работах [8-11] рассчитаны критические плотности энергии инициирования взрывного разложения тэна с добавками наночастиц ряда металлов. Для направленного поиска материала и размерных характеристик, вводимых наночастиц, позволяющих получить наименьший порог лазерного импульсного инициирования, необходимо первоначально (перед экспериментальными исследованиями) провести моделирование данного процесса. Целью настоящей работы является расчет кинетических закономерностей процесса нагревания композитов тэн-серебро при инициировании импульсом неодимового лазера.

Развитие оптических систем инициирования взрывного разложения приводит к миниатюризации и сокращению длительности импульса на полувысоте (τ). В современных экспериментальных работах используется лазер с τ =12 нс [5]. При такой длительности лазерного импульса процессы кондуктивного переноса тепла в матрице и наночастице за время действия излучения затруднены [12]. В случае нанокомпозитов тэна, содержащих наночастицы металлов попадающий в образец свет претерпевает многократные отражения на границах зерен и наночастицах серебра. В силу хаотичности актов отражения происходит усреднение освещенности по направлениям [13-16], что позволяет использовать (как и в работах [1-12]) при расчетах сферическую симметрию, считая наночастицы также сферическим:

1.png

где T – температура, E – энергия активации разложения, t – время, k0= 1.2·1016 с-1 предэкспонент, Q = 9.64 КДж/см3– тепловой эффект реакции, α=1.1·10-3см2с‑1 и αM = 1.73785 см2с-1 коэффициенты температуропроводности тэна и серебра, R – радиус наночастицы, c = 2.22 Дж/(см3К) и cM= 2.468568 Дж/(см3К) – объемные теплоемкости материалов матрицы и включения соответственно, n – степень выгорания взрывчатого вещества, J(t) - поглощаемая плотность мощности излучения лазерного импульса.

Временная зависимость мощности лазерного импульса описывается функцией Гаусса [17]. Принимая за начало отсчета t положение максимальной мощности импульса, получаем [18]: 

2.png

где ki = 8.3255∙107 с-1 – параметр, соответствующий длительности импульса на полувысоте 12 нс [19]; Qabs– коэффициент эффективности поглощения наночастицы, который равен отношению сечения поглощения к геометрическому (πR2), Н0 – плотность энергии за импульс. Множители уравнения (3) нормируют интеграл от J(t) по времени на Н0.

Методик расчета коэффициента эффективности поглощения (Qabs) сферической наночастицей радиуса (R) описана в работах [13-16].

Рис. 1. Пространственное распределение температуры в системе тэн – серебро, инициированной первой гармоникой неодимового лазера 1064 нм, в различные моменты времени, указанные в легенде. H = 0.85 Дж/см2

Рис. 1. Пространственное распределение температуры в системе тэн – серебро, инициированной первой гармоникой неодимового лазера 1064 нм, в различные моменты времени, указанные в легенде. H = 0.85 Дж/см2

Основным параметром, определяющим зависимость Qabs(R) является комплексный показатель преломления (mi), который значительно зависит от длины волны и материала наночастицы. На первой гармоники неодимового лазера для серебра рассчитанное значение mi = 0.1623-7.175i [1]. Рассчитанная зависимость коэффициента эффективности поглощения от размера наночастицы серебра для первой гармонике неодимового лазера имеет максимум, положение которого составляет Qabsmax = 0.0695 при Rmax = 99.4 нм. При меньших радиусах кривая спадает до нуля, причем в пределе r→0 выполняется закон Рэлея. При больших радиусах зависимость Qabs(R) линейно уменьшается с осцилляциями. Численное решение уравнений модели (1)-(3) выполнялось на сетке с переменным шагом по координате. Методика описана в работе [12] и позволяет корректно учитывать поглощение света при помощи граничного условия (2). Полученная система обыкновенных дифференциальных уравнений решалась методом Рунге-Кутты 1-5 порядка с переменным шагом по времени.  

Рис.2. Кинетические закономерности изменения температуры на границе тэн – серебро, при инициировании первой гармоникой неодимового лазера 1064 нм плотностью энергии, указанные в легенде.  R= 95 нм

Рис.2. Кинетические закономерности изменения температуры на границе тэн – серебро, при инициировании первой гармоникой неодимового лазера 1064 нм плотностью энергии, указанные в легенде. R= 95 нм

При длительности импульса на полувысоте 12 нс до максимальной температуры разогреваются наночастицы серебра радиусом 60 нм (при Qabs(R)=const) [10, 20]. С учетом этого оптимальный радиус наночастицы серебра, обеспечивающий минимальную критическую плотность энергии будет меньше Rmax. Расчеты будем проводить при R= 95 нм. Это значение близко к рассчитанным для первой гармонике неодимового лазера оптимальным радиусам наночастиц: алюминия (98 [5]), кобальта (94 [19]), никеля (92 [21]), хрома (94 [22]) и меди (94 [23]).

На рис. 1 представлен результат моделирования процесса формирования очага взрывного разложения энергетического материала с наночастицами серебра за счет поглощения энергии лазерного излучения на первой гармонике неодимового лазера при плотности энергии импульса 0.85 Дж/см2. Время отсчитывается от максимума интенсивности лазерного импульса [18]. На графике представлен момент формирования очага взрывного разложения, который образуется не на границе тэн – серебро, а в объеме энергетического материала. Время начала формирования очага реакции составляет 9.2 нс, что соизмеримо с длительностью импульса. Экспоненциальный рост скорости энерговыделения за счет увеличения температуры приводит к очень быстрому взрывному разложения вещества, заканчивающемуся за несколько десятков пикосекунд.

На рис. 2 представлены рассчитанные временные зависимости температуры на границе тэн-серебро для различных значений плотности энергии. Из рисунка видно, что при значении плотности энергии 0.75 Дж/см2 происходит нагревание системы с ее последующим остыванием, взрывного разложения не наблюдается.

Максимальное значение температуры (разогрев – 600 К) достигается через 6 нс после максимума импульса, когда интенсивность импульса в 2 раза меньше максимальной. Несмотря на значительную величину притока энергии за счет поглощения импульса, температура в системе начинает уменьшаться. Уже через 30 нс после максимума импульса очаг разогрева остывает на 300 К.

Проведены расчеты кинетики изменения температуры на границе тэн-серебро при плотностях энергии 0.85 Дж/см2, 1 Дж/см2 и 1.25 Дж/см2. В этих случаях произошло превышение плотности энергии его критического значения и наблюдается резкий рост температуры, что соответствует тепловому взрыву.

Переход реакции в самоускоряющийся режим наблюдается через разные временные промежутки: 9 нс (при плотностях энергии 0.85 Дж/см2), 3 нс (1 Дж/см2) и 1 нс (1.25 Дж/см2) после максимума интенсивности импульса. Переход к взрывчатому разложению наблюдается во время действия импульса и индукционный период реакции, развивающейся по модели горячей точки – отсутствует. Это следует из определения индукционного периода, как времени между окончанием импульса и началом интенсивного самоускоряющегося разложения. В модели цепного взрыва после окончания импульса наблюдается выраженный индукционный период [24-25] даже при восьмикратном превышении критической плотности энергии.

Заключение

В работе рассчитаны кинетические зависимости нагревания композитов тэн-серебро при инициировании импульсом неодимового лазера (длина волны 1064 нм) длительностью 12 нс. Расчеты проведены для радиуса наночастицы серебра 95 нм – оптимальном размере ряда металлов для первой гармонике неодимового лазера. Показано, что при значении плотности энергии 0.75 Дж/см2 происходит нагревание системы с ее последующим остыванием без взрывного разложения. Расчеты кинетики изменения температуры на границе тэн-серебро при плотностях энергии 0.85 Дж/см2, 1 Дж/см2 и 1.25 Дж/см2 показали, что в этих случаях резкий рост температуры наблюдается во время действия импульса и индукционный период реакции отсутствует. Проведенные расчеты позволяют сделать вывод, что наночастицы серебра является перспективным материалом для использования его в составе капсюля оптического детонатора.

Авторы выражают глубокую благодарность научному руководителю профессору А.В. Каленскому.

Список литературы:

  1. Зыков И.Ю., Одинцова О.В. Спектральная зависимость коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в прозрачной матрице // Аспирант. – 2014. – № 5. – С. 94-97.
  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. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. Каленский А.В., Зыков И.Ю., Ананьева М.В. и др. Взрывная чувствительность композитов тэн-алюминий к действию импульсного лазерного излучения // Вестник КемГУ. – 2014. – № 3-3(59). – С. 211-217.
  9. 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.
  10. Лукатова С.Г., Одинцова О.В. Взрывное разложение композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами золота // Вестник КемГУ. – 2014. – № 4-2(60). – С. 218-222.
  11. Никитин А.П. Расчет критических параметров инициирования теплового взрыва тэна с наночастицами меди на разных длинах волн// Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2013. – №4(11). – С. 68-75.
  12. 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.
  13. 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.
  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. Звеков А.А., Каленский А.В., Адуев Б.П. и др. Расчет оптических свойств композитов пентаэритрит тетранитрат — наночастицы кобальта // Журнал прикладной спектроскопии. – 2015. – Т. 82. – № 2. – С. 219-226.
  16. 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.
  17. 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.
  18. Ананьева М.В., Каленский А.В. Допороговые режимы разветвленных твердофазных цепных реакций// Актуальные инновационные исследования: наука и практика.–2014. –№ 4. –С. 6.
  19. 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.
  20. Одинцова О.В. Расчет взрывной чувствительности композитов пентаэритритатетранитрат-серебро к действию лазерного импульса // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2014. – № 4 (15). – С. 38-43.
  21. 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.
  22. Никитин А.П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна с наночастицами хрома // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2013. – №2 (9). – С. 29-34.
  23. Газенаур Н.В., Зыков И.Ю., Каленский А.В. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны // Аспирант. – 2014. –№5. – С. 89-93.
  24. Ананьева М.В., Каленский А.В. Инициирование взрывного разложения микрокристаллов азида серебра //Молодой ученый. – 2014. – № 19. – С. 52-55.
  25. 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.