ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 4, с. 55-62
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 534.222.2
ИССЛЕДОВАНИЕ СТАРЕНИЯ АЛЮМИНИЗИРОВАННЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ МЕТОДОМ ДЕТОНАЦИОННОЙ КАЛОРИМЕТРИИ © 2015 г. М. Н. Махов1*, А. Н. Жигач2, И. О. Лейпунский2
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва 2Институт энергетических проблем химической физики Российской академии наук, Москва
*Е-таП: makhov@polymer.chph.ras.ru Поступила в редакцию 28.03.2014
Методом детонационной калориметрии исследована теплота взрыва композиций, содержащих ок-тоген и наноразмерный алюминий в пропорции 85/15 по массе. Порошки наноалюминия, механических смесей и нанокомпозитов хранились 18 месяцев в негерметичной емкости при комнатной температуре в условиях естественной влажности. Результаты испытаний показали, что при отдельном хранении наноалюминия теплота взрыва снижается в меньшей степени, чем в случае контакта наноалюминия с октогеном в процессе хранения композиций. Наибольшее снижение теплоты взрыва наблюдалось для составов, содержащих наноалюминий с частицами наименьшего размера. С использованием полученных данных проанализировано влияние старения на метательную способность композиций.
Ключевые слова: старение, теплота взрыва, алюминий, нанокомпозит, метательная способность.
Б01: 10.7868/80207401X15040135
ВВЕДЕНИЕ
Разработка технологии получения нанострук-турных композитов в настоящее время рассматривается в качестве одного из наиболее перспективных направлений повышения эффективности взрывчатых материалов. Особый интерес в этом отношении представляют алюминизированные нанокомпозиты, т.е. системы, в которых частицы наноразмерного алюминия (пА1) распределены равномерно в матрице взрывчатого вещества (ВВ). Значительное тепловыделение, сопровождающее процесс взаимодействия алюминия с продуктами взрыва (ПВ), обеспечивает высокую работоспособность алюминизированных составов. При этом использование пА1 и снижение масштаба гетерогенности смесей за счет создания наноком-позитов должны способствовать повышению степени окисления алюминия и увеличению доли энергии, реализуемой в условиях практики.
Однако известно, что наряду с преимуществами пА1 обладает и рядом недостатков, один из которых — более заметная по сравнению с обычным алюминием склонность к старению, т.е. к снижению содержания активного алюминия в частицах с течением времени. Кроме того, пА1 более активно реагирует с ВВ в процессе хранения смеси. Так, в [1] отмечается, что пА1 взаимодействует с
гексогеном, в результате чего выделяются газы. Это свойство пА1 может вызвать проблемы при хранении соответствующих энергетических материалов.
Основным параметром, характеризующим потенциальные возможности ВВ совершать работу, является теплота взрыва (ТВ). В лабораторных условиях ТВ определяется с использованием специальных детонационных калориметров с бомбами, во внутренней полости которых подрывается заряд исследуемого ВВ. Предлагаемая работа посвящена изучению старения взрывчатых композиций, содержащих пА1, методом детонационной калориметрии.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В качестве объектов исследования рассматривались композиции, содержащие октоген и пА1 в пропорции 85/15 по массе. Порошки пА1, полученные конденсационным методом Гена—Миллера, различались активностью (содержанием несвязанного металла), типом покрытия и размером частиц [2— 4]. Роль барьерного покрытия заключалась в ослаблении связи между частицами пА1 в агломератах, образующихся при получении пА1. Кроме того, предполагалось, что покрытие в той или иной степени будет защищать поверхность ча-
Таблица 1. Теплота взрыва исходных механических смесей и нанокомпозитов октоген/Al = 85/15
Тип А1 т„ мкм) А Тип смеси Р, 3 г/см3 Ql, МДж/кг Q, МДж/кг N моль/кг У У1
- - - 1.81 6.15 5.50 38.1 - -
А1(150) 0.99 М 1.86 6.88 6.56 31.7 0.70 0.71
А1(15) 0.98 М 1.89 7.24 6.93 31.5 0.83 0.85
А1(3.6) 0.96 М 1.85 7.33 7.04 31.4 0.87 0.91
А1(1-6Б) 0.86 М 1.84 7.27 6.99 31.5 0.85 0.99
(0.143) Н 1.75 7.21 6.97 31.5 0.85 0.99
А1(2-6Б) 0.82 М 1.76 7.10 6.84 31.5 0.80 0.98
(0.086) Н 1.72 7.03 6.78 31.6 0.78 0.95
А1(1-ОхБ) 0.83 М 1.81 7.08 6.80 31.6 0.79 0.95
(0.123) Н 1.80 7.09 6.81 31.6 0.79 0.95
А1(2-ОхБ) 0.70 М 1.76 6.78 6.49 31.7 0.67 0.96
(0.065) Н 1.71 6.71 6.45 31.7 0.66 0.94
стиц пА1 при хранении в условиях контакта с реакционной средой (воздух, энергетический материал). Способ газофазного нанесения барьерного слоя описан в работах [2, 3]. При формировании покрытий в качестве реагентов использовались гек-саметилдисилазан (порошки пА1 получили в этом случае обозначения А1(1-68), А1(2-68)) и сухой кислород (фракции пА1 с обозначениями А1(1-Ох8), А1(2-Ох8)). Все порошки пА1 были стабилизированы на воздухе в течение 2 недель после извлечения из реактора (такой алюминий в дальнейшем будем называть исходным). После стабилизации пА1 были приготовлены механические смеси и нанокомпозиты (исходные), содержащие октоген и алюминий. Механические смеси готовили путем смешения компонентов в инертной жидкости (гексане) в стальном контейнере на рольгангах в течение 8 ч. Начальный размер частиц октогена составлял 10—20 мкм. Нанокомпо-зиты были получены методом распылительной сушки суспензии пА1 в растворе октогена [5, 6]. В работе [6] показано, что структура нанокомпози-та зависит от типа покрытия и размера частиц пА1, а также от условий распыления. В частности, нанокомпозиты, содержащие пА1 с кремнийорга-ническим покрытием частиц, имеют более однородную структуру, чем аналогичные материалы, но на основе пА1 с оксидным покрытием частиц.
Результаты комплексного исследования детонационных свойств механических смесей и нано-композитов, содержащих те же виды пА1, что и рассмотренные в настоящей работе, представлены в работе [5]. Однако влияние старения на параметры композиций не изучалось.
Порошки пА1, нанокомпозитов и одной из механических смесей хранились в негерметичной емко-
сти при комнатной температуре в условиях естественной влажности. Время хранения — 18 месяцев. Теплота взрыва измерялась с использованием калориметрической установки, описание которой приведено в работе [7]. Особенности определения ТВ алюминизированных композиций рассмотрены в [8]. Предварительно были измерены ТВ механических смесей с различными порошками промышленного алюминия, а также ТВ исходных составов с пА1. Данные представлены в табл. 1, где (П),. — средний по поверхности размер частиц алюминия; А — активность порошка алюминия; р — плотность заряда; Q1 — непосредственно измеряемое значение ТВ; Q — значение ТВ, отвечающее следующему условию: Н2О в ПВ — газ, и приведенное к значению плотности октогена в заряде, равному 1.66 г/см3 (плотность зарядов композиций — 1.76 г/см3); N — число молей газообразных ПВ, соответствующее величине Q; у — степень окисления добавки с учетом всей ее массы (включая окисную пленку); у1 — степень окисления несвязанного алюминия добавки. Тип композиции указан в таблицах буквами М — механическая смесь и Н — нанокомпозит. Переход от Q1 к Q осуществлялся с использованием метода расчета ТВ и состава ПВ [9, 10]. Как следует из табл. 1, при данном соотношении компонентов максимальное значение ТВ соответствует составу с А1(3.6). Несколько меньшей величиной ТВ обладает исходная композиция с А1(1-68). С уменьшением размера частиц пА1 активность последнего и ТВ снижаются. При этом значения ТВ механических смесей и нанокомпозитов близки. Таблица 2 содержит данные, полученные для вновь приготовленных механических смесей после отдельного
Таблица 2. Теплота взрыва вновь приготовленных механических смесей октоген/nAl = 85/15 после хранения nAl
Тип А1 р, г/см3 О1, МДж/кг О, МДж/кг АО, МДж/кг У А
А1(1-6Б) 1.84 7.26 6.98 0.01 0.85 0.86
А1(2-68) 1.77 6.95 6.68 0.16 0.74 0.76
А1(1-Ох8) 1.82 6.99 6.70 0.10 0.75 0.79
А1(2-Ох8) 1.77 6.60 6.30 0.19 0.60 0.63
хранения пА1. В табл. 2 использованы те же обозначения, что и в табл. 1, а величина АО отражает снижение ТВ в результате старения пА1.
Из данных табл. 1 и 2 следует, что ТВ вновь приготовленной смеси с хранившимся отдельно А1(1-68) практически равна ТВ исходной композиции. Полученный результат объясняется тем, что А1(1-68) среди рассмотренных видов пА1 обладает наименьшей удельной поверхностью (10.6 м2/г) и, соответственно, наибольшим размером частиц. Не следует исключать и проявления защитных свойств кремнийорганического покрытия. Однако отдельное хранение А1(2-68) с меньшим размером частиц и большей удельной поверхностью (30 м2/г) приводит к снижению ТВ. Падение ТВ за счет старения алюминия наблюдается и в случае пА1 с оксидным покрытием частиц. При этом также ТВ снижается в большей степени при меньшем размере частиц пА1. В целом в случае отдельного хра-
нения пА1 ТВ композиций уменьшилась незначительно (максимум на 3% для состава с алюминием А1(2-Ох8), обладающим наименьшим размером частиц).
Результаты измерения ТВ вновь приготовленных смесей позволили оценить снижение активности пА1 при хранении. С этой целью решалась обратная задача, а именно, находилось такое значение активности, которое позволяло бы расчетным путем воспроизвести экспериментальную величину ТВ. На основе найденных значений активности были рассчитаны ТВ композиций при различном содержании пА1. Одной из положительных особенностей метода расчета, предложенного в работе [10], является возможность оценки ТВ нанокомпозитов. На рис. 1 представлены результаты расчета ТВ композиций, содержащих пА1 с наибольшим размером частиц (А1(1-68)). Расчет проведен для максимальной плотности за-
О, МДж/кг
Рис. 1. Расчетная ТВ композиции на основе октогена в зависимости от содержания А1: 1 — А1(3.6), 2 — А1(1-68), исходный и после хранения; штриховая линия — механическая смесь с А1(1-68), точечная — нанокомпозит с А1(1-68).
О, МДж/кг
Рис. 2. Расчетная ТВ композиции на основе октогена в зависимости от содержания А1: 1 — А1(3.6), 2 — исходный А1(2-Ох8), 3 — А1(2-Ох8) после хранения; штриховая линия — механическая смесь с А1(2-Ох8), точечная — нанокомпозит с А1(2-Ох8).
ряда. С целью сравнения
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.