научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК АЛЮМИНИЯ И БОРА НА ТЕПЛОТУ ВЗРЫВА И МЕТАТЕЛЬНУЮ СПОСОБНОСТЬ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК АЛЮМИНИЯ И БОРА НА ТЕПЛОТУ ВЗРЫВА И МЕТАТЕЛЬНУЮ СПОСОБНОСТЬ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 1, с. 40-45

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

УДК 534.222.2

ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК АЛЮМИНИЯ И БОРА НА ТЕПЛОТУ ВЗРЫВА И МЕТАТЕЛЬНУЮ СПОСОБНОСТЬ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

© 2015 г. М. Н. Махов

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва

E-mail: makhov@polymer.chph.ras.ru Поступила в редакцию 28.03.2014

Результаты исследований показали, что добавление порошков бора и алюминия к взрывчатым веществам приводит к повышению теплоты взрыва и метательной способности. При этом алюмини-зированные составы по указанным параметрам превосходят борсодержащие композиции. Наибольшее повышение метательной способности может быть получено при использовании нанораз-мерных частиц алюминия, покрытых защитным слоем из активного материала.

Ключевые слова: теплота взрыва, метательная способность, нанокомпозит, алюминий, бор.

DOI: 10.7868/S0207401X15010082

Для повышения мощности энергетических материалов широко используется порошкообразный алюминий. Однако существует ряд веществ, способных конкурировать с алюминием при использовании их в качестве энергетической добавки. К таким веществам, в частности, относится бор. Предлагаемая работа посвящена изучению теплоты взрыва (ТВ) и метательной способности (МС) смесей взрывчатых веществ (ВВ) с порошкообразным бором в сравнении с алюминизиро-ванными композициями. Выбор параметров для исследования обусловлен тем, что ТВ отражает потенциальные возможности продуктов взрыва (ПВ) совершать работу при расширении, а МС характеризует один из важнейших видов конкретного действия ВВ.

В литературе накоплен значительный материал по исследованию алюминизированных ВВ. В работах [1, 2] представлены результаты изучения детонационных характеристик смесей алюминия c о кто геном, нитрогуанидином и бис(три-нитроэтил)нитрамином. Перечисленные ВВ различаются по содержанию кислорода и горючих элементов. В составы вводился порошок алюминия, размер частиц которого изменялся в широких пределах (0.1—150 мкм). Порошок алюминия с размером частиц 0.1 мкм был получен в ИНЭП ХФ РАН конденсационным методом Гена—Миллера [3, 4]. Одна из глав монографии [5] содержит обзор данных по свойствам алюминизированных ВВ. Авторы рассмотрели следующие параметры: скорость детонации, профили давления и температуры ПВ, ТВ и МС. В последние годы особое внимание исследователей

привлечено к алюминизированным нанокомпози-там, т.е. к системам с равномерным распределением наноразмерных частиц алюминия в матрице ВВ. В работе [6] представлены результаты исследования свойств нанокомпозитов октоген/А1 = 85/15. Эти системы были получены методом распылительной сушки суспензии наноразмерного алюминия в растворе октогена. Способ приготовления нанокомпозитов разработан в ИНЭП ХФ РАН [6, 7]. В составах использовались порошки наноразмерного алюминия, различающиеся размером частиц, типом покрытия и массовой долей окисной пленки. Работа [8] посвящена обзору данных по МС алюминизированных композиций, содержащих ВВ различных классов. Основные закономерности влияния дисперсного алюминия на ТВ и МС взрывчатых смесей заключаются в следующем. Добавка алюминия к ВВ значительно повышает ТВ. Наибольший прирост ТВ соответствует В В с положительным кислородным балансом (КБ). Оптимальное по ТВ содержание алюминия лежит вблизи 40%. Системы, содержащие наноразмерный алюминий (в частности, на-нокомпозиты), превосходят по ТВ композиции с микроразмерным алюминием только при высоком содержании наноразмерного алюминия и резко отрицательном КБ основного ВВ. Добавление алюминия к ВВ может привести к повышению МС, однако эффект не столь значителен по сравнению с увеличением ТВ. Кроме того, результат зависит от методики испытаний. Оптимальное содержание алюминия для базовых методов исследования МС лежит в пределах 10—15%. Составы с наноразмерным алюминием не имеют преиму-

ществ по МС перед композициями, содержащими алюминий с размером частиц порядка нескольких микрон. Создание нанокомпозита может обеспечить небольшое дополнительное повышение МС, но только для ВВ с резко отрицательным КБ.

В литературе содержится значительно меньше информации по свойствам взрывчатых композиций, содержащих бор. Из результатов калориметрических измерений, представленных в [9], следует, что при добавлении порошка аморфного бора к гексогену и ТЭНу ТВ существенно повышается. Наибольший эффект от введения бора получен для ТЭНа, превосходящего гексоген по КБ. Эти данные свидетельствуют о высоком энергетическом потенциале борсодержащих ВВ.

Известно, что степень окисления добавки при взрыве зависит от таких факторов, как КБ взрывчатого вещества, плотность заряда, доля окисной пленки в порошке добавки, размер частиц и качество смешения компонентов. Влияние перечисленных параметров учитывается в методе расчета состава ПВ и ТВ, разработанном ранее для алю-минизированных ВВ [10, 11]. Данный метод был использован для сравнения взрывчатых смесей с алюминием и бором по потенциальному запасу энергии. При выполнении расчета допускалось, что вся добавка состоит из чистого вещества, а концентрация окисной пленки пренебрежимо мала. Кроме того, предполагался приоритет реакций, приводящих к образованию окислов А1203 и В2О3. Известно также, что как алюминий, так и бор, при их достаточно высокой концентрации в составе образуют нитриды [9, 12]. Не следует исключать также и вероятность взаимодействия добавок с углеродом. В частности, о присутствии карбида бора в ПВ свидетельствуют данные работы [9]. В связи с этим при выполнении расчетов предполагалось, что последовательность образования продуктов, содержащих алюминий и бор, подчиняется правилу: оксид — нитрид — карбид. В качестве взрывчатой основы смесей был выбран октоген (С4Н80^8) — мощное ВВ с отрицательным КБ (—21.6%). Здесь и далее расчет выполнен для максимальной плотности заряда.

Расчетные зависимости для смесей октогена с алюминием и бором представлены на рис. 1. Разные участки кривых соответствуют различному набору продуктов, содержащих вещество добавки. Участок АВ отвечает образованию только одного борсодержащего продукта — В203; на отрезке ВС образуются В203 и В^ СВ — В203, ВN и В4С; В... — В203, В^ В4С и В. Аналогично на зависимости для смеси с алюминием на участке АЕ образуется А1203; Е¥ — А1203 и АШ; ¥в — А1203, АШ и А14С3; в... — А1203, АШ, А14С3 и А1.

Точка В на рис. 1 лежит ниже точки Е, т.е. при условии, что взаимодействия добавок с азотом не происходит, смесь с бором уступает композиции с

О, МДж/кг

Рис. 1. Потенциальный запас энергии композиций на основе октогена в зависимости от массовой доли добавки: 1 — бор, 2 — алюминий.

алюминием по максимальному запасу энергии (хотя участок АВ и лежит выше зависимости, соответствующей алюминизированной системе). Учет возможности образования нитридов кардинально меняет картину: точка С на рис. 1 расположена значительно выше точки ¥, т.е. в этом случае композиция с бором превосходит состав с алюминием по запасу энергии. При этом образование карбидов не вносит существенного вклада в тепловой эффект (на рис. 1 линии претерпевают незначительный излом в точках В и в).

Рисунок 2 иллюстрирует зависимость суммарного числа молей газообразных ПВ от содержания добавки. При расчете учитывались значения потенциального запаса энергии смесей. Как следует из рис. 2, число молей газа существенно снижается при повышении содержания добавки. Связывание азота за счет образования нитридов еще сильнее уменьшает количество газообразных ПВ. Композиции с бором уступают составам с алюминием по числу молей газа при одинаковом содержании добавок. Однако при полном расходовании кислорода октогена на окисление добавок количество газообразных ПВ выше у композиции с бором (на рис. 2 точка В лежит выше точки Е). Следует отметить, что понижение числа молей газа в общем случае должно уменьшать долю энергии, перешедшую в механическую работу. Результаты расчета потенциального запаса энергии для смесей октогена с алюминием и бо-

40 35 30 25 20 15 10 5

И, моль/кг А

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

в

Рис. 2. Число молей газообразных ПВ композиций на основе октогена в зависимости от массовой доли добавки; обозначения те же, что и на рис. 1.

ром были сопоставлены с экспериментальными данными по ТВ.

Экспериментальное определение ТВ осуществлялось с использованием калориметрической установки с бомбой внутренним объемом 1.7 л. Бомба с самоуплотняющейся крышкой конструкции ИХФ РАН выполнена из специальной стали. Заряд состоял из таблеток, полученных методом холодного прессования. Вес образца составлял 10—12 г при диаметре 12 мм. Заряд помещался в оболочку из нержавеющей стали с толщиной стенок 6 мм. Бомба с прикрепленным по центру полости зарядом, помещенным в оболочку, продувалась аргоном, а затем заполнялась этим же газом до давления в 20 атм. В качестве калориметрической жидкости использовалась дистиллированная вода. В экспериментах осуществлялась непрерывная запись температуры калориметра. Тепловой эффект рассчитывался с помощью измеренного предварительно теплового эквивалента установки. Точность определения ТВ составляла 1%.

Роль оболочки и инертного газа, заполняющего бомбу под давлением, заключается в исключении изменения состава продуктов в результате их вторичного нагрева ударными волнами, отраженными от стенок бомбы. Независимость измеряемой величины ТВ от условий проведения эксперимента проверялась выборочно путем повышения отношения масс оболочки и ВВ и увеличения количества молей аргона на единицу массы образца. Более подробное описание методики и особенно-

стей проведения эксперимента для смесей с энергетической добавкой представлено в работах [2, 13-15].

Измерения ТВ смесей октогена с алюминием были выполнены ранее [2]. Ниже будут рассмотрены композиции с двумя видами алюминия. На-норазмерный алюминий А1(0.1), полученный в ИНЭП ХФ РАН, имел средний размер частиц 0.1 мкм (указано в скобках) и активность (массовую долю несвязанного металла), равную 0.87 [3, 4]. Активность промышленного алюминия А1(15) равнялась 0.98. Для приготовления смесей с бором использовался аморфный бор

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

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»