Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
29.08.2016

Универсальная кривая критических параметров инициирования взрыва PETN – наночастицы металлов

Никитин Андрей Павлович
инженер кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, химический факультет, Кемеровский государственный университет, Кемерово, Россия аспирант ФИЦ УУХ СО РАН, институт углехимии и химического материаловедения, Кемерово, Россия
Радченко Кристина Анатольевна
магистрант 2 курса кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, 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 зависимости критической плотности энергии инициирования композитов PETN от радиуса наночастиц алюминия, ванадия и никеля при инициировании импульсами длительностью на полувысоте 12 нс. Введение относительных координат позволило с точностью около 99.2 % описать все три зависимости одной кривой, что позволило сделать вывод о существовании универсальной кривой.
Ключевые слова: наночастицы металлов, PETN, микроочаговая модель, лазерный импульс
Электронная версия
Скачать (760.7 Kb)

В настоящее время большое значение имеет повышение безопасности производства. В отраслях промышленности, использующих в работе взрывные процессы, это особенно актуально [1]. Для предотвращения чрезвычайных ситуаций (несанкционированных детонаций) можно предложить переход к использованию детонаторов, инициируемых не электрическим, а оптическим методами. В таком случае возникает вопрос о материале капсюля детонатора, основное требование к которому – высокая селективность к оптическому излучению с одновременной стойкостью к другим видам воздействия [2]. Существует два варианта решения данной проблемы: создание принципиально новых энергетических материалов или модернизация существующих взрывчатых веществ (ВВ). При использовании первого из них возникают сложности, связанные с не изученностью химических и физических свойств, оптимального и безопасного метода синтеза, хранения и т.д. Ряд ученых предпочитают путь сенсибилизации хорошо исследованных, штатных ВВ. Так, в работах [1-5] для этого предлагается использовать смесевые составы тетранитропентаэритрита (PETN) с наночастицами сажи, алюминия, никеля, ванадия. Показано, что при использовании наночастиц алюминия, удается снизить порог лазерного зажигания композитов PETN-Al более чем в двести раз [1, 6]. Этот эффект исследовался в работах [3-9], где в рамках микроочаговой модели, на качественном уровне удалось описать закономерности, наблюдаемые в эксперименте, например, зависимость плотности энергии, инициирующей взрывчатое разложения ВВ от радиуса наночастиц, используемых в качестве включений в конденсированную матрицу. Теоретически описаны и рассчитаны критические параметры композитов на основе PETN и наночастиц меди [10], хрома [11], алюминия [12], никеля [3], ванадия [13], золота [14], олово [15], кобальта [16] и других металлов. Целью данной работы будет исследование модели горячей точки, для нахождения универсальной кривой или параметра, не зависящей от материала наночастиц.

В качестве исследуемых композитов выбраны PETN с наночастицами алюминия, ванадия и никеля, т.к. то по ним много экспериментальных данных и существенно различаются теплоемкости [3-6, 12, 13].

В рамках микроочаговой модели рассчитаны зависимости критических плотностей энергии (H), необходимых сообщить объекту для начала взрывчатого разложения, от радиусов (R) соответствующих наночастиц. Расчеты проводились в системе MatLab (лицензия № 824977) в созданном ранее пакете прикладных программ [17] в рамках учета простейших теплофизических процессов, происходящих при нагревании наночастиц лазерным импульсом с длительностью 12 нс, находящихся в PETN.

Временная форма современных и созданных в конце прошлого века лазеры наносекундной длительности описывается функцией Гаусса с точностью не менее 97 % [18, 19]. Для каждого R трех исследуемых композитов в диапазоне 10 нм – 120 нм расчесываем с относительной точностью 10-12 минимальную плотность энергии импульса, при которой взрывной режим развития реакции реализуется [20] (H). Как и в работах [18-21] использована методика расчета методом деления отрезка пополам, устойчивая для решения задач нахождения координат точек бифуркации [17-22]. На рисунке 1 приведены рассчитанные зависимости критических плотностей энергии, которые приводят ко взрыву исследуемых композитов, от радиуса наночастиц.

Рис. 1. Рассчитанные зависимости H(R) для композитов на основе PETN и наночастиц алюминия (сплошная кривая), ванадия (штрих пунктир) и никеля (точки).
Рис. 1. Рассчитанные зависимости H(R) для композитов на основе PETN и наночастиц алюминия
(сплошная кривая), ванадия (штрих пунктир) и никеля (точки).

Из графика видно, что в пределах малых радиусов, R<20 нм практически нет разницы, какой металл использовать, поскольку кривые неразличимы. При дальнейшем увеличении радиусов, начинает влиять теплоемкость (с) металлов. Никелю, обладающему наибольшим значением с, нужно подвести большое количество энергии, чтобы наночастицы этого металла разогрелись сами и прогрели окружающий слой ВВ до температуры вспышки, по сравнению с алюминием, у которого теплоемкость минимальная в представленном ряду. Промежуточное положения занимает ванадий. По мере возрастания радиусов наночастиц – различия становятся все более существенными. Например, для наночастиц радиуса 10 нм значения критических плотностей составляют 134.11984324455 мДж/см2, 134.98484840902 мДж/см2, 136.50955677032 мДж/см2, 35 нм – 60.17586850732 мДж/см2, 62.36196117369 мДж/см2, 66.20409726382 мДж/см2, соответственно для включений алюминия, ванадия и никеля. Для радиуса 100 нм различия H значительнее: 58.72309967584 мДж/см2, 64.69292543027 мДж/см2, 74.97084632423 мДж/см2. На всех трех кривых наблюдаются минимумы H, которые определяют оптимальные радиусы (Ropt), обладающие наименьшим значением критической плотности энергии (Hopt). В порядке увеличения Ropt ряд исследуемых металлов выглядит следующим образом: Ni<V<Al, со значениями Ropt 48.085 нм, 55.248 нм и 61.277 нм соответственно. Значения Hopt при этом составили ряд: 64.09717357881 мДж/см2, 58.55868722072 мДж/см2, 54.98697942006 мДж/см2.

Обычно в рамках микроочаговой модели на этом этапе анализ результатов расчета проводился по схеме сравнения различных металлов и аппроксимация рассчитанных зависимостей аналитическими выражениями [21-25].

В настоящей работе мы продвинемся в несколько другом направлении: нормируем значения радиусов и пороговых плотностей энергии на соответствующие оптимальные значения (R/Roptи H/Hopt). Идея исходит из качественно близких зависимостей H(R) для композитов PETN и гексогена с наночастицами различных металлов [3-25]. В результате нормировки должны получиться кривые с минимумом, более выраженным, чем на рисунке 1, и все три зависимости будут пересекаться в точке с координатами (1,1). Наибольший интерес для нас представляют правые и левые плечи полученных кривых. Для удобства анализа полученные данные занесены в таблицу 1. В первом столбце представлены относительные радиусы наночастиц (R/Ropt). В столбцах 2-4 приведены нормированные критические плотности энергии, с индексами, указывающими металл (Hv=Hv/Hopt). Для никеля и алюминия в ячейках стоит знак «-», который показывает, что данного значения H на этом относительном радиусе нет. Пятый столбец – среднее значение энергии при соответствующем R/Ropt, рассчитываемое как среднеарифметическое искомых величин. В последней колонке выписаны рассчитанные среднеквадратичные в процентах отклонения H отHsr.

Таблица 1. Рассчитанные зависимости относительной критической плотности энергии инициирования
композитов PETN с наночастицами алюминия, ванадия и никеля.

R/Ropt

HAl

HV

HNi

Hsr

S, %

0.2

2.0553

2.1228

-

2.0891

4.7733

0.25

1.7088

1.7607

1.8315

1.7670

6.1553

0.3

1.5022

1.5315

1.5803

1.5380

3.9472

0.35

1.3689

1.3882

1.4148

1.3906

2.3018

0.4

1.2708

1.2874

1.3063

1.2882

1.7790

0.45

1.1998

1.2113

1.2278

1.2130

1.4065

0.5

1.1479

1.1554

1.1670

1.1568

0.9621

0.55

1.1082

1.1140

1.1212

1.1145

0.6515

0.6

1.0779

1.0821

1.0873

1.0824

0.4697

0.65

1.0548

1.0576

1.0615

1.0580

0.3369

0.7

1.0372

1.0391

1.0417

1.0393

0.2255

0.75

1.0240

1.0252

1.0268

1.0254

0.1415

0.8

1.0144

1.0151

1.0160

1.0152

0.0837

0.85

1.0076

1.0080

1.0085

1.0080

0.0449

0.9

1.0032

1.0033

1.0035

1.0033

0.0189

0.95

1.0007

1.0008

1.0008

1.0008

0.0047

1.0

1.0000

1.0000

1.0000

1.0000

0

1.05

1.0007

1.0007

1.0007

1.0007

0.0037

1.1

1.0026

1.0027

1.0028

1.0027

0.0139

1.15

1.0055

1.0058

1.0061

1.0058

0.0297

1.2

1.0094

1.0098

1.0104

1.0099

0.0504

1.25

1.0141

1.0147

1.0156

1.0148

0.0751

1.3

1.0194

1.0203

1.0215

1.0204

0.1034

1.35

1.0254

1.0266

1.0281

1.0267

0.1349

1.4

1.0320

1.0334

1.0353

1.0336

0.1688

1.45

1.0390

1.0408

1.0431

1.0409

0.2051

1.5

1.0464

1.0486

1.0513

1.0488

0.2435

1.55

1.0543

1.0568

1.0600

1.0570

0.2839

1.6

1.0625

1.0654

1.0690

1.0656

0.3257

1.65

1.0711

1.0743

1.0784

1.0746

0.3688

1.7

1.0799

1.0835

1.0881

1.0839

0.4132

1.75

1.0890

1.0930

1.0981

1.0934

0.4590

1.8

1.0983

1.1028

1.1084

1.1032

0.5055

1.85

1.1079

1.1127

1.1189

1.1132

0.5531

1.9

1.1176

1.1229

1.1296

1.1234

0.6013

1.95

1.1276

1.1333

1.1405

1.1338

0.6504

2.0

-

1.1438

1.1516

1.1477

0.5507

Для расчета радиусов, нормированных на оптимальное значение радиусов наночастиц металлов, чтобы не потерять точность, Ropt определяется с точностью 10-12. Максимальное среднеквадратичное отклонение наблюдается для малых радиусов наночастиц. Это связано с тем, что при R < 20 нм значения H изменяются незначительно. С последующим увеличением радиуса разница в относительных плотностях энергии уменьшается с минимумом в точке (1,1), где точки пересекаются и среднеквадратичное отклонение равно 0. На всем диапазоне рассчитанных радиусов среднее значение среднеквадратичных отклонений составила величину 0.7849%, что может являться основанием считать функцию (H/Hopt) (R/Ropt) универсальной кривой модели теплового взрыва в микроочаговом варианте композитов на основе PETN и светопоглощающих частиц металлов. Природа материала наночастицы в этом случае роли не играет. Результаты работы важны для оптимизации состава капсюля оптического детонатора. Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (НИР № 3603 по заданию №64/2014). Автор выражает благодарность научному руководителю профессору А. В. Каленскому.

Список литературы:

1. Каленский А.В., Ананьева М.В., Звеков А.А. и др. Кинетические закономерности взрывчатого разложения таблеток ТЭН - алюминий // ЖТФ. – 2015. – Т. 85. – № 3. – С. 119-123.

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

3. 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.

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. Радченко К. А. Определение комплексного показателя преломления ванадия на первой гармонике неодимового лазера //Аспирант. – 2015. – № 9. – С. 52-55.

6. Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Влияние длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов // ФГВ. – 2014. – Т. 50. – № 3. – С. 98-104.

7. Каленский А.В., Никитин А.П., Газенаур Н.В. Закономерности формирования очага взрывного разложения композитов PETN - медь // Actualscience. – 2015. – Т. 1. – № 4 (4). – С. 52-57.

8. Каленский А.В., Никитин А.П., Звеков А.А. Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц алюминия при различных температурах на длине волны 1064 нм // Аспирант. – 2015. – № 1 (6). – С. 183-186.

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

10. Pugachev V.M., Datiy K.A. et al. Synthesis of copper nanoparticles for use in an optical initiation system // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2015. – Т. 6. – № 3. – С. 361-365.

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

12. Зыков И. Ю., Каленский А. В. Расчет спектральных закономерностей коэффициента эффективности поглощения наночастиц алюминия в гексогене // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2015. – № 1 (16). – С. 37-42.

13. 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.

14. Каленский А.В., Зыков И.Ю., Кригер В.Г. и др. Спектральная зависимость критической плотности энергии инициирования тэна, содержащего наночастицы золота // Вестник КемГУ. – 2014. – № 3-1(59). – С. 218-223.

15. Галкина Е.В., Радченко К.А. Модель инициирования композитов pent-олово импульсом неодимового лазера // Nauka-Rastudent.ru. – 2015. – № 9. – С. 12.

16. Ananyeva M.V., Kalenskii A.V., Zvekov A.A., Nikitin A.P., Zykov I.Yu. The optical properties of the cobalt nanoparticles in the transparent condensed matrices // Наносистемы: физика, химия, математика. – 2015. – Т. 6. – № 5. – С. 628 - 636.

17. Зыков И.Ю., Каленский А.В. Пакет прикладных программ для расчета кинетики взрывного разложения энергетического материала, содержащего наночастицы металла, при облучении лазерным импульсом //Аспирант. – 2015. – № 7. – С. 73-77.

18. Каленский А. В., Ананьева М. В., Боровикова А. П. и др. Вероятность генерации дефектов по Френкелю при разложении азида серебра // ХФ. – 2015. – Т. 34. – № 3. – С. 3–9.

19. 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.

20. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р., Лисков И. Ю. и др. Закономерности инициирования взрывчатого разложения ТЭНа импульсным излучением второй гармоники неодимового лазера // ХФ. – 2015. – Т. 34, – № 11. – С. 44-49.

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

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

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

24. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р., Лисков И. Ю. и др.Температурная зависимость порога инициирования композита тетранитропентаэритрит–алюминий второй гармоникой неодимового лазера // ХФ. – 2015. – Т. 34. – № 7. – С. 54–57.

25. Звеков А. А., Каленский А. В. Схема электронных переходов стадии развития цепи // Современные фундаментальные и прикладные исследования. – 2015. – № 3 (18). – С. 28-33.