научная статья по теме ВЗРЫВЧАТЫЕ СОСТАВЫ НА ОСНОВЕ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ СМЕСЕЙ МЕТАЛЛ–ОКИСЛИТЕЛЬ Химия

Текст научной статьи на тему «ВЗРЫВЧАТЫЕ СОСТАВЫ НА ОСНОВЕ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ СМЕСЕЙ МЕТАЛЛ–ОКИСЛИТЕЛЬ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2007, том 26, № 12, с. 40-45

ГОРЕНИЕ И ВЗРЫВ

УДК 539.63:541.124

ВЗРЫВЧАТЫЕ СОСТАВЫ НА ОСНОВЕ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ

СМЕСЕЙ МЕТАЛЛ-ОКИСЛИТЕЛЬ

© 2007 г. Ä. Ю. Долгобородов1, Ä. Н. Стрелецкий1, М. Н. Махов1, И. В. Колбанёв1, В. Е. Фортов2

1Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук, Москва 2Институт теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур

Российской академии наук, Москва E-mail: aldol@chph.ras.ru Поступила в редакцию 01.11.2006

Проведено экспериментальное исследование детонационно-подобных режимов в механоактивиро-ванных энергетических композитах (МАЭК). Рассматриваемые МАЭК состоят из слоев металла (Al, Mg) и фторопласта, перемешанных на субмикронном и наноуровнях. Реакция в указанных системах протекает с образованием твердых конечных продуктов. МАЭК значительно превосходят обычные смеси по скорости химического превращения. Горение МАЭК протекает во взрывном режиме со скоростями 300-400 м/с, а температура продуктов достигает 4000 К. При инициировании зарядом ВВ в пористых образцах МАЭК наблюдается стационарный детонационный режим. В зависимости от содержания компонентов и плотности образцов скорость детонации изменяется от 700 до 1300 м/с и значительно превышает скорость звука в исходной смеси. Детонация распространяется по очаговому механизму за счет эстафетного продвижения реакции струями продуктов.

ВВЕДЕНИЕ

Метод получения взрывчатых составов на основе смесей окислитель-горючее с помощью шаровых мельниц используется с давних времен как один из способов приготовления черного пороха. Во избежание взрыва измельчение и смешение исходных материалов в таких мельницах осуществляется достаточно медленно и с невысокой интенсивностью. Компоненты готовых смесей, как правило, состоят из частиц размером в десятки и сотни микрон, что создает ограничения по скоростям химического превращения таких систем. С развитием механохимических способов смешения и активации материалов стало возможным создание систем, компоненты которых перемешаны на субмикронном и наноуровнях. В ИХФ РАН способ предварительной механоактивации смесей окислитель-металлическое горючее начал использоваться с 2002 г. [1-4], а получаемые материалы были названы механоактивированны-ми энергетическими композитами (МАЭК). Несколько позже аналогичный способ (Arrested Reactive Milling) разработан в Технологическом институте Нью-Джерси (США) [5].

Условия обработки компонентов в шаровой мельнице для получения МАЭК подбираются таким образом, чтобы происходило максимальное измельчение, однородное смешение и активация компонентов без протекания химической реакции между ними. Высокие скорости распростра-

нения химической реакции в МАЭК, обладающих большой поверхностью контакта реагентов, невозможны для составов, приготовленных обычными способами механического смешения.

Среди смесей металлов с окислителями, реагирующих с образованием твердых продуктов, особый интерес представляют смеси фторопласта-4, (-С^4-)я, с А1 и Mg. Эти композиции отличаются высоким тепловым эффектом реакции взаимодействия компонентов. Так, при условии образования конденсированных продуктов тепловые эффекты для смесей фторопласта (Фт) с А1 (26.5 вес. %) и Mg (32.5 вес. %) равны 2071 и 2280 ккал/кг соответственно, что превышает теплоту взрыва не только мощных индивидуальных ВВ, но и многих алюминизированных взрывчатых составов. Ранее были проведены исследования режимов горения и детонации в механоактивированных смесях А1 с различными окислителями. В [4] представлены первые результаты по детонации МАЭК А1-Фт. В настоящей работе продолжено изучение такой системы, в частности, исследовалась устойчивость детонационного режима в зависимости от концентрации компонентов, диаметра зарядов и мощности инициатора. Проведены также поисковые исследования режимов распространения реакции в МАЭК на основе металлов Mg, Т и Zr и фторопласта.

ПОДГОТОВКА АКТИВИРОВАННЫХ СМЕСЕЙ

Основная часть смесей содержала порошки А1 -АСД-6 (со средним размером частиц 3.6 мкм), Mg -МПФ-3 и МПФ-4 (фрезерованные порошки с чешуйчатыми частицами толщиной 5-10 мкм и линейными размерами 50-200 мкм) и фторопласт (Ф4-ПН или Ф4-Д, частицы неправильной формы размером 10-300 мкм). Проведен также ряд опытов с ультрадисперсным фторопластом (марка "Форум", сферические частицы размером 0.6 мкм), титаном и цирконием (размер частиц 100-200 мкм).

Смешение и активация смесей проводились в шаровой вибрационной мельнице конструкции Аронова [6]. Мельница была выбрана из соображений сочетания высокой энергонапряженности и хорошей производительности. Этот аппарат характеризуется достаточно высокой энергонапряженностью (90 Вт/барабан) и имеет 4 барабана объемом 108 см3 каждый. В каждый барабан можно загружать до 20 г порошка. Кроме того, барабаны в этой мельнице герметичны, и механическая обработка может проводиться в инертной атмосфере (в аргоне). Удельная энергонапряженность, определенная по скорости роста удельной поверхности графита, при загрузке 10 г на барабан составляет 9 Вт/г. Из соображений взрыво-безопасности порошки обрабатывали в присутствии небольшого количества гексана. После загрузки порошков и 30-50 мл гексана барабан продували аргоном. Таким образом, механохими-ческую обработку порошков проводили в инертной среде в присутствии жидкой прослойки. В большинстве случаев общее время обработки смесей в активаторе изменялось от 12 до 15 мин. Для предотвращения перегрева смесей механическую обработку проводили циклами по 30 (45) с с перерывами между циклами по 15-20 минут. В процессе обработки металлические частицы многократно раскатывались шарами, разрушались и вдавливались во фторопласт. Для удаления гексана порошок высушивался.

Образцы после механохимической активации исследовали методами электронной микроскопии, локального элементного анализа и рентге-нофазового анализа. Электронно-микроскопические измерения проводили в ИНЭПХФ РАН (на установке "СатеЬах" при участии П.А. Пшечен-кова). Анализ показал, что полученные частицы представляют собой плоские чешуйки из фторопластовой матрицы с вдавленными в нее тонкими слоями металла. Однородность перемешивания зависела от исходных размеров частиц металла. Для более мелких частиц А1 перемешивание было наиболее гомогенным. Линейные размеры основной массы частиц составляли от 5 до 50 мкм при толщине 0.5-2 мкм для А1-Фт и 1-5 мкм для Mg-Фт.

Рентгеновские дифрактограммы регистрировали на приборе Дрон-3 (химфак МГУ, при участии А.В. Леонова). Условия регистрации и методика количественного анализа аналогичны описанным в [7]. В процессе механической активации смесей наблюдается уширение рентгеновских линий исходных компонентов (А1, Mg и фторопласта), а также изменение соотношения интенсив-ностей линий (текстурирование) в гексагональном Mg. Параметры кристаллической решетки металлов (А1, Mg) в пределах точности измерений не изменяются. Уширение рентгеновских линий может быть вызвано уменьшением размера кристаллитов (области когерентного рассеяния) и аккумуляцией дислокаций. Предварительный анализ позволяет полагать, что основной вклад в уширение линий металлов вносит образование дислокаций. Формирование дислокаций связано с интенсивной пластической деформацией и изменением формы частиц металлов при механоактива-ции. На дифрактограммах активированных смесей возможные продукты химического взаимодействия не обнаружены даже в следовых количествах. Таким образом, механическая активация приводит к уменьшению размеров частиц компонентов, их перемешиванию и созданию дефектов (в частности, дислокаций) в объеме материала. Химического взаимодействия в выбранных условиях активации не происходит.

ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Измерения скоростей распространения ударно-индуцированных процессов проводились в стальных, дюралевых или плексигласовых трубах различного диаметра. В большинстве опытов использовались толстостенные стальные трубы высотой 150-350 мм с внутренним диаметром 29 мм, состоящие из нескольких секций, высотой 25-30 мм. В первой секции находился инициатор. Остальные секции заполнялись исследуемой смесью, которая порционно засыпалась в трубу и уплотнялась до плотностей 0.16-0.25 от максимальной. В конце заряда помещалась пластина-свидетель или составная пластина с вмонтированным пьезопле-ночным датчиком давления. Составная труба с пластиной стягивалась резьбовыми креплениями. Для измерения скоростей использовались электроконтактные датчики, которые представляли собой две скрученные медные проволочки толщиной 0.3 мм в эмалевой изоляции. Перед экспериментом на датчики подавалось напряжение 300 в. После замыкания датчиков электронная схема формировала короткие импульсы (~1 мкс), которые записывались с помощью аналого-цифрового преобразователя. В ряде опытов параллельно с датчиками в образец помещались световоды. Свечение реагирующей смеси регистрировалось с помощью фотодиодов. Кроме стальных труб,

Скорости детонации МАЭК А1-Фт в конце заряда и давление в пластине-свидетеле

(стальная труба, диаметр 29 мм)

А1-Фт р0, г/см3 Длина заряда, мм D, м/с Пластина-свидетель Давление, ГПа

0.40 150 840 дюраль -

45/55 0.44 150 780

0.48 180 740 фторопласт 0.6

0.50 305 705 дюраль 1.0

45/55 (Гелий) 0.49 140 710 фторопласт-ПММА 0.5

35/65 0.50 180 1050 дюраль -

0.47 210 1060 фторопласт 0.75

30/70 0.55 210 1110 1.1-1.6

30/70 (Форум) 0.80 210 1020 -

27/73 0.59 305 1200

25/75 0.54 210 1280 дюраль

20/80 0.47 210 1200

0.67 210 910

15/85 0.57 210 750

использовались также трубы из плексигласа и дюраля меньшего диаметра (10-20 мм).

Для ударно-волнового инициирования процесса в трубах большого диаметра применялся взрывчатый состав, состоящий из смеси порошков перхлората аммония (ПХА) и полиметилме-такрилата (ПММА) (95/5) весом 10 г. Средний размер частиц ПХА составлял 15 мкм, а ПММА -3 мкм. Инициирующий состав готовился смешением компонентов в емкости с фарфоровыми шарами в течение 2 ч в валковой мельнице. Подрыв осуществлялся электродетонатором ЭД-8, между детонатором и инициирующим составом насыпался небольшой

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