Зависимость критической плотности энергии инициирования PENT-никель от размера наночастицы

Особенности использования энергетических материалов в быту и промышленности. Наносекундная длительность импульса возбуждения. Определение критической плотности энергии методом деления отрезка пополам. Расчет максимальных значений плотности энергии.

Рубрика Физика и энергетика
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 18.12.2017
Размер файла 18,4 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кемеровский государственный университет Кемерово, Россия

Зависимость критической плотности энергии инициирования PENT-никель от размера наночастицы

Иващенко Гюнель Эюб кызы

магистрант 2 курса кафедра химии твердого тела и химического материаловедения, химический факультет,

Аннотация

энергетический наносекундный плотность импульс

В работе рассчитана зависимость критической плотности энергии инициирования композитов PENT-никель от размера наночастицы в диапазоне от 10 до 120 нм при инициирование импульсом длительностью 15.6 нс на полувысоте. Зависимость имеет ярко выраженный минимум с координатами 71.5712448 мДж/см2 и 60 нм. Результаты необходимы для оптимизации состава оптического детонатора.

Ключевые слова: математическое моделирование, энергетические материалы, пентаэритриттетранитрат, наночастицы, никель, импульс лазера, оптический детонатор

Широкое использование энергетических материалов в быту и промышленности сопровождается учащающимися случаями их несанкционированного срабатывания [7, с. 195]. В результате - многочисленные разрушения и человеческие жертвы. Уменьшение количества техногенных катастроф является одной из основных задач современной науки. Для уменьшения опасности вскрышных работ в горнодобывающей промышленности в нашей лаборатории предложено перейти на использование оптических детонаторов [1, с. 471]. В работах [1, с. 471, 3, с. 26, 9, с. 53, 12, с. 39] разработан капсюль оптического детонатора на основе азида серебра - инициирующего взрывчатого вещества (ВВ). Исследование кинетического механизма взрывного разложения ВВ с экспериментальным доказательством отдельных стадий и комплексной оценкой констант скоростей всех реакций взрывного разложения позволили оптимизировать оптический детонатор на основе инициирующего ВВ [3, с. 26, 9, с. 53, 12, с. 39]. Однако наибольший эффект от применения оптических детонаторов может быть достигнут при использовании энергетических материалов с высокими порогами инициирования ударом и нагревом [25, с. 31]. Для этого в нашей лаборатории предложено создавать нанокомпозиты на основе бризантных взрывчатых веществ и светопоглощающих наночастиц [2, с. 14]. Значения измеренных порогов инициирования взрывчатого разложения пентаэритриттетранитрата (тэн) с добавками наночастиц алюминия составили около 1 Дж/см2 (при неизменном пороге инициирования ударом) [5, с. 805, 7, с. 296, 10, с. 40, 11, с. 92, 16, с. 80, 18, с. 212], что примерно в 100 раз меньше по сравнению с чистыми прессованными таблетками тэна [10, с. 40]. Начаты исследования взрывного разложения прессованных таблеток тэн - никель, гексоген - никель в зависимости от длины волны излучения [7, с. 295, 8, с. 7, 17, с. 14, 19, с. 341, 20, с. 149, 21, с. 145]. Начато изучение оптических свойств отдельных наночастиц металлов в прозрачных матрицах и прессованных таблеток на основе вторичных ВВ и наночастиц алюминия [15, с. 751], кобальта [7, с. 295], никеля [6, с. 686, 7, с. 295, 17, с. 14], меди [13, с. 90], золота и серебра [26, с. 39].

Однако экспериментальные исследования взрывного разложения энергетических материалов осуществлялось при длительности импульса на полувысоте 15.6 нс [22, с. 120], а теоретические - при 12 [10, с. 40], 14 [4, с. 50], 20 [22, с. 121], 30 [14, с. 160, 23, с. 55] нс. Для сравнение экспериментальных и теоретических закономерностей взрывного разложения длительность импульса должна быть одинаковой. Целью настоящей работы является расчет критической плотности энергии инициирования композитов тэн - никель при различных радиусах наночастиц и длительности инициирующего импульса, соответствующей экспериментальной (15.6 нс).

Наносекундная длительность импульса возбуждения приводит к тому, что процессы переноса и перераспределения поглощаемой в веществе энергии за время действия излучения затруднены. По окончанию импульса около локальной неоднородности, обладающей высоким значением коэффициента поглощения, возникает очаг химического разложения. Если энергия импульса достаточно велика, теплоприход от разложения энергетического материала превысит теплоотвод из зоны реакции за счет теплопроводности. В случае нанокомпозитов тэна, содержащих наночастицы металлов свет импульса претерпевает многократные отражения на границах зерен и наночастицах металлов, что позволяет использовать (как и в работах [1-5, 7-12, 16-26]) при расчетах сферическую симметрию, считая наночастицы также сферическим. Вопрос о влиянии формы наночастиц не исследован, однако в эксперименте старались использовать наночастицы по форме максимально приближенные к сферам. Нужные наночастицы получаются несколькими способами: для алюминия это электровзрыв в вакууме, для наночастиц подгруппы железа (в том числе - никеля) и благородных металлов - химическим методом: восстановлением свежеосажденного гидроксида необходимого металла гидразином. Изменением условий синтеза можно получить не только сферические наночастицы, но и с необходимыми радиусами (R) с узким распределением.

Основные процессы, учитываемые в модели, - нагрев наночастицы лазерным излучением, отвод тепла в энергетический материал и химическая реакция экзотермического разложения взрывчатого вещества. Для близких систем модель сформулирована в работах [7-12, 16-26]. Параметры модели для тэна и никеля заимствованы из работы [8, с. 10]. Методика численного решения [27, с. 33] уравнений модели выполнялось на сетке с переменным шагом по координате и сформулирована в работе [24, с. 380] и апробирована в работах [7-12, 16-23]. Полученная в этих работах система обыкновенных дифференциальных уравнений решалась методом Рунге-Кутты 1-5 порядка с переменным шагом по времени. Определение критической плотности энергии осуществлялось методом деления отрезка пополам, определяющим быстрое нахождение искомой величины с необходимой точностью. В работах [3, с. 26, 4, с. 51] точность задавалась на уровне 10-3, в более поздних - 10-4 [7-12, 16-26]. Однако такая точность не позволяет исследовать динамику образования очага реакции, аналога цепно-тепловых режимов процесса, сопровождающихся уменьшением температуры очага перед взрывом [14, с. 160]. В настоящей работе использовано не только экспериментально определенная длительность импульса [22, с. 120], но и значительно увеличена точность расчета пороговой энергии инициирования. Расчет продолжался для каждого радиуса наночастицы (R) до тех пор, пока максимальное значение плотности энергии, при которых взрывной режим не реализуется (Hmax_at), и минимальное значение плотности энергии, при которой реализуется взрывной режим (Hmin_exp) не отличается менее чем на 10-8.

Таблица. Рассчитанные при радиусах наночастиц никеля R максимальные значения плотности энергии, при которых взрывной режим не реализуется (Hmax_at), и минимальные значения плотности энергии, при которых реализуется взрывной режим (Hmin_exp)

R, нм

Hmax_at, Дж/см2

Hmin_exp, Дж/см2

10

0.1719457969

0.1719457977

15

0.12076316

0.12076317

20

0.098791613

0.098791614

25

0.0871445674

0.0871445679

30

0.0804160784

0.0804160789

35

0.076343801

0.076343802

40

0.0738811274

0.0738811278

45

0.072464138

0.072464139

50

0.0717627363

0.0717627367

55

0.0715712443

0.0715712448

60

0.0717550863

0.0717550867

65

0.0722226503

0.0722226507

70

0.0729095053

0.0729095056

75

0.0737690670

0.0737690674

80

0.0747668575

0.0747668579

85

0.075876834

0.075876835

90

0.0770789725

0.0770789729

95

0.078357633

0.078357634

100

0.0797004350

0.0797004354

105

0.081097445

0.081097446

110

0.0825406160

0.0825406165

115

0.084023352

0.084023353

120

0.0855408224

0.0855408229

В таблице приведены рассчитанные при радиусах наночастиц никеля в диапазоне от 10 нм до 120 нм значения Hmax_at и Hmin_exp. Зависимость H(R) имеет минимум с координатами 71.5712448 мДж/см2 и 60 нм. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору А.В. Каленскому.

Список литературы

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

2. 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.

3. Borovikova A.P., Kriger V.G., Kalenskii A.V. and others Time-space parameters of the explosive decomposition of energetic materials moving reaction wave // Известия ВУЗов. Физика. - 2012. - Т. 55. - № 11-3. - С. 25-29.

4. Grishaeva E.A., Kalensii A.V., Zvekov A.A. and others Transition from slow decomposition process into the self-accelerated mode in energetic materials // Известия ВУЗов. Физика. - 2012. - Т. 55. - № 11-3. - С. 50-53.

5. 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.

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

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

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

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

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

11. 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.

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

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

14. Гришаева Е.А., Кригер В.Г., Звеков А.А. и др. Механизм цепно-теплового взрыва энергетических материалов // Известия ВУЗов. Физика. - 2013. - Т. 56. - № 9-3. - 2013. - С. 159-162.

15. 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.

16. Зыков И.Ю. Критическая плотность энергии инициирования тэна // Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2013. - Т. 1. - № 1 (8). - С. 79-84.

17. Иващенко Г.Э., Одинцова О.В. Исследование взрывной чувствительности композитов гексоген-никель // NovaInfo.Ru. - 2015. - Т. 2. - № 33. - С. 13-19.

18. 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.

19. 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.

20. Каленский А.В., Зыков И.Ю., Боровикова А.П. и др. Критическая плотность энергии инициирования композитов тэн - никель и гексоген - никель // Известия ВУЗов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 12-3. - С. 147-151.

21. Каленский А.В., Звеков А.А., Зыков И.Ю. и др. Чувствительность композитов гексоген-алюминий // Известия ВУЗов. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 12-3. - С. 142-146.

22. Каленский А.В., Ананьева М.В., Звеков А.А. и др. Кинетические закономерности взрывчатого разложения таблеток тетранитропентаэритрит-алюминий // ЖТФ. - 2015. - Т. 85. - № 3. - С. 119-123.

23. 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.

24. Кригер В.Г., Каленский А.В., Звеков А.А. и др. Процессы теплопереноса при лазерном разогреве включений // Теплофизика и аэромеханика. - 2013. - Т. 20. - № 3. - С. 375-382.

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

26. Одинцова О.В.Расчет взрывной чувствительности композитов пентаэритритатетранитрат-серебро к действию лазерного импульса // Современные фундаментальные и прикладные исследования. - 2014. - № 4 (15). - С. 38-43.

27. Шайтован. Н.Ж. Новые информационные технологии // NovaInfo.Ru. - 2013. - № 13. - С. 32-34.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Изучение методики обработки результатов измерений. Определение плотности металлической пластинки с заданной массой вещества. Расчет относительной и абсолютной погрешности определения плотности материала. Методика расчета погрешности вычислений плотности.

    лабораторная работа [102,4 K], добавлен 24.10.2022

  • Ветер как источник энергии. Выработка энергии ветрогенератором. Скорость ветра как важный фактор, влияющий на количество вырабатываемой энергии. Ветроэнергетические установки. Зависимость использования энергии ветра от быстроходности ветроколеса.

    реферат [708,2 K], добавлен 26.12.2011

  • Определение импульса, полной и кинетической энергии электрона. Расчет плотности и молярной массы смеси. Уравнение состояния Менделеева-Клапейрона, описывающее поведение идеального газа. Коэффициент внутреннего трения воздуха (динамической вязкости).

    контрольная работа [405,8 K], добавлен 22.07.2012

  • Сущность и краткая характеристика видов энергии. Особенности использования солнечной и водородной энергии. Основные достоинства геотермальной энергии. История изобретения "ошейника" А. Стреляемым, принцип его работы и потребления энергии роста растений.

    презентация [911,5 K], добавлен 20.12.2009

  • Пути и методики непосредственного использования световой энергии Солнца в промышленности и технике. Использование северного холода как источника энергии, его потенциал и возможности. Аккумулирование энергии и повышение коэффициента полезного действия.

    реферат [18,0 K], добавлен 20.09.2009

  • Классификация альтернативных источников энергии. Возможности использования альтернативных источников энергии в России. Энергия ветра (ветровая энергетика). Малая гидроэнергетика, солнечная энергия. Использование энергии биомассы в энергетических целях.

    курсовая работа [3,9 M], добавлен 30.07.2012

  • Зависимость стационарной концентрации триплетных молекул акцептора энергии от мощности возбуждения. Зависимость интенсивности СФ от мощности возбуждения. Зависимостью интенсивности обычной фосфоресценции от интенсивности возбуждения.

    реферат [33,1 K], добавлен 16.03.2007

  • Решение экспериментальных задач по определению плотности твердых веществ и растворов, с различной массовой долей растворенного вещества. Измерение плотности веществ, оценка границ погрешностей. Установление зависимости плотности растворов от концентрации.

    курсовая работа [922,0 K], добавлен 17.01.2014

  • Исходные данные и расчетные формулы для определения плотности твердых тел правильной формы. Средства измерений, их характеристики. Оценка границы относительной, абсолютной погрешностей результата измерения плотности по причине неровности поверхности тела.

    лабораторная работа [26,9 K], добавлен 30.12.2010

  • Теории и методики измерения плотности горных пород способом гидростатического взвешивании. Метрологический контроль измерительного прибора. Плотность пород в естественном залегании. Определение плотности песчаника, гипса, аргиллита, гранита, алевролита.

    лабораторная работа [401,7 K], добавлен 28.02.2016

  • Расчет объемной плотности энергии электрического поля. Определение электродвижущей силы аккумуляторной батареи. Расчет напряженности и индукции магнитного поля в центре витка при заданном расположении проводника. Угловая скорость вращения проводника.

    контрольная работа [250,1 K], добавлен 28.01.2014

  • Возрастание интереса к проблеме использования солнечной энергии. Разные факторы, ограничивающие мощность солнечной энергетики. Современная концепция использования солнечной энергии. Использование океанской энергии. Принцип действия всех ветродвигателей.

    реферат [57,6 K], добавлен 20.08.2014

  • Зависимость оптической плотности от концентрации вещества в растворе и толщины поглощающего слоя. Ознакомление с устройством и принципом работы спектрального прибора, его назначение; определение плотности и концентрации вещества на спектрофотометре.

    лабораторная работа [34,1 K], добавлен 05.05.2011

  • Изучение истории рождения энергетики. Использование электрической энергии в промышленности, на транспорте, в быту, в сельском хозяйстве. Основные единицы ее измерения выработки и потребления. Применение нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

    презентация [2,4 M], добавлен 22.12.2014

  • Определение состава газовой смеси в массовых и объемных долях; ее плотности и удельного объема, процессных теплоемкостей и показателя адиабаты. Изменение внутренней энергии, энтальпии и энтропии в процессах, составляющих цикл. Термический КПД цикла Карно.

    контрольная работа [38,9 K], добавлен 14.01.2014

  • Определение реакции баллона на возросшее давление. Анализ газовой постоянной и плотности смеси, состоящей из водорода и окиси углерода. Аналитическое выражение законов термодинамики. Расчет расхода энергии в компрессорах при политропном сжатии воздуха.

    контрольная работа [747,5 K], добавлен 04.03.2013

  • Исследование механизма упругих и неупругих столкновений, изучение законов сохранения импульса и энергии. Расчет кинетической энергии при абсолютно неупругом ударе и описание механизма её превращения во внутреннюю энергию, параметры сохранения импульса.

    лабораторная работа [129,6 K], добавлен 20.05.2013

  • Классификация веществ по электропроводности. Расчёт эффективной массы плотности состояний электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, концентраций свободных носителей заряда. Определение зависимости энергии уровня Ферми от температуры.

    курсовая работа [913,5 K], добавлен 14.02.2013

  • Солнечная, ветряная, геотермальная энергия и энергия волн. Использование альтернативной энергии в России. Исследование параметров солнечной батареи и нестандартных источников энергии. Реальность использования альтернативной энергии на практике.

    реферат [3,8 M], добавлен 01.01.2015

  • Определение линейных, фазных токов, размеров и витков обмоток. Среднее значение плотности тока в обмотках. Расчет обмотки и площади поверхностей охлаждения обмоток. Определение плотности теплового потока. Расчет стоимости трансформатора и электрозатрат.

    курсовая работа [1,8 M], добавлен 23.01.2011

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.