Оптические свойства наночастиц алюминия в матрице гексогена при различных температурах

Рассчитана зависимость коэффициента эффективности поглощения наночастиц алюминия в матрице гексогена от температуры на первой гармонике неодимового лазера (длина волны 1064 нм). При увеличении температуры от 300 до 700 К коэффициенты эффективности поглощения алюминия увеличиваются. При температуре 300 К максимальное значение коэффициента эффективности поглощения наночастицы алюминия составляет 0.626 для радиуса 104.5 нм. Наночастицы радиусом 101.8 нм, нагретые до 500 К, имеют максимальный коэффициент эффективности поглощения 1.078 при радиусе наночастицы 101.8 нм. При 700 К максимальное значение коэффициента эффективности поглощения возрастает до 1.361 для наночастицы радиусом 100.1 нм.

Ключевые слова:коэффициенты эффективности поглощения; наночастицы алюминия; гексоген.

The dependence of the coefficient of efficiency absorption of aluminum nanoparticles in a matrix of RDX on the temperature at the first harmonic of a neodymium laser (wavelength 1064 nm). By increasing the temperature from 300 to 700 K the coefficient of efficiency absorption of aluminum increases. At a temperature of 300 K maximum value of the coefficient of efficiency absorption of aluminum nanoparticles is 0.626 for the radius of 104.5 nm. Nanoparticle radius 101.8 nm, heated to 500 K, have a maximum coefficient of efficiency of absorption at 1.078 radius 101.8 nm nanoparticles. At 700 K, the maximum value of the coefficient of efficiency absorption increases to 1.361 for the nanoparticle radius of 100.1 nm.

Keywords: absorption; aluminum nanoparticles; RDX.

Моделированию оптических свойств наночастиц посвящен ряд работ [1, c. 220, 2, c. 95, 3, c. 90]. Сложность исследования определяется зависимостью коэффициента эффективности поглощения (Q_a) наночастиц (отношение сечения поглощения к геометрическому) от целого ряда свойств наночастицы и матрицы, в которой они находятся. Прикладной аспект заключается в практическом использовании процессов поглощения света наночастицами в исполнительных устройствах различного назначения. Самое большое влияние на Q_a оказывает природа металла. В работе [4, c. 11] рассчитаны максимальные значения коэффициентов эффективности поглощения наночастиц 12 наиболее распространенных металлов в матрице пентаэритриттетранитрата (тэна) (штатного взрывчатого вещества). Изучено влияние спектральных [5, c. 341, 6, c. 5] и размерных [7, c. 471, 8, c. 53, 9, c. 39] характеристик наночастиц на величину максимального значения коэффициента эффективности поглощения. Первым следствием поглощения света наночастицами в матрице прозрачного вещества является их нагревание [10, c. 375, 11, c. 14]. В ряде устройств нагревание является вредным последствием, приводящем к деградации потребительских свойств материала. В других (в оптических детонаторах [12, c. 98, 13, c. 63, 14, c. 806]), эффективное нагревание наночастиц может заканчиваться переходом реакции разложения энергетического материала в самоускоряющийся режим и приводит к инициированию взрывчатого разложения [15, c. 195, 16, c. 3, 17, c. 95].

Однако при нагревании наночастицы происходит изменение физико-химических параметров образца, в частности: плотность, теплоемкость, теплопроводность, вазовое состояние [10, c. 376], комплексный показатель преломления. Если первые параметры не очень сильно (до 15 %) влияют на закономерности процесса нагревания наночастицы в поле лазерного излучения [10, c. 376], то влияние изменения Q_a с ростом температуры может быть значительным. Однако данные эффект до сих пор не учитывался. Целью настоящей работы является расчет коэффициентов эффективности поглощения наночастиц алюминия в гексогене при температурах 300–700 К на первой гармонике неодимового лазера, определение максимальных значений коэффициентов эффективности поглощения и радиусов, им соответствующих.

Достижение поставленных целей экспериментальными методами для комнатной температуры и даже одного радиуса наночастицы является чрезвычайно очень трудоемкой задачей [18, c. 127, 19, c. 350]. Кроме того, в силу экспериментальных трудностей синтеза наночастиц сферической формы одинакового радиуса и равномерного их распределения по матрице — не очень надежным способом решения поставленной задачи.

В работе [20, c. 686] показана корректность расчета оптических характеристик наночастиц металлов в рамках теории Ми. Поэтому зависимости Q_a наночастиц алюминия в матрице гексогена от радиуса (R) и температуры (T) рассчитывались в рамках теории Ми. Коэффициент эффективности поглощения света определялся как разность коэффициентов эффективности экстинкции и рассеяния [20, c. 687, 21, c. 55, 22, c. 41]. Важнейшим параметром моделирования зависимости Q_a(R) является комплексный показатель преломления (mi) [23, c. 212].

Для алюминия значения mi (при λ=1064 нм) составляют величины 3.4–8.7i, 3.9–6.2i и 3.6–4.9i для температур 300 К, 500 К и 700 К соответственно [24, с. 81]. Диапазон температур определяется не только его важностью, но и наличием данных по mi для этих температур. На рисунке 1 приведены рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности поглощения Q_a(R) наночастиц алюминия в матрице с коэффициентом преломления 1.5 (гексоген) при температурах 300, 500 и 700 К. Зависимости Q_a(R) имеют максимумы (Q_{a max}), положения которых (R_{a max}) изменяются с увеличением Т. При T = 300 К Q_{a max} = 0.6263, R_{a max} = 104.5 нм. Увеличение температуры до 500 К приводит к росту значения Q_{a max} до 1.0778, и уменьшению R_{a max} до 101.8 нм. При T = 700 К Q_{a max} возрастает до

Рис. 1. Зависимости коэффициента эффективности поглощения наночастиц алюминия в гексогене от радиуса. Сплошная — 300 К; пунктир — 500 К; штрих пунктир — 700 К.

1.3610 при радиусе 100.1 нм. Амплитуда максимума Q_a существенно, больше чем в 2 раза, возрастает с увеличением температуры от 300 до 700 К, при этом положение максимума (R_{a max}) практически не изменяется, незначительном уменьшаясь.

Для исследования закономерностей нагревания наночастицы радиуса необходимо рассчитать зависимость Q_a(T) для определенного значения R. На рис. 2. точками представлена рассчитанная зависимость коэффициента эффективности поглощения наночастицы алюминия радиуса 160 нм от температуры. Выбор радиуса наночастицы определяется тем, что именно наночастицы такого радиуса лучше всего поглощают излучение первой гармоники неодимового лазера в диапазоне температур от 300 до 700 К.

Зависимость Q_a(T) является возрастающей, почти линейной, без экстремумов и поэтому может быть аппроксимирована полиномом второго порядка. Аппроксимация полиномами более высокого порядка не приводит к получению более достоверных результатов. Большая точность интерполяции не окупается потерей физического смысла полученных подгоночных параметров.

Рис. 2. Зависимость коэффициента эффективности поглощения наночастицы алюминия радиуса 160 нм в матрице гексогена от температуры, точки — расчет, линия — аппроксимация полиномом второго порядка.

На рисунке 2 (сплошная линия) представлена аппроксимирующая зависимость Q_a(T)=- 0.1911*(T/300)² + 1.1910*T/300–0.3773. Нормировка температуры на 300 К позволяет получить коэффициенты, имеющие физический смысл: их сумма равна коэффициенту эффективности поглощения при комнатной температуре. Значительно большее значение второго коэффициента определяет преимущественно линейное возрастание Q_a с увеличением температуры. Отрицательное значение первого коэффициента разложения определяет уменьшение скорости нарастания зависимости Q_a(T). Следовательно, зависимость Q_a(T) имеет экстремум при 1870 К, когда наночастицы алюминия давно находятся в расплавленном состоянии.

Рассчитанные значения коэффициентов эффективности поглощения наночастиц алюминия радиусом 50, 75, 100, 125 и 150 нм в матрице с показателем преломления 1.5, что соответствует гексогену, приведены в таблице 1. Из приведенных в таблице результатов видно, что максимальный коэффициент эффективности поглощения наблюдается для наночастиц диаметром 200 нм при всех температурах (300, 500 и 700 К). Увеличение радиуса на 25 нм, относительно оптимального, приводит к незначительному уменьшению коэффициента эффективности поглощения (~10 %). Уменьшение размера наночастицы на такую же величину приводит к более существенному уменьшению значения Q_a(~ 25 %).

Таблица 1

Коэффициенты эффективности поглощения наночастиц алюминия в матрице гексогена при температурах 300 К, 500 К и 700 К.

Начатое в работе исследование зависимости Q_a(T) очень важно для прикладных исследований оптимизации исполнительных устройств на основе наночастиц металла в прозрачной матрице. Если нагревание наночастиц нежелательно, необходимо вводить наночастицы радиусом менее 25 нм, которые слабо поглощают. Когда облучение лазерным импульсом проводится с целью нагревания наночастицы (как в оптических детонаторах [25, 26, c. 93, 27, c. 120]), необходимо использовать наночастицы радиусом около 100 нм. Следует отметить, что увеличение Q_a с ростом температуры является значительным эффектом (более чем в 2 раза) при увеличении температуры от 300 до 700 К и для наночастиц алюминия коэффициенты эффективности поглощения с температурой изменяются сильнее, чем при переходе от первой ко второй гармоникам неодимового лазера [28, c. 99, 29, c. 41].

Литература:

1.         Звеков, А. А. Расчет оптических свойств композитов пентаэритрит тетранитрат — наночастицы кобальта/ А. А. Звеков, А. В. Каленский, Б. П. Адуев и др.// Журнал прикладной спектроскопии. — 2015. — Т. 82. — № 2. — С. 219–226.

2.         Зыков, И. Ю. Спектральная зависимость коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в прозрачной матрице / И. Ю. Зыков, О. В. Одинцова// Аспирант. — 2014. № 5. С. 94–97.

3.         Газенаур, Н. В. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны / Н. В. Газенаур, И. Ю. Зыков, А. В. Каленский // Аспирант. –2014. — № 5. — С. 89–93.

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

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

6.         Каленский А. В. Оптические характеристики наночастиц никеля в прозрачных матрицах/ А. В. Каленский, М. В. Ананьева, А. П. Никитин // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 11–1(43). С. 5–13.

7.         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.

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

9.         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.

10.     Кригер, В. Г. Процессы теплопереноса при лазерном разогреве включений в инертной матрице / В. Г. Кригер, А. В. Каленский, А. А. Звеков, И. Ю. Зыков, А. П. Никитин // Теплофизика и аэромеханика. — 2013. — Т.20. — № 3. — С.375–382.

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

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

13.     Kalenskii, A. V. The Microcenter Heat Explosion Model Modernization / A. V. Kalenskii, V. G. Kriger, A. A. Zvekov and others // Известия ВУЗов. Физика. — 2012. — Т. 55. — № 11–3. — С. 62–66.

14.     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.

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

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

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

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

19.     Звеков, А. А. Моделирование распределения интенсивности в прозрачной среде с Френелевскими границами, содержащей наночастицы алюминия / А. А. Звеков, А. В. Каленский, А. П. Никитин и др.// Компьютерная оптика. — 2014. — Т. 38. — № 4. — С. 749–756.

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

21.     Лукатова С. Г. Спектральные закономерности коэффициентов эффективности поглощения композитов золото-тэн/ С. Г. Лукатова // Современные фундаментальные и прикладные исследования. — 2014. — № 2(13). — С. 54–58.

22.     Одинцова О. В. Расчет коэффициентов эффективности поглощения наночастиц серебра в пентаэритритатетранитрате/ О. В. Одинцова // Современные фундаментальные и прикладные исследования. — 2014. — № 3(14). — С. 40–44.

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

24.     Магунов А. Н. Лазерная термометрия твердых тел. — М.: Физматлит, 2001. 224 с.

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

26.     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.

27.     Каленский А. В. Кинетические закономерности взрывчатого разложения таблеток тетранитропентаэритрит-алюминий / А. В. Каленский, А. А. Звеков, М. В. Ананьева и др. // Журнал технической физики. — 2015. — Т. 85. № 3. — С. 119–123.

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

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