Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
30.09.2015

Модель инициирования композитов PENT-олово импульсом неодимового лазера

Галкина Елена Владимировна
Аспирант институт фундаментальных наук, кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, Кемеровский государственный университет, Кемерово, Россия
Радченко Кристина Анатольевна
магистрант 2 курса кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, химический факультет, Кемеровский государственный университет Кемерово, Россия
Аннотация: Сформулирована микроочаговая модель инициирования композитов PENT-олово импульсом неодимового лазер. Создан пакет прикладных программ для расчетов оптических характеристик наночастиц олова переменного радиуса в прозрачной матрице, зависимости критической плотности энергии инициирования прессованных таблеток PENT-олово от радиуса металлических наночастиц и длительности импульса, кинетических закономерностей процесса эволюции рассматриваемой системы в поле лазерного импульса.
Ключевые слова: пакет прикладных программ, наночастицы олова, пентаэритрит тетранитрат, оптический детонатор, математическое моделирование
Электронная версия
Скачать (681.2 Kb)

Современная промышленность потребляет множество разнообразных материалов. Металлическое олово и его сплавы (бронза) широко использовались еще в древнем мире. Однако на сегодняшний день его применение явно недостаточно. Аномально высокая температура кипения олова открывает новые возможности его использования в оптических системах, где возможно быстрое локальное повышение температуры [3, c. 51, 5, c. 215, 10, c. 93, 12, c. 38, 13, c. 160, 23, c. 55, 24, c. 376]. Возможность использования наночастиц олова в составе композитов на основе бризантных взрывчатых веществ (ВВ) для создания оптического детонатора рассматривалось в работе [7, с. 7]. Показано, что прессованные таблетки пентаэритриттетранитрата (PENT) с наночастицами олова (наряду с алюминием, никелем, кобальтом [7, c. 8, 10, c. 93, 15, c. 80]) являются перспективным материалом для создания оптического детонатора. Актуальность исследования определяется разработкой оптических детонаторов [7, с. 5, 19, с. 216] на основе инициирующих [1, c. 471, 2, c. 26, 8, c. 53, 17, c. 12] и вторичных ВВ [6, c. 687, 11, c. 127] для повышения безопасности взрывных работ и уменьшения технологических рисков. Теоретическое исследование механизма взрывного разложения ВВ, математическое моделирование самоускоряющегося процесса [1-21] являются необходимым этапом оптимизации составов капсюлей оптических детонаторов [25, c. 30, 26, c. 83, 27, c. 221].

Целью настоящей работы является: формулировка микроочаговой модели инициирования взрывного разложения композитов PENT-олово импульсом неодимового лазера; создание пакета прикладных программ для расчетов оптических характеристик наночастиц олова в прозрачной матрице, критической плотности энергии и кинетических закономерностей процесса эволюции рассматриваемой системы в поле лазерного импульса.

Экспериментальные исследования взрывного разложения PENT-алюминий осуществлялось при длительности импульса на полувысоте 12 нс [9, с. 40], а теоретические в основном при 20 нс [7, c. 7]. Корректное сравнение экспериментальных и теоретических закономерностей взрывного разложения возможно только при одинаковой форме и длительности импульса. Вопрос о влиянии формы инициирующего импульса систематически не исследован. В работах [2, c. 26, 12, c. 38, 22, c. 290] приведена осциллограмма кинетической зависимости интенсивности импульса неодимового лазера, записанная фотоэлектронным калориметром. Форма импульса хорошо описывается функцией Гаусса [1, c. 471, 8, c. 53]. В работах [9-10, 13-27] для моделирования формы импульса, инициирующего составы гексоген или PENT с добавками наночастиц различных металлов использовалась длительность импульса на полувысоте 20 нс. Параметр ki, определяющий длительность импульса, при этом, составлял значение 8.3255·107 с-1. В нашей работе форма импульса сохранится при увеличении параметра ki до значения 1.38759·108 с-1 (длительность импульса на полувысоте 12 нс).

Основные процессы, учитываемые в микроочаговой модели инициирования взрывного разложения композитов на основе прозрачной матрицы и светопоглощающих наночастиц металлов это: повышение температуры наночастицы и матрицы за счет поглощения лазерного импульса; остывание очага реакции за счет теплопроводности; разогрев в результате протекания химической реакции экзотермического разложения ВВ. Для близких систем модель сформулирована в работах [9-10, 13-27]. Новыми параметрами модели для олова являются коэффициент температуропроводности 0.229628 см2с-1, теплоемкость металла 1.669397 Дж/(см3·К), комплексный показатель преломления 3.44 - 7.34i.

Оптические свойства наночастиц олова рассчитывались в рамках теории Ми по методике, представленной в работах [6, c. 686, 7, c. 8, 9, c.40, 1, c. 127, 14, c. 750, 16, c. 44, 18, c. 5, 19, c. 212, 20, c. 148, 21, c. 143, 23, c. 55, 25, c. 30, 26, c. 84, 27, c. 220]. Основными параметрами для расчета коэффициента эффективности поглощения (отношение сечений поглощения к геометрическому) является комплексный показатель преломления материала матрицы (1.54 для PENT) и включения (3.44 - 7.34i) [7, c. 8]. Отсутствие мнимой части показателя преломления матрицы означает, что PENT не поглощает лазерное излучение. В блоке прикладной программы, написанной в математическом пакете MatLab (лицензия № 824977), могут рассчитываться как индивидуальные оптические свойства наночастиц при фиксированных значениях радиусов и оптической плотности матрицы, так и зависимости коэффициентов эффективности поглощения, рассеяния, экстинкции от радиуса наночастицы олова, длины волны света, показателя преломления материала матрицы. В процессе расчета могут определяться экстремальные значения оптических свойств наночастиц при варьировании перечисленных выше параметров матрицы и наночастицы. Строятся необходимые графики зависимости коэффициента эффективности поглощения, рассеяния и экстинкции от радиуса наночастицы, локализуются максимумы поглощения, значения радиуса соответствующего максимуму и др. В широких пределах варьируется область значений физико-химических параметров импульса, наночастиц и PENT.

Методика численного решения дифференциальных уравнений модели выполнялось на сетке с переменным шагом по координате и сформулирована в работе [24, с. 376]. Система обыкновенных дифференциальных уравнений решалась методом Рунге-Кутты 1-5 порядка с переменным шагом по времени. Критическая плотность энергии осуществлялась методом деления отрезка пополам, определяющим быстрое нахождение искомой величины с необходимой точностью. В результате, для каждого радиуса наночастиц, длины и длительности импульса рассчитываются два значения плотности энергии. Одно число означает максимальную плотность энергии моделируемого импульса, при котором реакция затухает. Второе – минимальное значение, при котором наблюдается самоускоряющийся режим реакции. Разность между ними, деленная на большее из этих двух чисел определяет точность расчета. В работах [5, с. 215, 22, с. 290] она задавалась на уровне 10-3, в более поздних - 10-4 [1-4, 7-10, 13-21, 23-27]. Такая точность не позволяет исследовать закономерности образования очага реакции, сопровождающиеся уменьшением температуры очага перед взрывом, как в исследованных ранее цепно-тепловых режимах процесса [3, с. 51, 5, с. 215, 13, с. 160]. В созданном пакете прикладных программ точность расчета критических параметров процесса является варьируемым параметром. В ряде задач она действительно достаточна на уровне 10-4. Однако для исследования закономерностей формирования очага реакции необходимо значительно увеличить точность расчета пороговой энергии инициирования. Расчет продолжается для каждого радиуса наночастицы до тех пор, пока максимальное значение плотности энергии, при которых взрывной режим не реализуется (H1), и минимальное значение плотности энергии (H2), при которой реализуется самоускоряющийся режим не отличается более чем на 10-8. Для иллюстрации возможностей пакета прикладных программ рассчитаны H1 и H2 для композитов PENT – наночастицы олова радиусом 95 нм. Именно такой радиус наночастиц алюминия, кобальта, никеля, хрома, меди, золота и др. металлов является оптимальным для формирования очага реакции взрывного разложения PENT импульсом неодимового лазера. Длительность неодимового лазера на полувысоте – 12 нс. Значение коэффициента эффективности поглощения - 0.846. H1 = 0.0593521594 Дж/см2, H2= 0.0593521597 Дж/см2. Значение критической плотности энергии инициирования взрывного разложения на уровне 60 мДж/см2 делает олово перспективным металлом для использования в оптических детонаторах на основе PENT. На рис. 1 представлены рассчитанные на границе PENT - олово кинетические закономерности изменения температуры. Пунктиром показана кривая, соответствующая плотности энергии импульса 59.3521597 мДж/см2 (H2). Сплошной - 59.3521594 мДж/см2 (H1).

Рис. 1. Кинетические закономерности изменения температуры на границе PENT - олово. Сплошная – при плотности энергии импульса неодимового лазера длительностью 12 нс 59.3521594 мДж/см2 (допороговый режим). Пунктир – при H = 59.3521597 мДж/см2 (взрыв).

Рис. 1. Кинетические закономерности изменения температуры на границе PENT - олово.
Сплошная – при плотности энергии импульса неодимового лазера длительностью 12 нс 59.3521594 мДж/см2 (допороговый режим). Пунктир – при H = 59.3521597 мДж/см2 (взрыв).

Через 10.65 нс после максимума импульса температура на обеих кривых достигается локальный максимум температуры 1093.5 К. Импульс в этот момент времени практически закончился (осталось 11 % от максимальной интенсивности), и остывание компенсируется преимущественно выделением энергии при химическом разложении PENT. Далее в течении 10 нс температура и во взрывном и допороговом (отсутствие самоускоряющегося участка разложения) режимах медленно уменьшается на 10 К. Импульс в этот период уже закончился и температура очага реакции поддерживается исключительно энергией химического разложения ВВ. Очаг разложения постепенно расширяется и во взрывном режиме переходит в самоускоряющийся режим. За несколько пикосекунд матрица ВВ вблизи наночастицы полностью разлагается. В допороговом режиме медленное остывание сменяется быстрым. Авторы выражают благодарность научному руководителю профессору А. В. Каленскому.

Список литературы:

1. Ananyeva M. V., Kalenskii A. V. The size effects and before-threshold mode of solid-state chain reaction // ЖСФУ. Серия: Химия. – 2014. – Т. 7. – № 4. – С. 470-479.

2. Borovikova A. P., Kriger V. G., Kalenskii A. V. and others Time-space parameters of the explosive decomposition of energetic materials moving reaction wave // Известия ВУЗов. Физика. – 2012. – Т. 55. – № 11-3. – С. 25-29.

3. Grishaeva E. A., Kalensii A. V., Zvekov A. A. and others Transition from slow decomposition process into the self-accelerated mode in energetic materials // Известия ВУЗов. Физика. – 2012. – Т. 55. – № 11-3. – С. 50-53.

4. 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.

5. Kriger V., Kalensky A., Savilov A. and others Chain-thermal model of silver azide explosive decomposition pulse initiation // Известия ВУЗов. Физика. – 2006. – № S10. – С. 215-216.

6. Zvekov A. A., Ananyeva M. V., Kalenskii A. V. and othersRegularities of light diffusion in the compo site material pentaery thriol tetranitrate – nickel // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2014. – Т. 5. – № 5. – С. 685-691.

7. Ананьева М. В., Звеков А. А., Зыков И. Ю. и др Перспективные составы для капсюля оптического детонатора // Перспективные материалы. – 2014. – №7. – С. 5-12.

8. Ананьева М. В., Каленский А. В. Инициирование взрывного разложения микрокристаллов азида серебра // Молодой ученый. – 2014. – №19. – С. 52-55.

9. 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 // ХФ. – 2013. – Т. 32. – № 8. – С. 39-42.

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

11. 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.

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

13. Гришаева Е. А. , Кригер В. Г., Звеков А. А. и др. Механизм цепно-теплового взрыва энергетических материалов // Известия ВУЗов. Физика. – 2013. – Т. 56. – № 9-3. – 2013. – С. 159-162.

14. 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.

15. 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.

16. Зыков И. Ю. Учет эффективности поглощения при разогреве нановключений лазерным излучением // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2012. – №3 (6). – С. 43-48.

17. Каленский А. В., Ананьева М. В., Кригер В. Г. и др. Коэффициент захвата электронных носителей заряда на экранированном отталкивающем центре // ХФ. – 2014. – Т. 33. – № 4. – С. 11-16.

18. 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.

19. Каленский А. В., Звеков А. А., Ананьева М. В. и др Взрывная чувствительность композитов тэн-алюминий к действию импульсного лазерного излучения // Вестник КемГУ. – 2014. – № 3-3 (59). – С. 211-217.

20. Каленский А. В., Зыков И. Ю., Боровикова А. П. и др. Критическая плотность энергии инициирования композитов тэн - никель и гексоген – никель // Известия ВУЗов. Физика.– 2014. – Т. 57. – № 12-3. – С. 147-151.

21. Каленский А. В., Звеков А. А., Зыков И. Ю. и др. Чувствительность композитов гексоген-алюминий // Известия ВУЗов. Физика. – 2014. – Т. 57. – № 12-3. – С. 142-146.

22. Кригер В. Г., Каленский А. В., Гришаева Е. А. и др. Цепно-тепловая модель взрывного разложения азидов тяжелых металлов // Известия ВУЗов. Физика. – 2009. – Т. 52. – № 8-2. – С. 289-291.

23. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. и др. Влияние эффективности поглощения лазерного излучения на температуру разогрева включения в прозрачных средах // ФГВ. – 2012. – Т.48. – № 6. – С. 54-58.

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

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

26. 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.

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