Взрывное разложение нанокомпозитов на основе вторичного взрывчатого вещества лазерным импульсом

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Необходимость разработки оптических детонаторов показана в работах [1-3]. Уже созданы оптические детонаторы на основе модельного инициирующего взрывчатого вещества - азида серебра [4-6]. Необходимыми условиями реализации этого достижения явились: разработка кинетической модели инициирования взрывного разложения кристаллов и прессованных таблеток азида серебра [7], оценка элементарных стадий процесса [7-10], комплексное экспериментальное исследование кинетических эффектов взрывного разложения [7-12], в том числе - возможность целенаправленно варьировать чувствительность азида серебра к импульсному воздействию [4-13]. Основной недостаток оптических детонаторов на основе азида серебра - высокая чувствительность к удару, нагреванию, электрическим наводкам [4-13]. Для его кардинального устранения в цикле работ [1-3, 14-17] предложено использовать в качестве энергетического материала капсюля оптического детонатора бризантные взрывчатые вещества. Добавки наночастиц алюминия, кобальта, никеля, меди и некоторых других металлов в прессованные таблетки пентаэритриттетранитрата (PENT) способны увеличить чувствительность образца более чем в 100 раз [1-3, 14-17], что является экспериментальным доказательством реализации в этих образцах теплового взрыва в микроочаговом варианте [18-20]. В работах [1-3, 14-20] экспериментально и теоретически начато исследование возможностей минимизации критической (минимальной) плотности энергии инициирования (H2) при изменении радиуса и природы вводимых наночастиц, длины волны лазера и др. Часть работ [18-23] посвящена разработке (модернизации) микроочаговой модели теплового взрыва, как теоретической основы осознанного поиска материала капсюля оптического детонатора. Целью настоящей работы является дальнейшая разработка микроочаговой модели теплового взрыва: расчет зависимостей критической плотности энергии инициирования взрывного разложения нанокомпозитов на основе PENT от размеров допирующих наночастиц никеля и кобальта, сравнение полученных зависимостей, установление характеристических особенностей процесса взрывного разложения исследуемых объектов.

Численный эксперимент значительно ускоряет решение научных и особенно производственных задач [1-17, 24]. Процесс взрывного разложения энергетических материалов, инициированный импульсным лазерным излучением содержит ряд общих стадий [1-23]. В первую очередь - это процесс распространения энергии излучения в образце, включающий поглощение энергии лазера наночастицами металла, отражение от поверхностей образца и рассеяние в объеме прессованной таблетки. Экспериментальному исследованию этих процессов посвящены работы [24-29]. Поглощение энергии приводит к повышению температуры как наночастицы, так и ближайших к ней слоев энергетического материала. Инициируемая повышенной температурой химическая реакция способна либо привести к реализации самоускоряющегося режима, либо остановиться на локальном кратковременном повышении температуры с последующим быстрым охлаждением [1-3, 14-23]. В настоящей работе в рамках микроочаговой модели теплового взрыва PENT с наночастицами металлов рассчитаны максимальная поглощенная наночастицей плотность энергии импульса, не приводящая к взрыву образца (H1), и минимальная плотность энергии импульса, приводящая к взрывному разложению всего образца (H2). Моделирующий импульс имел временную форму функции ошибок с шириной на полувысоте 12 нс (как в работах [1-17]).

Рассчитаем зависимости H1 и H2 прессованных таблеток PENT с наночастицами никеля и кобальта радиусами (R) от 10 нм до 120 нм. В работах [1-23] разработана методика решения данной задачи. Модель пока не учитывает возможность усиления освещенности внутри образца за счет многократного рассеяния света, исследование которого начато в работах [24-29]. Воспользуемся микроочаговой моделью теплового взрыва композитов PENT - Ni и PENT - Со [1-3, 19]. Методике численного моделирования процесса посвящены работы [14-22]. Система дифференциальных уравнений (ДУ) в частных производных с заданными начальными и граничными условиями решалась через создание пространственной сетки с переменным шагом по координате. При этом возможно свести систему ДУ в частных производных к большой системе обыкновенных жестких ДУ. Полученная система обыкновенных ДУ решалась методом Рунге-Кутты 1-5 порядка с переменным шагом по времени при относительной погрешности на шаге интегрирования не хуже 10-14. Погрешность по точности выполнения закона сохранения энергии поглощаемого импульса - 2.5•10-10. В настоящей работе методика расчета изменена в сторону максимального повышения точности расчета до величины 10-8. Для каждого радиуса наночастиц металлов в диапазоне от 10 нм до 120 нм рассчитывались значения H1 и H2 с относительной точности (H2 - H1)/H2 < 10-8.

взрывной нанокомпозит лазерный импульсный

Рис. 1. Зависимости критической плотности энергии инициирования взрывного разложения композитов PENT - Co (сплошная линия) и PENT - Ni (пунктир) от радиуса наночастиц при длительности импульса на полувысоте 12 нс. Точки - расчет (включая положения глобальных минимумов, линии - аппроксимация)

На рисунке 1 приведены рассчитанные зависимости критической (минимальной) плотности энергии инициирования взрывного разложения прессованных таблеток PENT - Co (сплошная линия) и PENT - Ni (пунктир) от радиуса наночастиц при длительности лазерного импульса на полувысоте 12 нс. Точками нанесены результаты выполненных расчетов, линиями - аппроксимация. Рассчитанный с относительной точностью 10-8 по H2 и абсолютной точностью 0.1 нм по R положение глобального минимума зависимости H2(R) для системы PENT - Ni составило 64.0971758 мДж/см2 при R = 48.1 нм.

Таблица 1. Рассчитанные при радиусах наночастиц кобальта и никеля максимальные значения плотности энергии, при которых взрывной режим не реализуется (H1 Co и H1 Ni соответственно), и минимальные значения плотности энергии, при которых реализуется взрывной режим (H2), различия в рассчитанных величинах в процентах

Соответствующее значение для PENT - Co 62.9284704 мДж/см2 для радиуса наночастицы 49.4 нм. Расчет положения минимума зависимости H2(R) для отдельных металлов выполнялся в работах[1-3, 14-23], где определена природа минимума и выполнены аналитические выкладки, связывающие положение минимума с теплофизическими свойствами композита (матрицы и включений) и длительностью импульса. В настоящей работе впервые зависимости H1(R) и H2(R) рассчитаны для двух разных металлов (и одинаковой длительностью импульса на полувысоте). Рассчитанные значения H1 и H2 для композитов на основе PENT и наночастиц Ni и Co приведены в таблице 1.

Сравнение результатов, приведенных во 2 и 4 столбцах таблицы 1 и рисунке 1, свидетельствуют о практическом совпадении значений H2 Niи H2 Co для относительно небольших размеров наночастиц. Для количественной оценки эффекта для каждого радиуса рассчитаем величину относительного отличия значений критической плотности энергии H2 Co и H2 Ni по выражению (H2 Ni- H2 Co)/H2 Ni * 100. Умножение на 100 переводит значение оцениваемой величины в более удобную процентную форму. Полученное выражение представлено в 5 столбце таблицы 1. Визуальный вывод подтверждается численными оценками: для 10 нм расхождение H2 для анализируемых металлов составляет менее ј процента, тогда как для 120 нм это величина возрастает более чем в 15 раз. Полученный результат свидетельствует о возможном наличии универсальной (независимой от природы металла) для данной длительности импульса зависимости H2(R) (при значении коэффициента эффективности поглощения наночастиц равном 1). Автор выражает благодарность научному руководителю профессору, доктору физико-математических наук, профессору А.В. Каленскому.

Список литературы

1. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р. и др. Взрывчатое разложение тэна с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны // ХФ. 2013. Т. 32. № 8. С. 39-42.

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

3. Кригер В. Г., Каленский А. В. и др. Механизмы взрывного разложения энергетических веществ при инициировании лазерным излучением // Известия ВУЗов. Физика. 2011. Т 54. № 1(3). С. 18-23.

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

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

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

7. Кригер В. Г., Каленский А. В. Размерный эффект при инициировании разложения азидов тяжелых металлов импульсным излучением // ХФ. 1996. Т. 15. № 3. С. 40-47.

8. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. Релаксация электронно-возбужденных продуктов твердофазной реакции в кристаллической решетке // ХФ. 2012. Т.31. №1. С. 18-22.

9. Каленский А. В., Булушева Л. Г. и др. Моделирование граничных условий при квантовохимических расчетах азидов металлов в кластерном приближении // ЖСХ. 2000. Т. 41. № 3. С. 605-608.

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

11. Каленский А. В., Ципилев В. П. и др. Закономерности разлета продуктов взрыва монокристаллов азида серебра // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2008. Т. 5. № 1. С. 11-15.

12. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. и др. Определение ширины фронта волны реакции взрывного разложения азида серебра // ФГВ. 2012. Т. 48. № 4. С. 129-136.

13. Кригер В. Г., Каленский А. В., Захаров Ю. А. и др. Механизм твердофазной цепной реакции // Материаловедение. 2006. № 9. С. 14-21.

14. 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.

15. Kalenskii A. V., Ananyeva M. V. Spectral regularities of the critical energy density of the pentaerythriol tetranitrate-aluminium nanosystems initiated by the laser pulse.

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

17. 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.

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

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

20. 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.

21. 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.

22. Kalenskii A. V., Kriger V. G., Zykov I. Yu., Ananyeva M. V. Modern microcenter heat explosion model // Journal of Physics: Conference Series. 2014. Т. 552. № 1. С. 012037.

23. Никитин А. П. Эффективность поглощения лазерного излучения наноразмерными включениями металлов // Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2012. №4 (7) С. 81-86.

24. Халиков Р. М. Технологические схемы решения экологических проблем производства материалов// Nauka-Rastudent.ru. 2014. № 3(03). С. 10.

25. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия в тетранитропентаэритрите // ЖТФ. 2014. Т. 84. № 9. С. 126 - 131.

26. Zvekov A. A., Ananyeva M. V., Kalenskii A. V., Nikitin A. P. Regularities of light diffusion in the composite material pentaery thriol tetranitrate nickel // Наносистемы: физика, химия, математика. 2014. Т. 5. № 5. С. 685-691.

27. 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.

28. Лукатова С. Г. Расчет коэффициентов эффективности поглощения для композитов золото-тэн на второй гармонике неодимового лазера // Современные фундаментальные и прикладные исследования.

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

Размещено на Allbest.ru