Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
30.06.2015

Кинетические закономерности цепного и теплового взрывов

Каленский Александр Васильевич
доктор физико-математических наук, профессор кафедры химии твердого тела, Кемеровский государственный университет Кемерово, Россия
Зыков Игорь Юрьевич
Инженер, Кемеровский государственный университет, Кемерово, Россия
Аннотация: Исследованы кинетические закономерности взрывного разложения прессованных таблеток пентаэритриттетранитрат – алюминий и монокристаллов азида серебра при возбуждении импульсом неодимового лазера (длина волны 1064 нм, длительность на полувысоте – 12 нс) с высоким временным разрешением. Результаты необходимы для создания исполнительных устройств на основе инициирующих и вторичных взрывчатых веществ.
Ключевые слова: наночастицы металлов, оптический детонатор, энергетические материалы
Электронная версия
Скачать (731 Kb)

Использование оптических детонаторов значительно повышает безопасность взрывных работ в добывающей промышленности [1, 2]. Разработан оптический детонатор на основе инициирующего взрывчатого вещества – азида серебра (АС) [3, 4] и разрабатывается на основе бризантных взрывчатых веществ [5, 6]. Для возникновения взрывного разложения необходимо наличие механизмов сильной положительной обратной связи: лавинообразное увеличение неравновесной концентрации реагентов [7, 8], или увеличение температуры [9-11]. Нами показано, что в кристаллах АС импульсным излучением инициируется разветвленная твердофазная цепная реакция [12, 13], а в прессованных таблетках пентаэритриттетранитрата (ТЭН) с добавками наночастиц алюминия, кобальта, никеля реализуется тепловой взрыв в микроочаговом варианте [14-16]. Экспериментальное доказательство природы взрывного разложения даже одного состава является сложной задачей, включающей значительный объем как экспериментальных, так и теоретических исследований [17, 18].

Целью настоящей работы является поиск относительно легко реализуемых экспериментальных методик определения природы взрывного разложения инициирующих и бризантных взрывчатых веществ.

Рис. 1. Схема установки.

Рис. 1. Схема установки.
1 – лазер, 2 – нейтральные светофильтры, 3 – полосовые светофильтры,
4 – призма Дове, 5 – измеритель энергии лазерного импульса, 6 – интерференционное зеркало, 7 – формирующая диафрагма, 8 – поворотное зеркало, 9 – объектив, 10 – защитная пластинка, 11 – образец,
12 – металлическое основание, 13 – фотоэлектронный умножитель панорамного обзора, 14 – фотоэлектронный умножитель зонного обзора, 15 – цифровой осциллограф. Стрелками показаны путь лазерного излучения (сплошные) и путь излучения образца (пунктир).

Исследованные закономерности пороговой плотности энергии от длительности импульса, размера образца, радиуса импульса и др. показывают близость результатов в рамках различных модельных представлений [19-21]. В настоящей работе исследуются кинетические закономерности, сопровождающие взрывное разложение монокристаллов АС и прессованных таблеток ТЭНа с добавками наночастиц алюминия средним размером 50 нм. Схема экспериментальной установки [22, 23] представлена на рис. 1. В качестве источника импульсного излучения использовался лазер 1 на иттрий алюминиевом гранате с примесью неодима, работающий в режиме модуляции добротности. Длительность импульса излучения составляла 12 нс, максимальная энергия в импульсе на первой гармонике (1064 нм) – 1.54 Дж.

Варьирование плотности энергии осуществлялось с помощью нейтральных 2 и полосовых 3 светофильтров. Для контроля энергии импульса, часть излучения отводилась с помощью призмы Дове 4 на измеритель энергии лазерного импульса 5, в качестве которого использовался колориметр ИКТ-1Н. Формирование пучка с однородным распределением освещенности на поверхности образца достигалось проекционным способом [24, 25]. Лазерный импульс проходил следующий оптический путь: интерференционное зеркало 6, формирующую диафрагму 7 (вырезающую среднюю часть импульса), поворотное зеркало 8, объектив 9 и защитную (от разлетающихся продуктов взрыва) пластинку 10. Образец 11 помещался на алюминиевое основание 12 – пластину-свидетель. Развитие процесса в наносекундном масштабе времени фиксировалось двумя фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) 13 и 14. Фотоэлектронный умножитель панорамного обзора 13 измерял интенсивность свечения всей экспериментальной ячейки. Фотоэлектронный умножитель зонного обзора 14 фиксировал кинетику свечения облучаемой части образца [26, 27]. Сигналы поступали на входные каналы цифрового осциллографа 15. На рис. 1 стрелками показан путь лазерного излучения (сплошные) и путь излучения образца (пунктир).

Получаемый лазерный импульс близок к дифракционному, имеет высокую пространственную однородность и малый статистический разброс основных параметров. Формирование пучка с однородным распределением освещенности и резким контрастом на границах достигалось проекционным способом. Метод сопряженных плоскостей позволил формировать на поверхности кристаллов пучки высокой однородности размером от 10 до 2000 мкм.

Рис. 2 Нормированные зависимости интенсивности импульса от времени, точки – эксперимент, линия – аппроксимация функцией Гаусса (1)
Рис. 2 Нормированные зависимости интенсивности импульса от времени,
точки – эксперимент, линия – аппроксимация функцией Гаусса (1)

Увеличение оптической системы составляло 0.1. Использование проекционного способа позволило наблюдать за свечением образцов только из зоны облучения лазерным пучком. Для регистрации лазерного импульса, его расщепляли на два луча. Для этого на пути лазерного пучка устанавливалась призма Дове, которая отводила 90 процентов энергии импульса на калориметр. Сигнал с ИКТ (измеритель калориметрический твердотельный) подавался на осциллограф и далее – на компьютер.

В качестве экспериментальных образцов использовались прессованные таблетки тэна с добавками наночастиц алюминия 0.1% по массе. Исходный для приготовления прессованных таблеток порошок ТЭНа имел средние размеры 1‑2 мкм, алюминия – 50 нм. Методики приготовления образцов ТЭНа и АС описаны в работах [28, 29].

Экспериментальные осциллограммы взрывчатого свечения образцов АС и ТЭНа проходили компьютерную обработку, в ходе которой определялся индукционный период реакции взрывного разложения.

Рис. 3 – Типичные осциллограммы кинетики взрывного разложения монокристаллов АС

Рис. 3 – Типичные осциллограммы кинетики взрывного разложения монокристаллов АС,
не полностью накрытых лазерным импульсом. 1 – сигнал импульса, 2 – зонного, 3 - обзорного ФЭУ

На рис. 3 приведена типичная осциллограмма взрывного разложения АС. По окончании лазерного воздействия существует индукционный период (задержка инициирования взрыва), длительность которого уменьшается с увеличением энергии воздействующего импульса, но даже для 10 кратного превышения необходимой для инициирования взрыва плотности энергии индукционный период значительно больше 10 нс и хорошо определяется. Звук взрыва – слабый, на пластине – свидетеле следов воздействия продуктов взрыва не наблюдается. При замене алюминиевой пластинки на стеклянную толщиной 900 мкм, стекло не трескается, на нем остается след от кристалла, который легко стирается. Пластину можно использовать до 20 раз, пока она не начнет трескаться.

Сигналы зонных и панорамных ФЭУ имеют качественные различия. Первые имеют относительно простую структуру (как правило, один максимум) и относительно малую длительность. Сигналы же панорамных ФЭУ имеют более сложную структуру и большую длительность. В результате серии испытаний образцов размерами как больше, так и меньше диаметра зоны облучения, выявлены следующие закономерности: При импульсном инициировании взрывного разложения образца возникают два характерных пика свечения, фиксируемых ФЭУ панорамного обзора (рисунок 3 кривая 3):

Первый – свечение взрывного разложения в зоне воздействия;

Второй определяется распространением реакции взрывного разложения в необлученную часть кристалла.

Кроме того, возникает свечение, обусловленное разлетом и столкновением продуктов разложения с окружающим газом и подложкой. Эти процессы также приводят к появлению локальных максимумов свечения, количество и положение которых зависит от геометрии экспериментальной ячейки, диаметра и плотности энергии инициирующего импульса, размеров кристалла. При диаметрах зоны облучения d > 400 мкм первый пик панорамного ФЭУ ярко выражен.

Экспериментальные кинетические зависимости взрывного разложении прессованных таблеток ТЭН-алюминий и монокристалов АС значительно отличаются. В случаи ТЭНа взрыв сопровождается громким звуком и полным выносом энергетического материала, запрессованного в медную пластину. На алюминиевой подложке от образца остается круглый след. На начальном участке увеличение интенсивности свечения, фиксируемого ФЭУ зонного и панорамного обзора (рис. 4) подобно с одинаковой эффективной константой. Отличительной особенность кинетических закономерностей взрывчатого разложения прессованных таблеток ТЭН-алюминий является отсутствие индукционного периода.

Рис. 4. Экспериментальная кинетика свечения таблеток тэн-кобальт в режиме взрывчатого разложения

Рис. 4. Экспериментальная кинетика свечения таблеток тэн-кобальт
 в режиме взрывчатого разложения

Свечение начинается сразу (аналогично радиолюминесценции) с действием импульса и на 10–20 нс раньше поглощения образцом пороговой энергии инициирования взрывчатого разложения. Следовательно, природу взрывного разложения можно определить по кинетическим закономерностям взрывного разложения: отсутствие индукционного периода является весомым аргументом в пользу механизма теплового взрыва, наоборот, наличие ярко выраженного индукционного периода может свидетельствовать в пользу механизма цепного взрыва. Представленные результаты имеют большое практическое значение при проектировании новых капсульных составов для оптических детонаторов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ госзадание № 2014/64.

Список литературы:

1. Ананьева М.В., Звеков А.А. 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., Kalensii A.V. The size effects and before-threshold mode of solid-state chain reaction // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия. – 2014. – Т. 7. – № 4. – С. 470-479.

4. Кригер В.Г., Каленский А.В. и др. Способ регулирования порога инициирования оптического детонатора // патент на изобретение RUS. № 2538263. 26.06.2013.

5. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. и др. Модификация свойств взрывчатых материалов добавками нанодисперсных энергоемких металлических частиц //Химия в интересах устойчивого развития. – 2015. – Т. 23. – № 2. – С. 183-192.

6. Каленский А.В., Ананьева М.В. 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.

7. Боровикова А.П., Каленский А.В., Зыков И.Ю. Пространственно-временные характеристики волны горения в азиде серебра // Аспирант. – 2014. – №3. – С. 37 – 42.

8. Ананьева М.В., Каленский А.В. Математическое моделирование взрывного разложения энергетических материалов // Молодой ученый. – 2014. – № 21. – С. 1-6.

9. Кригер В.Г., Каленский А.В. и др. Кинетическая модель цепно-теплового взрыва азида серебра // Известия ВУЗов. Физика. – 2011. – Т 54. – № 1(3). – С. 24-30.

10. Гришаева Е.А., Кригер В.Г. и др. Механизм цепно-теплового взрыва энергетических материалов // Известия ВУЗов. Физика. – 2013. – Т. 56. – № 9-3. – С. 159-161.

11. Каленский А.В., Булушева Л.Г. и др. Моделирование граничных условий при квантовохимических расчетах азидов металлов в кластерном приближении //Журнал структурной химии. 2000. Т. 41. № 3. С. 605-608.

12. Боровикова А.П., Каленский А.В. Методика моделирования распространения взрывного разложения азида серебра // Аспирант. – 2014. №4. – С. 96 – 100.

13. Кригер В.Г., Каленский А.В. Звеков А.А. Релаксация электронно-возбужденных продуктов твердофазной реакции в кристаллической решетке // Химическая физика. – 2012. – Т. 31. – № 1. – С. 18-22.

14. Каленский А.В., Звеков А.А. 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.

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. Kalenskii A.V., Kriger V.G. and others The Microcenter Heat Explosion Model Modernization // Известия ВУЗов. Физика. – 2012. – Т. 55. – № 11-3. – С. 62-65.

17. Кригер В.Г., Каленский А.В. и др. Механизм твердофазной цепной реакции // Материаловедение. 2006. № 9. С. 14-21.

18. Кригер В.Г., Каленский А.В. Размерный эффект при инициировании разложения азидов тяжелых металлов импульсным излучением // Химическая физика. 1996. Т. 15. № 3. С. 40-47.

19. Ananyeva M.V., Kriger V.G. and others Comparative analysis of energetic materials explosion chain and thermal mechanisms // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2012. – Т.55. – №11-3. – С. 13-17.

20. 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.

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

22. Каленский А.В., Зыков И.Ю. и др. Взрывная чувствительность композитов тэн-алюминий к действию импульсного лазерного излучения // Вестник КемГУ. – 2014. – № 3-3(59). – С. 211-217.

23. Каленский А.В., Кригер В.Г. и др. Зависимость пороговой энергии инициирования монокристаллов азида серебра от диаметра зоны облучения //Ползуновский вестник. 2006. № 2-1. С. 75-77.

24. Каленский А.В., Ананьева М.В. Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц кобальта в прозрачных средах // Справочник. Инженерный журнал с приложением. – 2015. – № 5 (218). – С. 56-60.

25. Кригер В.Г., Каленский А.В. и др. Определение пространственных характеристик волны цепной реакции в азиде серебра // Химическая физика. – 2014. – Т. 33. – № 8. – С. 22-29.

26. Каленский А.В., Ананьева М.В. и др. Коэффициент захвата электронных носителей заряда на экранированном отталкивающем центре // Химическая физика. – 2014. – Т. 33. – № 4. – С. 11 – 16.

27. Кригер В.Г., Каленский А.В. и др. Диффузионная модель разветвленной цепной реакции взрывного разложения азидов тяжелых металлов // Химическая физика. – 2009. – Т. 28. – № 8. – С. 67-71.

28. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите с использованием фотометрического шара // Журнал технической физики. – 2014. – Т. 84. – №9. – С. 126 – 131.

29. Адуев Б.П., Нурмухаметов Д.Р. 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.