Универсальная кривая критических параметров инициирования взрыва тетранитропентаэритрита (PETN) –наночастицы металлов

Универсальная кривая критических параметров инициирования взрыва PETN — наночастицы металлов

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.

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 ® соответствующих наночастиц. Расчеты проводились в системе MatLab (лицензия № 824 977) 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 к взрыву исследуемых композитов, от радиуса наночастиц.

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 © 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 положение занимает ванадий. По мере возрастания радиусов наночастиц — различия становятся все более существенными. Например, для наночастиц радиуса 10 нм значения критических плотностей составляют 134.11 984 324 455 мДж/см2, 134.98 484 840 902 мДж/см2, 136.50 955 677 032 мДж/см2, 35 нм — 60.17 586 850 732 мДж/см2, 62.36 196 117 369 мДж/см2, 66.20 409 726 382 мДж/см2, соответственно для включений алюминия, ванадия и никеля. Для радиуса 100 нм различия H значительнее: 58.72 309 967 584 мДж/см2, 64.69 292 543 027 мДж/см2, 74.97 084 632 423 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.

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® 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.

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.

• 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).
• 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.