Взаємодія імпульсного лазерного випромінювання з вибуховими речовинами

В експериментах по випробовуванню міцності матеріалів використовувалося покриття з ВС2 із поверхневою густиною маси 43, 60, 110 мг/см². Відповідно з одержаними залежностями J_s (m_s) таким покриттям відповідають густини імпульсу 0,3, 0,58, 1,42 кПас.

При всіх рівнях навантаження спостерігався відрив пластини з АМГ-6 від середнього шару по місцю склейки, а при рівні навантаження 1,42 кПа с пластина з АМГ-6 відривалась у результаті розшарування середнього шару - ТТП-КС. Різний характер руйнування БФП пояснюється різною тривалістю імпульсу навантаження. Більшим значенням густини імпульсу відповідають більш протяжні ударні хвилі, а тому площина максимальних розтягуючих напружень у цьому випадку знаходиться ближче до центру плоскої структури, що спричиняє руйнування середнього шару БФП.

Багатофункціональні покриття, що досліджувалися, в реальних умовах функціонують у контакті з газом або рідиною. А тому були проведені експерименти по вивченню дії ударної хвилі на зразки, які контактують із такими середовищами. У разі імітації навантаження БФП, яке знаходиться у контакті з рідиною, як демпфер використовувалося машинне масло ВМ-4. Досліджувані зразки були виготовлені у вигляді круга 50 мм. Випробовування проводилися у вибуховій камері при повітряному тиску 1 мм рт. ст. Густина імпульсу дорівнювала 0,1, 0,2, 0,5 кПа·с. При таких навантаженнях у разі контакту з рідиною розшарування не спостерігалося, однак, при J_s = 0,5 кПа·с за рахунок дії бокової хвилі розрідження руйнувався верхній шар у вигляді кільцевого розриву. Якщо БФП знаходилися у контакті з повітрям, то при всіх рівнях навантаження спостерігається розшарування зразків. Усе це свідчить, що міцність матеріалів при імпульсному навантаженні, в першу чергу, визначається хвильовими процесами у матеріалі.

Енергія вибуху використовується для зміни таких параметрів речовини як твердість, межа плинності, міцність. Крім цього, інформація про зміну інфраструктури механічних властивостей матеріалів, оброблених вибухом, застосовується при побудові теоретичних моделей середовища, у якому можна розглядати ударні хвилі з урахуванням міцності.

У виробничих умовах, як правило, зміцнення здійснюють ковзною ударною хвилею. Однак зміцнення матеріалів плоскими хвилями спрощує пошук необхідних для цього навантажень, а також спрощує інтерпретацію мікроструктурних перетворень. А тому були вивчені можливості лазерного методу формування плоских хвиль навантаження для вирішення цієї задачі.

Для досліджень були вибрані сталі Ст. 45 із початковою твердістю (по Вікерсу) 3000-3800 МН/м² та нержавіюча сталь 18Х12Н10Т з початковою твердістю 2900_3800 МН/м². При густині ВС2 рівній m_s =300 мг/см густина імпульсу дорівнює j_s = 5 кПас.

Після навантаження середнє (за п'ятьма зразками ) значення твердості для Ст.45 складало 4600 МН/м², для 18Х12Н10Т - 5200 МН/м². Треба відзначити, що значення твердості на поверхні зразка практично не змінюється в межах круга 18 мм (діаметр зразка 20 мм).

Таким чином, лазерний підрив вибухових сполук дозволяє вирішувати задачі зміцнення матеріалів плоскими ударними хвилями і має ряд переваг перед традиційними плоско хвильовими генераторами.

Системи ініціювання вибухових зарядів, що застосовуються у світовій практиці ведення вибухових робіт мають ряд недоліків, для подолання яких необхідно проводити дорогі організаційні та технічні заходи. З метою виключення недоліків, властивих відомим системам підриву, нами розроблені теоретичні основи та технічні вимоги до оптичної системи ініціювання (ОПСІН), основними елементами якої є оптичний квантовий генератор, світлопровідна мережа та оптичний капсуль-детонатор (ОКД). Спрацювання детонатора здійснюється від дії лазерного імпульсу, який передається по світловодам до вибухової сполуки оптичного детонатора.

Виконавчим елементом ОПСІН є розроблений нами ОКД. Конструктивне оформлення та дія ОКД здійснюється таким чином. У циліндричну гільзу спочатку запресовується вторинна вибухова речовина; потім уводиться вибухова сполука, чутлива до дії імпульсу ОКГ. За допомогою скляної пластинки запобігається доторкування світловода до вибухової сполуки. Кріплення світловода в ОКД забезпечується пластиковою пробкою, яка також запобігає проникненню у детонатор різних добавок та води.

Виходячи з рівня чутливості ВС7 - 50 мДж/см², показано, що при використанні світловода з діаметром серцевини 100 мкм верхня межа енергії ініціювання ОКД складає ~10 мкДж. При такій чутливості для потреб ОПСІН достатньо використовувати світловоди з рівнем утрати світлової енергії 3-10 Дб/км, а тому матеріалом для світловодів може бути дешеве багатокомпонентне скло. Показано, що енергія лазерного імпульсу, необхідна для ініціювання, наприклад, 500 шпарин зарядів, розміщених на відстані 1 км від ОКГ, складає ~50 мДж.

Для підривання оптичних капсуль-детонаторів було розроблено та виготовлено трьох канальний експериментальний зразок оптичного квантового генератора з електронною комутацією між каналами, яка забезпечувала часову затримку спрацювання одного каналу по відношенню до другого в інтервалі 0-80 мс. Таке технічне рішення забезпечує підрив окремих груп зарядів із заданим часовим інтервалом.

Основним несучим елементом конструкції ОКГ є масивна плита з дюралюмінію розміром 420х130х18 мм. Зверху на ній розміщена оптична система лазерної установки, а знизу закріплені накопичувальні конденсатори, які займають 2/3 об'єму електричного відсіку, блок живлення та панель управління лазерної установки. На плиті закріплені дві оправи з дзеркалами резонатора, кювета з барвником та блок оптичних голівок. Активні елементи із фосфатного скла марки ЛГС_55 із концентрацією іонів неодиму 4 % мають розміри 5х50 мм. Їх осі рівномірно розміщені по колу діаметром 15 мм. Для накачки активних елементів використовуються імпульсні лампи типу ІФП-100-2А з габаритними розмірами 10х150 мм. Їх осі рівномірно розміщені по колу діаметром 23 мм. Кожна пара - активний елемент та лампа накачки оточені відбивачем, виготовленим у вигляді еліптичного циліндра з латунної фольги з полірованим срібним покриттям. Усі три елементи розташовані у загальному резонаторі, що складається з двох дзеркал із коефіцієнтами відбивання 30 % та 99 % для випромінювання неодимового лазера, із довжиною хвилі 1,06 мкм.

Кювета з барвником, яка виконує функцію пасивного затвора для всіх трьох лазерів, установлена усередині резонатора зі сторони вихідного дзеркала. Кювету заповнено барвником 1055 у розчині АЕВП, який має початкове пропускання 29 % на довжині хвилі випромінювання 1,06 мкм.

Електрична схема складається з мережевого блока джерела живлення, підcилюючого трансформатора, блока імпульсних ламп, блока підпалювання імпульсних ламп, блока керування.

Основні технічні дані ОКГ: кількість каналів - 3, довжина хвилі випромінювання - 1,06 мкм, режим роботи - пасивна модуляція добротності резонатора, вихідна енергія - не менше 150 мДж у кожному каналі, тривалість імпульсу - 11 нс, джерело живлення - 220 В, 50 Гц, або 12 В постійного струму, потужність, що споживається, - не більше 100 Вт, розміри - 425х130х300 мм, маса - 13 кг.

Таким чином, розроблені наукові підходи використання лазерного методу ініціювання вибухових сполук для вирішення задач зміцнення матеріалів вибухом, одержання детонаційних хвиль, зварювання вибухом, випробовування міцності матеріалів до дії імпульсних механічних навантажень, розробки оптичних систем ініціювання зарядів вибухових речовин.

Висновки

У дисертаційній роботі сформульовані й вирішені теоретичні та експериментальні задачі, спрямовані на розробку наукового напрямку - хімічна фізика взаємодії лазерного випромінювання з вибуховими речовинами. Вирішення цієї задачі має велике значення для встановлення механізму збудження швидкої реакції у конденсованих ВР, формування профільованих детонаційних хвиль, обробки матеріалів тиском, створення оптичних систем ініціювання вибухових зарядів.

Основні результати, висновки та рекомендації зводяться до наступного:

1. Розроблено фізико-математичну модель лазерного запалювання бризантних ВР, що ураховує міцністні властивості матеріалу. Суть моделі є такою. В результаті лазерної дії нагріваються оптичні мікронеоднорідності, теплообмін яких із навколишнім середовищем спричиняє запалювання ВР, якщо до цього часу не виникло (за рахунок термонапружень) утворення мікротріщин. Для проведення розрахунків по цій моделі вирішена задача визначення перерізу поглинання оптичних мікронеоднорідностей у кристалах ВР. Теоретична модель дозволяє пояснити увесь комплекс експериментальних результатів по лазерному ініціюванні бризантних ВР. Шляхом чисельного розв'язання рівнянь газової динаміки та хімічної кінетики установлені закономірності дії процесу розвантаження речовини у хвилі розрідження на параметри лазерного запалювання.

2. Розвинуто квантово-механічний підхід до рішення задачі стійкості кристалічної решітки ініціюючих ВР в умовах її деформації, викликаної лазерним нагрівом оптичної мікронеоднорідності. Математичний підхід, який базується на рішенні рівняння Шредигера задачі про стан електрона у полі двох кулонівських центрів, допрацьований шляхом урахування екраніровки ядерних потенціалів атомів молекули зв'заними електронами та взаємодії цих електронів між собою. Вирішена задача про вплив зовнішнього кулонівського центру на електронний терм молекули. На прикладі азиду срібла показано, що стійкість групи порушується при деформації кристалічної решітки поблизу поглинаючого випромінювання мікровключення, що є причиною підриву ВР. Виявлений теоретичний ефект підтверджено експериментально.

3. З теоретичних досліджень визначені основні напрямки пошуку ВР та шляхи створення на їх основі високочутливих до лазерного імпульсу вибухових сполук: вибухові речовини повинні мати велику швидкість переходу від горіння до детонації, бути прозорими для лазерного випромінювання; при розробці ВС необхідно прагнути до збільшення прозорості зразків ВС, пониження їх пористості. Крім цього, доцільно використовувати лазерні імпульси малої тривалості.

4. Результати теоретичних досліджень використані при розробці технології приготування в'язкої основи, яка уявляє собою суспензію порошку ВР у розчині полімерного матеріалу, прозорого для лазерного випромінювання. Одержано монолітну тверду суміш кристалів ВР та полімеру у вигляді покриття.

5. Одержано чотири вибухових сполуки, що виявляють аномально високу чутливість до дії лазерного моноімпульсу: ВC2 - 2,3 мДж/см², ВС7 - 5 мДж/см², ВС16 - 23 мДж/см², ВС17 - 40 мДж/см². Завдяки розробці цих вибухових сполук виріщені такі практичні задачі:

- уперше створено та апробовано метод випробовування міцності матеріалів та стійкості конструкцій до дії механічних імпульсів навантаження суб- та мікросекундної тривалості при помірних густинах імпульсу - 0,1-1,0 кПас. Регулювання тривалості дії здійснюється шляхом зміни концентрації зв'язуючого матеріалу у вибуховій сполуці або вибором відповідного типу ВР.

- запропоновані та реалізовані способи формування профільованих детонаційних хвиль за рахунок геометричної форми лазерного пучка (сферичної збіжної, кільцевих ковзних збіжних та розбіжних хвиль, лінійної ковзної, плоскої );

- розроблені методи обробки матеріалів тиском (зміцнення, зварювання), засновані на лазерному методі ініціювання плоских зарядів ВС;

- створені теоретичні основи та технічні вимоги до оптичної системи ініціювання вибухових зарядів, основними елементами якої є оптичний капсуль-детонатор, світлопровідна мережа та оптичний квантовий генератор. Розроблено на основі ВС7 оптичний капсуль-детонатор, що виявляє рекордно велику чутливість до дії лазерного моноімпульсу - ~10 мкДж, експериментальний зразок трьох канального ОКГ з електронною затримкою спрацювання каналів відносно один одного для потреб ОПСІН.

- Результати роботи можуть бути використані у машинобудуванні при розробках нових способів і методів обробки матеріалів вибухом, що базуються на використанні профільованих детонаційних хвиль, випробовуванні міцності матеріалів та стійкості конструкцій до дії механічних імпульсів навантаження. Розроблені основи створення оптичних систем ініціювання вибухових речовин можуть бути використані при практичній реалізації безпечних систем ініціювання у гірничодобувній промисловості. Методи створення профільованих детонаційних хвиль дозволяють застосовувати їх у наукових дослідженнях стану речовини при екстремально великих значеннях тиску, вивченні у лабораторних умовах взаємодії детонаційних хвиль із перешкодами, між собою та інш.

Література

1. К вопросу о механизме зажигания взрывчатых составов лазерным моноимпульсом/ А.В.Чернай, В.В.Соболев, М.А.Илюшин, Н.Е.Житник, Н.А.Петрова// Химическая физика.-1996.-Т.15, №3.- С.134-139.

2. Чернай А.В., Соболев В.В. Лазерный метод получения профилированных детонационных волн для обработки материалов взрывом//Физика и химия обработки материалов.-1995 -№5.-С.120-123.

3. Чернай А.В. О механизме зажигания конденсированных вторичных ВВ лазерным импульсом// Физика горения и взрыва.-1996.-Т.32, №1.-С.62-69.

4. Чернай А.В., Соболев В.В., Илюшин М.А. Получение профилированных детонационных волн путем лазерного инициирования взрывчатых составов// Физика и техника высоких давлений. 1995.-№4.-С.62-69.

5. Соболев В.А., Чернай А.В. Применение ударных волн в экспериментальной минералогии//Минералогический журнал. -1995.-№3.-С.15-25.

6. О системе оптического инициирвания скважинных зарядов взрывчатых веществ/А.В.Чернай, В.В.Соболев, Н.М.Студинский, И.Л.Гуменик //Металлургическая и горнорудная промышленность. -1995.-№1.-С. 47-49.

7. Соболев В.В. Чернай А.В., Ярковой Г.О. 111 Синтез алмаза. Теоретические исследования с применением квантовомеханических методов расчета //Минералогический журнал.-1994.-№4.-С. 61-71.

8. Соболев в,В., А.Чернай, О.Кашуба. Нова оптическа система заиницииране на сондажни взривни заряди//Минно дело и геология.-1996.-№9.-С.16-18.

9. Илюшин М.А., Целинскй И.В., Чернай А.В. Светочувствительные взрывчатые вещества и составы и их инициирование лазерным моноимпульсом//Российский химический журнал.-1997.-Т.41, №4.-С. 81-88.

10. Чернай А.В. О механизме зажигания инициирующих взрывчатых веществ лазерным моноимпульсом//Физика и техника высоких давлений.-1997.-Т.7, №4.-С.60-68.

11. Чернай А.В. Применение лазерного метода инициирования взрывчатых веществ для упрочнения материалов взрывом//Металлофизика и новейшие технологии.-1998.-Т.20, №2.-С.76-79.

12. Чернай А.В. Получение коротких импульсов нагружения при лазерном подрыве покрытий из взрывчатых составов//Физика и техника высоких давлений.-1997.-Т.7, №3.-С.98-100.

13. Salts of Perchloryiamide as a Novel Class of Light- sensitive for Laser Initiation /Iliuchin M.A., Tselinskiy I.V., Petrova N.A. Chernay A.V, N.D.Zemlykov//Hanneng Cailiao (Energetic Materials), (Eng.).-1999.-7(3).- P.122- 123.

14. Чернай А.В., Соболев В.В., Чернай В.А. Применение лазерного метода инициирования взрывчатых веществ для упрочнения металлов взрывом//Металлургическая и горнорудная промышленность.-2000.-№8-9.-С. 379-581.

15. Инициирование лазерным моноимпульсом взрывчатых составов на основе ди(3-гидразино-4_амино-1,2,3_триазол) медь (II) перхлората/ А.В.Чернай, В.В.Соболев, А.Длугашек, В.А.Чернай, А.Д.Шарабура // Физика и техника высоких давлений. -2001. -№2, Т.11. -С.115-120.

16. Нагружения материалов плоскими ударными волнами методом лазерного инициирования взрывчатых составов / А.В.Чернай, В.В.Соболев, М.А.Илюшин, В.А.Чернай, А.Д.Шарабура //Физика и техника высоких давлений. -2001. -№3, Т.11. -С.93-100.

17. Lazer-iinitiation of pressed light-sensetivive and sheet/ Iliuchin M.A., Tselinskiy I.V., Petrova N.A. Chernay A.V//Han neng Cailiao (Energetic Materials), (Eng.).-1995.- 3(1).-P.22-25.

18. Обработка многослойных материалов плоскими ударными волнами / А.В.Чернай, В.В.Соболев, М.А.Илюшин, В.А.Чернай, А.Длугашек // Сб. науч. тр. / НГА Украины.-1999.-№8.-С.221-227.

19. Патент на винахід №17521 Україна, МКІ F 45 B 3/02. Спосіб одержання збіжної сферичної детонаційної хвилі та пристрій для його здіснення/ А.В.Чернай, В.В.Соболєв, Н.М.Студинський, В.В.Фомічов; Заявл. 31.03.95; Опубл. 28.02.2000, Бюл. №1-4с.

20. Патент на винахід №12553 Україна, МКІ, F 45 B 3/02. Спосіб виготовлення біметалевих виробів шляхом зварювання вибухомі/А.В. Чернай, В.В.Соболсв, А.П.Коваленко, Э.В.Ключко/ Заявл. 22.02.93; Опубл. 20.04.1999, Бюл. №2-4с.

21. Патент на винахiд №17319 Україна, МКІ, С О6В 45/22. Ініцїруюча вибухова сполука/А.В.Чернай, В.В.Соболєв, О.П. Коваленко, М.О. Ілюшин, М.Є. Житнік; Заявл. 23.05.94; Опубл. 17.09.1999, Бюл. №8-5с.

22. Патент №DE 195 44 341, Німеччина С 06 С7/00. Optisher Sprengzunder/Schnaider Alexander, Chernay Anatoliy, Sobolev Valeriy; Одержано 18.03.99.

23. Патент №DE 195 46 342, Німеччина С 06B 23/00. Initiieren der Sprengstoff/ Schnaider Alexander, Chernay Anatoliy, Sobolev Valeriy, Iluchin Mishail; Одержано 11.03.99.

24. Чернай А.В., Соболев В.В. Метод получения профилированных детонационных волн, основанный на лазерном инициировании взрывчатых составов//Воздействие высоких давлений на материалы.-Киев: ИПМ, 1993.-С. 165-170.

25. Соболев В.В., Чернай А.В., Чернай В.А., Илюшин М.А. К вопросу о разработке системы лазерного взрывания зарядов В.В.// Высокоэнергетическая обработка материалов. Сборник научных трудов. -Днепропетровск: НГАУ, 1997.-С. 63-67.

26. Чернай А.В., Соболев В.В., Студинский Н.М. Особенности зажигания взрывчатых веществ лазерным моноимпульсом и перспективы построения оптической системы инициирования //Промышленные взрывчатые вещества и средства их инициирования.-Шостка: НИИХП, 1995.-Вып.1.- С.16-19.

27. Чернай А В., Соболев В.В., Илюшин М.А. Высокочувствительные к лазерному воздействию взрывчатые составы //Химическая физика процессов горения и взрыва. Детонация. -Черноголовка, 1996.- С.25-27.

28. Чернай А В., Соболев В.В., Илюшин М.А. Практическое применение лазерного метода инициирования ВВ //Химическая физика процессов горения и взрыва. Горение конденсированных систем. -Черноголовка, 1996.- С.75-79.

29. Соболев В.В., Чернай А.В., Студинский Н.М. О методике измерения чувствительности взрывчатых веществ и импульса продуктов взрыва в условиях лазерного воздействия// Высокоэнергетическая обработка материалов. Сборник научных трудов. В 2-х т., Т.1. -Днепропетровск: ГГАУ, 1995.-С.136- 141.

30. Sobolev V.V., Chernay A.V., Studinsky N.M. OPSIN-A nev system of blast-hole and deep-hole charges blasting in th explosives //5 -International Symposium on MinePlanning and Equipment Selektion, Sao Paulo, Brazil, 22-25 October 1996.- Sao Paulo, 1996.-P.57-63.

Особистий внесок автора у роботах, опублікованих у співавторстві: (1_3, 5-7, 9, 15-19, 25, 27, 29, 31)-формулювання задач, одержання основних результатів, висновки; (1-3, 5, 7, 9, 15-19, 25, 28-31)- проведення експериментальних досліджень, аналіз результатів, висновки; (1-3, 5-9, 14, 15 17-19, 31)-теоретичні дослідження; (5, 9 15-18, 31)-виконання основних розрахунків; (20-25) _ розробка суттєвих ознак винаходу, (19, 31) -методик досліджень.

Размещено на Allbest.ru