научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРО-, МЕЗО- И МАКРОСТРУКТУРЫ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРО-, МЕЗО- И МАКРОСТРУКТУРЫ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ»

УДК 662;544

ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРО-, МЕЗО- И МАКРОСТРУКТУРЫ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНХРОТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

© 2015 г. Е. Б. Смирнов1, А. К. Музыря1, О. В. Костицын1, Л. Х. Бадретдинова2, К. А. Тен3, Э. Р. Прууэл3, Б. П. Толочко4, М. Р. Шарафутдинов4, А. Н. Шмаков5, К. Э. Купер6

E-mail: ewgeny_smirnov@mail.ru

Молекулярная структура индивидуальных взрывчатых веществ изучается дифракционными методами, структура в диапазоне размеров 1 — 10 нм — методом малоуглового рентгеновского рассеяния, а с размерами 0.001—10 мм исследуется методом рентгеновской микротомографии. Информацию о морфологии неоднородностей структуры ВВ получали методами электронной и оптической микроскопий.

DOI: 10.7868/S0367676515010299

Согласно современным представлениям, превращение гетерогенного взрывчатого вещества (В В) в продукты взрыва, начинается во фронте инициирующей ударной волны по гомогенному механизму и продолжается за фронтом по локально-тепловому механизму [1, 2]. Принято считать, что закономерности разложения В В во фронте волны определяются его молекулярной и межмолекулярной структурами, характерные размеры которых находятся в субнанометровой области. С уменьшением интенсивности внешнего воздействия доля ВВ, разложившегося во фронте, уменьшается. Одновременно роль локально-теплового механизма в процессе инициирования возрастает. При этом под действием ударной волны на неод-нородностях микро-, мезо- и макроструктуры (внутри ВВ) за счет диссипации энергии создаются локальные повышения температур — горячие точки. Повышенные температуры способствуют воз-

1 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина", Снежинск Челябинской области.

2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский национальный исследовательский технологический университет.

3 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт гидродинамики имени М.А. Лаврентьева Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.

4 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела и механохимии Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.

5 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа имени Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.

6 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики имени Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирск.

никновению химической реакции в областях разогревов и последующему распространению ее на окружающее вещество. В качестве возможных причин локализации тепла в литературе обсуждаются различные механизмы. Однако многогранность явления возбуждения взрывчатого превращения не позволяет отдать предпочтение какому-то одному из них. Немаловажно и то, что при изменении условий нагружения может происходить смена механизмов, определяющих процесс инициирования своим совместным действием.

В настоящее время широко используются феноменологические модели кинетики разложения ВВ, базирующиеся на количественной взаимосвязи неоднородностей структуры, и экспериментально определенной чувствительности ВВ к внешним воздействиям. Не рассматривая подробно сами механизмы, делается предположение о взаимосвязи размера неоднородности, в частности воздушной поры и величины энергии, которую она аккумулирует в себе при сжатии. Учитывается также, что отток тепла пропорционален площади поверхности разогретой поры. Построенная в этих предположениях математическая модель кинетики разложения ВВ чрезвычайно требовательна к фактическим данным о распределении неоднородностей внутри ВВ. Для верификации таких моделей необходима эмпирическая информации как о молекулярной структуре ВВ, так и о гетерогенной структуре заряда ВВ. Последняя, в свою очередь, определяется процессом производства и изменяется при механических и тепловых воздействиях на ВВ. Всю совокупность неоднородностей структуры заряда ВВ можно условно разделить на три класса: внутрикристаллические (1—100 нм), внутригранульные (0.1—100 мкм) и межгранульные (0.1—10 мм). Таким образом, для построения

40 35 30 25 20 15

и

_l_I_I_Lbüll

0 5 10 15 20 25 XRD

1

100( мкм

XRCT

^ USAXS I

SAXS

Молекулярная Наноструктура структура

Микроструктура Мезоструктура

Макроструктура

1 À 1 нм 10 нм 100 нм 1 мкм 10 мкм 100 мкм 1 мм 10 мм

Рис. 1. Методы исследования структуры ВВ.

физической модели кинетики разложения ВВ необходима информация о структуре, охватывающая область от молекулярной структуры с характерными размерами на уровне 10-10 м до макроструктуры ВВ с характерными размерами, достигающими 10-2 м.

В ходе исследований использован целый спектр методов исследования структуры, в обобщенном виде приведенный на рис. 1.

Диапазон исследований охватывает широкую область изменения размеров структуры от единиц ангстрем до миллиметров. Исследования молекулярной структуры индивидуальных ВВ осуществляются дифракционными методами (XRD), в том числе при вариации начальных условий (температура и приложенное к ВВ давление). Структура (пористость) в диапазоне размеров 1—10 нм изучается методами малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS). Структура с характерными размерами 0.001—10 мм изучается методом рентгеновской микротомографии (XRTC). Изучение структуры в диапазоне характерных размеров 0.01—1 мкм может быть реализовано методом сверхмалоуглового рентгеновского рассеяния (USAXS). Информацию о морфологии неоднородностей структуры ВВ получали методами электронной (EMS) и оптической (OMS) микроскопий.

Методы XRD, SAXS и XRTC, применяющиеся в данной работе, используют монохроматический пучок синхротронного излучения (СИ) от элек-трон-позитронного коллайдера. Использование СИ позволяет набирать большие экспозиции рентгеновского излучения за короткое время, а также дает возможность вести непрерывную регистрацию физико-химических явлений в режиме

реального времени. Малая угловая расходимость СИ делает его незаменимым для прецизионных измерений. Впервые синхротронное излучение для исследования внутренней структуры ВВ было использовано в Lawrence Livermore National Laboratory [3, 4]. В работах [4, 5] приведены данные о внутренней структуре взрывчатого вещества LX-17, полученные на ускорителе Advanced Photon Source в Argonne National Laboratory. В нашей стране СИ в этих целях было впервые применено [6, 7] на ускорительном комплексе ВЭПП-3, расположенном в Институте ядерной физики СО РАН. Источник СИ на данном ускорителе — излучение релятивистских электронов с энергией 2 ГэВ из виг-глера с полем 2 Тл. Синхротронное излучение вигглера имеет непрерывный спектр с критической длиной волны Хс = 2.33 А и интегральной мощностью 103 Вт.

В данной работе приведены результаты исследований структуры взрывчатого вещества 1,3,5-триа-мино-2,4,6-тринитробензол (ТАТБ). Данное ВВ, в том числе в комплексе с пластификаторами, представляет большой научный интерес из-за уникально низкой чувствительности к внешним тепловым и ударным воздействиям. Вместе с тем данное ВВ чрезвычайно привлекательно для научных исследований, благодаря своей сложной кристаллической структуре. Кристаллы ТАТБ имеют три-клинную симметрию, представляющую большие сложности для рентгеноструктурного анализа. При исследованиях ТАТБ из-за внутренней анизотропии триклинной системы следует обращать внимание на направленную зависимость тепловых и механических свойств таких материалов.

Интенсивность, усл. ед. 500

400

300

200

100

0

10 20 30 40 50 60 70

80 90 29,град

Рис. 2. Дифрактограмма ТАТБ при атмосферном давлении и температуре Т = 293 К. Энергия рентгеновских квантов Е = 8.2 кэВ.

Рис. 3. Кристаллическая структура ТАТБ. а — параллельно кристаллографической плоскости аЬ; б — перпендикулярно кристаллографической плоскости аЬ.

Исследование молекулярной структуры индивидуального ВВ ТАТБ (с характерными размерами 0.1—1 нм) проводится методом порошковой рентгеновской дифракции (XRD), в том числе при гидростатическом сжатии взрывчатого вещества в алмазных наковальнях. Полученная при нормальных условиях дифрактограмма ТАТБ приведена на рис. 2. На рисунке по оси абсцисс отложен угол рассеяния излучения 29, а по оси ординат — интенсивность излучения I в условных единицах.

Размеры элементарной ячейки ТАТБ, рассчитанные в данной работе на основании рентгено-структурного анализа, показывают хорошее согласие с результатами работы [8]. Геометрия элементарной ячейки ТАТБ демонстрируется на рис. 3.

Исследования изотермического сжатия в совокупности с данными по ударному адиабатическому сжатию являются основополагающими в понимании и интерпретации таких явлений, как фазовые переходы, плавление при ударном на-гружении и инициирование детонации. В данной работе изучалось сжатие ТАТБ приблизительно до 5 ГПа при температуре 293 К. Регистрация дифракционного сигнала осуществлялась при помощи детектирующей системы на основе запоминающего экрана фирмы МагЯевеагсЬ. Энергия рентгеновских квантов составляла Е = 33.7 кэВ [9].

При атмосферном давлении регистрировалось до десяти дифракционных пиков (см рис. 2), что вполне достаточно для анализа триклинной системы. Однако с увеличением давления до 5 ГПа количество регистрируемых рефлексов сокращалось до четырех. Дифрактограммы ТАТБ для не-

скольких уровней сжатия демонстрируются на рис. 4.

Для расчета параметров элементарной ячейки ТАТБ необходимо регистрировать минимум шесть дифракционных пиков. Чтобы сократить количество независимых переменных в решении для триклинной системы, необходимо было сделать предположения о поведении элементарной ячейки ТАТБ при сжатии. Анизотропная кристаллическая структура ТАТБ обусловлена различием силы молекулярного и межмолекулярного взаимодействия. Сильные водородные связи действуют в основном в кристаллографической плоскости аЬ, тогда как между отдельными плоскостями аЬ действуют слабые ванн-дер-вал

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком