ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 4, с. 69-75
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 537.5+662.2
ВОЗБУЖДЕНИЕ ВЗРЫВЧАТЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ МАТЕРИАЛАХ С НАНОРАЗМЕРНЫМИ ИНЕРТНЫМИ ДОБАВКАМИ СИЛЬНОТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ. РАЗМЕР ГОРЯЧИХ ТОЧЕК © 2015 г. А. А. Лукин1, В. А. Морозов1, С. А. Рашковский2, 3, Г. Г. Савенков4*
1Санкт-Петербургский государственный университет 2Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского Российской академии наук, Москва 3Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва 4Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
*E-mail: sav-georgij@yandex.ru Поступила в редакцию 25.06.2014
Приведены результаты экспериментальных исследований по инициированию ряда энергонасыщенных материалов с наноразмерными инертными добавками окиси меди сильноточным электронным пучком с невысокими энергетическими параметрами. Показано, что при определенной концентрации инертных добавок стойкость композиции "энергонасыщенный материал + добавка" к воздействию импульсного электронного пучка композиции резко падает.
Ключевые слова: сильноточный электронный пучок, инициирование, взрывчатое превращение, на-норазмерный порошок.
DOI: 10.7868/S0207401X15040123
ВВЕДЕНИЕ
Вопросу взаимодействия как сильноточного, так и автоэмиссионного электронного пучка (СЭП и АЭП) с энергонасыщенными материалами (ЭНМ), в частности с инициирующими и бризантными взрывчатыми веществами (ИВВ и БВВ), за последние 60 лет посвящено, по крайней мере, около полутора сотен работ. Их краткий обзор можно найти, например, в [1]. Только за 2014 г. уже вышло две работы [2, 3]. Однако ясности в вопросе, что же является первичным при инициировании неких взрывчатых превращений (вряд ли речь может идти о детонации, учитывая геометрические параметры экспериментальных образцов) — СЭП или сопутствующий ему катодный факел (КФ), представляющий собой металлическую плазму, генерируемую с катода, до сих пор нет. Дискуссия по этому вопросу была развернута в работах [1, 2, 4]. Вероятно, для чувствительных ИВВ и тетранит-ропентаэритрита (ТЭНа — самого чувствительного из БВВ) можно отдать приоритет СЭП. В случае же менее чувствительных ЭНМ с высокой температурой воспламенения оба фактора — и СЭП и КФ вносят вклад в их инициирование. При этом вклад КФ оказывается более весомым, чем СЭП [3].
Можно ли понизить вклад КФ и одновременно повысить чувствительность ЭНМ к воздействию СЭП, что является актуальным для удаленного инициирования ЭНМ с помощью СЭП, например, в глубоком космосе? Можно ли повысить чувствительность к воздействию СЭП + КФ для ЭНМ с очень малой чувствительностью и высокой температурой воспламенения? Настоящая работа — попытка дать ответы на эти вопросы.
В работе [5] при воздействии СЭП на энерго-аккумулирующий фазовый материал (парафин) с наноразмерными полупроводниковыми добавками было показано, что добавка в парафин до 25% по массе окиси меди (СиО) с размерами частиц 50 и 100 нм увеличивает зону фазовых превращений (плавления) образцов, при этом добавки с размерами частиц 100 нм действуют более эффективно. Кроме того, чем выше концентрация добавок, тем большую часть образца охватывает зона фазовых превращений. В указанной работе было выдвинуто предположение, что наноразмерные добавки в парафине являются своеобразными "центрами притяжения" электронов. Последние при своем торможении на этих центрах (которые в [5] были названы горячими точками) нагревают их до очень высоких температур, и от них нагревается больший объем образца, чем это было в случае
образцов без добавок. Отсюда следует, что при облучении электронным пучком энергонасыщенных материалов с наноразмерными добавками эти центры также будут играть роль горячих точек, а, значит, будут повышать чувствительность ЭНМ к действию СЭП и способствовать их инициированию.
Модель горячих точек в тепловой теории возбуждения взрыва, связанная с невозможностью разогрева всего заряда взрывчатого вещества хотя бы до температур вспышки, появилась еще в начале 40-х годов прошлого века в работах Ю.Б. Ха-ритона и В.Ф. Беляева [6]. В работе Боудена и Сингха [7] было показано что, при облучении различных В В быстрыми частицами возбуждение взрывного процесса происходит только в случае, когда размер очага разложения превышает некоторую критическую величину. Считается (это подтверждается экспериментальными или расчетными методами), что "размер горячих" точек для наиболее распространенных ВВ лежит в диапазоне 1—500 мкм [7, 8].
Такие размеры очагов возбуждения приводят к некоторым противоречивым результатам при построении теории инициирования взрывчатых превращений из горячих точек. Для устранения возникающих противоречий были предложены различные модели и механизмы инициирования [9—11], которые, однако, не смогли устранить их в полной мере. Поэтому по-прежнему остается актуальным экспериментальное определение размеров горячих точек.
Настоящая работа посвящена исследованию влияния наноразмерных инертных добавок на чувствительность ЭНМ к воздействию СЭП и СЭП + КФ, а также оценке размеров горячих точек, образуемых наночастицами.
ОБРАЗЦЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В настоящей работе, являющейся логическим продолжением работ [3, 5], в качестве образцов ЭНМ применялись два состава: состав 1 на основе пикрата калия (ПК) (более 90%) с температурой воспламенения 340—360°С; состав 2 — смесь нитроцеллюлозы (НЦ) с нитроглицерином (НГ) и бутифталатом (БФ): 50% + 48% + 2%, соответственно с температурой воспламенения 240—280°С. Оба состава представляют собой порошки; размер частиц для первого состава на основе ПК составлял ~100 мкм, а для состава НГ + НЦ + БФ он был ~300 мкм. Испытанию также подвергалась смесь НЦ + НГ + БФ с энергетическим составом на основе свинцового сурика (размер частиц ~100 мкм), температура воспламенения которого составляла 180—200°С. В работе [3] состав на основе свинцового сурика воспламенялся и полностью сгорал от сильноточного электронного пучка без допол-
нительного воздействия катодного факела, в то время как пикрат калия (без добавок) не инициировался ни при воздействии СЭП, ни при воздействии СЭП + КФ.
В качестве инертной добавки в настоящей работе использовалась окись меди СиО с размерами частиц ~50 нм и ~100 нм. Знак "примерно" указывает на то, что таковы были исходные размеры частиц порошка меди. Вследствие высокой химической активности наночастиц меди происходило их окисление в процессе хранения и их размеры к моменту проведения экспериментов могли увеличиваться на 30—40%. Конечные размеры нано-частиц окиси меди не контролировались. Массовая концентрация добавок составляла 10—40% с шагом 5—10%.
Перемешивание составов и добавок проводили вручную до получения однородного цвета смеси. Составы вместе с наноразмерными добавками запрессовывались в стальные кольца с внешним и внутренним диаметрами 30 и 16 мм соответственно. Схема испытаний образцов полностью соответствовала схеме, приведенной в [1, 3—5]. Аналогично этой же схеме с помощью алюминиевой фольги толщиной 10 мкм производилась отсечка катодного факела. Средняя энергия электронов в пучке составляла 250 кэВ. Весь типоряд испытанных составов приведен в таблице.
Испытания проводили по следующей схеме. При получении отрицательного результата переходили к образцу со следующим процентным содержанием окиси меди (или свинцового сурика). После получения положительного результата проводили дополнительно 4—5 испытаний на образцах с аналогичным процентным содержанием добавки. В этих случаях отрицательного результата никогда не было. Положительный результат фиксировался по отсутствию запрессованного состава в кольце и полному закопчению катода ускорителя (вид катода приведен в [3]). Кроме указанных смесей испытывалась также смесь перхлората калия (ПХК) с алюминиевомагние-вым порошком (ПАМ) с размером частиц как ПХК, так и ПАМ 5—10 мкм в соотношении 60% и 40% соответственно.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Воздействие СЭП с отсечкой КФ на все образцы не приводило к их воспламенению. Таким образом, в рамках настоящей работы понизить вклад катодного факела в инициирование ЭНМ не удалось, что является ответом на первый поставленный во введении вопрос. По этой причине все дальнейшие исследования проводились без отсечки катодного факела. Результаты испытаний приведены в таблице. Их анализ показывает,
Составы и результаты испытаний
Основа состава Добавка (размер в нм)/% Плотность, г/см3 Плотность потока энергии в пучке, ГВт/см2 Результат
ПК СиО (50)/10 1.12 4.1 -
СиО (50)/15 1.23 4.1 -
СиО (50)/20 1.34 4.1 -
СиО (50)/25 1.43 4.1 -
СиО (50)/30 1.52 4.1 -
СиО (50)/35 1.62 4.1 -
СиО (50)/40 1.71 4.1 +
СиО (100)/10 1.11 4.1 -
СиО (100)/15 1.25 4.1 -
СиО (100)/20 1.32 4.1 -
СиО (100)/25 1.44 4.1 +
СиО (100)/30 1.54 3.1 +
СиО (100)/35 1.63 3.1 +
СиО (100)/40 1.70 3.1 +
НЦ + НГ СиО (50)/10 1.06 4.1 -
СиО (50)/20 1.21 4.1 -
СиО (50)/30 1.33 4.1 -
СиО (50)/40 1.45 4.1 -
СиО (100)/10 1.04 4.1 -
СиО (100)/20 1.18 4.1 -
СиО (100)/30 1.29 4.1 -
СиО (100)/40 1.41 4.1 -
Свинцовый сурик/20 1.56 4.1 -
Свинцовый сурик/25 1.68 4.1 -
Свинцовый сурик/30 1.79 4.8 -
Свинцовый сурик/35 1.87 4.8 +
Свинцовый сурик/40 1.96 3.1 +
ПХК ПАМ/40 1.61 4.8 -
Примечание: знак "плюс" соответствует инициированию, знак "минус" — отсутствию инициирования.
что состав 1 удалось воспламенить только при 40% массовой доли наночастиц СиО с размером 50 нм и при 25% и выше для наночастиц СиО с размером 100 нм.
Состав 2 с наноразмерными добавками окиси меди (по крайней мере, с добавками, составляющими до 40% включительно), так же как и перхлорат калия со смесью порошков алюминия и магния микронного размера, воспламенить не удалось. Состав 2 удалось воспламенить только при его смешивании с составом на основе свин-
цового сурика, массовая доля которого составляла 35% и выше.
Проанализируем полученные результаты. Энергонасыщенный композит с наноразмерны-ми добавками окиси меди является гетерогенной системой, состоящей из частиц, существенно различающихся как р
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.