Сравнительное исследование кинетических закономерностей теплового и цепного взрывов

С высоким временным разрешением 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). Результаты необходимы для создания исполнительных устройств на основе инициирующих и вторичных взрывчатых веществ.

Ключевые слова: наночастицы металлов, оптический детонатор, энергетические материалы.

The kinetic regularities of explosive decomposition in pressed pentaerythritoltetranitrate — aluminum tablets and silver azide single crystals with initiation of neodymium laser pulse (the wavelength 1064 nm, duration (full width at half maximum)-12ns) was investigated with high temporal resolution. The results is necessary for create execution units based on initiating and secondary explosives.

Keywords: metal nanoparticles, optical detonator, energy materials

Использование оптических детонаторов резко повышает безопасность взрывных работ в добывающей промышленности [1, c. 6, 2, c. 53]. Нами разработан оптический детонатор на основе инициирующего взрывчатого вещества — азида серебра (АС) [3, c. 471, 4] и разрабатывается на основе бризантных взрывчатых веществ [5, c. 184, 6, c. 341]. Для возникновения взрывного разложения необходимо наличие механизмов сильной положительной обратной связи: лавинообразное увеличение неравновесной концентрации реагентов [7, c. 38, 8, c. 3], или увеличение температуры [9, c. 25, 10, c. 160, 11, c. 607]. Нами показано, что в кристаллах АС импульсным излучением инициируется разветвленная твердофазная цепная реакция [12, c. 97, 13, c. 19], а в прессованных таблетках пентаэритриттетранитрата (ТЭН) с добавками наночастиц алюминия, кобальта, никеля реализуется тепловой взрыв в микроочаговом варианте [14, c. 99, 15, c. 804, 16, c. 63]. Экспериментальное доказательство природы взрывного разложения даже одного состава является сложной задачей, включающей значительный объем как экспериментальных, так и теоретических исследований [17, c. 15, 18, c. 45].

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

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, c. 14, 20, c. 195, 21, c. 93]. В настоящей работе исследуем кинетические закономерности, сопровождающие взрывное разложение монокристаллов АС и прессованных таблеток ТЭНа с добавками наночастиц алюминия средним размером 50 нм. Схема экспериментальной установки [22, c. 212, 23, c. 75] 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, c. 27, 25, c. 23]. 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, c. 220, 27, c. 95]. Сигналы поступали на входные каналы цифрового осциллографа 15. На рис. 1 стрелками показан путь лазерного излучения (сплошные) и путь излучения образца (пунктир).

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

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, c. 99, 29, c. 41].

На рис. 2 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 2 кривая 3):

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

-        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 значительно отличаются от таковых для АС. 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. 3) подобно с одинаковой эффективной константой. Отличительной особенность кинетических закономерностей взрывчатого разложения прессованных таблеток ТЭН-алюминий является отсутствие индукционного

Рис. 3. Экспериментальная кинетика свечения таблеток тэн-кобальт в режиме взрывчатого разложения. 1 — инициирующий импульс, 2 — сигнал ФЭУ зонного обзора, 3 — сигнал ФЭУ панорамного обзора

периода. 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.

Авторы выражают глубокую благодарность профессорам В. Г. Кригеру, Б. П. Адуеву и В. П. Ципилеву за постоянный интерес к работе.

Литература:

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

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

3.         Ananyeva, M. V. The size effects and before-threshold mode of solid-state chain reaction / M. V. Ananyeva, A. V. Kalensii // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Химия. — 2014. — Т. 7. — № 4. — С. 470–479.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

15.     Kalenskii, A. V. Spectral regularities of the critical energy density of the pentaerythriol tetranitrate -aluminium nanosystems initiated by the laser pulse / A. V. Kalenskii, M. V. Ananyeva // Наносистемы: физика, химия, математика. — 2014. — Т. 5. — № 6. — С. 803–810.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

29.     Адуев, Б. П. Взрывчатое разложение ТЭНа с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны / Б. П. Адуев, Д. Р. Нурмухаметов и др. // Химическая физика. — 2013. — Т. 32. — № 8. — С. 39–42.