научная статья по теме О МЕТАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И ИХ СМЕСЕЙ С ГОРЮЧИМИ ДОБАВКАМИ. 2. АКТИВИРОВАННЫЕ И УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ ПОРОШКИ АЛЮМИНИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «О МЕТАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И ИХ СМЕСЕЙ С ГОРЮЧИМИ ДОБАВКАМИ. 2. АКТИВИРОВАННЫЕ И УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ ПОРОШКИ АЛЮМИНИЯ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2011, том 30, № 7, с. 62-67

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

УДК 534.222.2

О МЕТАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТИ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И ИХ СМЕСЕЙ С ГОРЮЧИМИ ДОБАВКАМИ. 2. АКТИВИРОВАННЫЕ И УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ ПОРОШКИ АЛЮМИНИЯ © 2011 г. В. Ю. Давыдов*, А. С. Губин

Научно-исследовательский машиностроительный институт, Москва * E-mail: vitadavidov@yandex.ru Поступила в редакцию 09.04.2010

Рассмотрена метательная способность ВВ, содержащих добавки активированного и ультрадисперсного Al. Показано, что различные способы активации окисления Al, позволяющие повысить скорость этого процесса на воздухе в несколько раз, практически не влияют на метательную способность алюминизированных ВВ. Сформулированы основные особенности поведения Al в детонационных волнах, объясняющие полученные результаты.

Ключевые слова: взрывчатые вещества, алюминий, порошки активированные и ультрадисперсные, метательная способность.

введение

Исследования метательной способности (МС) смесей дисперсного А1 различных марок с взрывчатыми веществами, как с отрицательным, так и с положительным кислородным балансом, проведенные по методикам М-40 [1, 2] и Т-20 [2], показали,

0.15 мкм

I_I

Рис. 1. Электронно-микроскопический снимок шлифа сферической частицы А1: 1 — оксидная пленка, 2 — матрица А1.

что прирост МС за счет добавок А1 в этих условиях гораздо ниже, чем прирост теплоты взрыва, полученный в калориметрической бомбе [2]. Естественно было предположить, что это связано с низкой скоростью окисления добавок А1 в продуктах детонации (ПД) взрывчатых веществ. Вопрос о необходимости изучения путей активации А1 был поднят на VII Харитоновских научных чтениях [3].

Принято считать [4, 5], что воспламенение и скорость окисления А1 лимитируются главным образом диффузионным барьером оксида, присутствующего на поверхности частиц порошка (рис. 1). По этой причине при активации А1 необходимо учитывать параметры, облегчающие транспорт реагентов через слой оксида. Легирующая добавка, которая облегчает этот процесс, должна обладать следующими свойствами [6]:

— ослаблять защитные свойства оксида (прочность, адгезию к металлу),

— способствовать образованию легкоплавких эв-тектик,

— иметь большее, чем у основного металла сплава, химическое сродство к кислороду.

Другим очевидным способом повышения скорости окисления добавок А1 является увеличение удельной поверхности его частиц, т.е. их измельчение. Можно предположить, что при ударноволно-вом нагружении частиц порошка будет происходить его дополнительное диспергирование, причем тем интенсивнее, чем более хрупкими являются частицы металла. Понизить прочность частиц можно за счет эффекта Ребиндера [7], вводя легирующие до-

1

2

Таблица 1. Характеристики окисления порошков Al с добавкой 0.1 ат. % РЗМ и А12(РЗМ)

Состав Тн, К Т К 1 макс, К Тк, К Полнота окисления, %

АСД-4 803 1303 >1773 32

А1 + 0.1 Яе 893 1198 - 65

А1 + 0.1 У 898 1223 - 63

А1 + 0.1 Ьа 833 1238 - 61

А1 + 0.1 Се 803 1213 - 52

А1 + 0.1 Яш 858 1238 - 60

А1 + 0.1 Ей 883 1233 - 60

А1 + 0.1 УЬ 813 1283 - 31

А12Яе 623 1133 - 58

А12У 633 893/1293 - 61

А12Ьа 643 873/1293 1620 81

А12Се 523 773/1293 1513 85

А12Яш 583 893/1303 1590 74

А12Еи 638 1083 1730 89

А12УЬ 633 1073 - 52

бавки, являющиеся поверхностно-активными веществами по отношению к А1. Известно также, что повышенной хрупкостью обладают порошки многих сплавов, в том числе интерметаллических соединений.

Результаты исследований окисления алюминиевых порошков на воздухе, проведеных термогравиметрическим методом при скорости нагрева 7.5 град/мин, представлены в табл. 1 [3]. Видно, что введение в А1 0.1 ат. % редкоземельных металлов (РЗМ) приводит к снижению температуры, соответствующей максимальной скорости окисления порошков (Тмакс), по сравнению с промышленным порошком АСД-4. Температура начала окисления порошков (Тн) несколько возрастает. Полнота окисления порошков, характеризуемая отношением прибыли массы образца при 1273 К к ее изменению при при 1773 К, увеличивается в ~ 2 раза. Исключение составляет сплав с иттербием.

Порошки соединений А12(РЗМ) начинают окисляться при более низкой температуре. При этом на термограммах появляются два максимума. Как видно из кривых, представленных на рис. 2, малые добавки РЗМ хотя и повышают Тн, позволяют резко повысить скорость окисления А1 на воздухе (в 3 и более раз для европия, лантана и церия) по сравнению с АСД-4. Интерметаллиды А12 (РЗМ), имеющие меньшую скорость окисления, напротив, снижают Тн и повышают полноту окисления А1 (см. табл. 1). При этом наиболее эффективными также являются европий, лантан и церий.

исследование метательной способности смесей взрывчатых

веществ с активированными порошками на основе алюминия

В качестве компонентов ВВ исследовали: сплавы А1Яе, А1У А12У, А12Яш, а также сплавы с добавками 1% Ей, 0.02% La, полученные в ИХТТ УрО РАН. Изучали также сплавы А1 с добавками 0.01— 0.5% Ga, Яп, сплава Вуда и 4% Zn, синтезированные в ВАМИ (С.-Петербург). Полагая, что основным препятствием для воспламенения частиц А1 является их оксидная пленка, исследовали также порошки, полученные в Институте неорганической химии АН Латвии, у которых оксид был замещен на покрытие из нитрофталата (НФМ) и динитросалици-лата (ДНСМ) меди. Исследовали также порошки АСД-4, обработанные ультразвуком. Такая обработка по данным Института проблем материаловедения АН Украины повышает проницаемость оксидной пленки. Все порошки по результатам термогравиметрических исследований обладали значительно более высокой скоростью окисления, чем АСД-4. Порошки металлов в количестве 15 и 20% вводили в термопластичные составы на основе октогена и сравнивали с аналогичными композициями, содержащими АСД-4. Метательную способность полученных композиций определяли по методике М-40 [8]. В экспериментах использовали стальные пластины толщиной 4 мм.

Большинство исследованных композиций, содержащих активированные порошки А1 не имели преимущества по МС по сравнению с композиция-

64

ДАВЫДОВ, ГУБИН

£ ■ 10», кг/с

W40, м/с

30 27 24 21 18 15 12 9 6 3 0

773

1273

1773

т, К

2300 г 2200 -2100 2000 1900 1800 1700

0

10 15 20 25

Добавка А1, %

Рис. 2. Зависимость скорости окисления порошков А1 с добавкой 0.1 ат. % редкоземельных металлов от температуры.

ми, содержащими АСД-4. Некоторые из полученных экспериментальных результатов приведены в табл. 2. Видно, что максимальные скорости метания получены для композиций содержащих 20% порошков А1 с добавкой 0.5% Ga, и сплава А1—8с 50/50, которые на 2-3% превышают МС компози-

Рис. 3. Зависимость скорости пластины на сороковом миллиметре полета от массового содержания А1 для композиций: 1 — октоген + связка + АСД-4, 2 — сухая смесь ФО и А1 (ПП-1, АСД-4).

ции с 20% АСД-4, однако не имеют преимущества по сравнению с композицией, содержащей оптимальное (~15%) количество АСД-4 (рис. 3).

К недостаткам проведенных исследований следует отнести то, что между получением порошков и их использованием во взрывчатых композициях проходило достаточно много (2—3 месяца) времени, в течение которого порошки могли в значительной степени окислиться на воздухе. Возможно, что именно с этим связан отрицательный результат, полученный на наиболее реакционноспособных порошках А1 легированных европием. Нельзя исключать также возможности дополнительной потери активности порошков за счет реакции с растворите-

5

Таблица 2. Метательная способность взрывчатых композиций, содержащих активированные порошки А1

ВВ р, г/см3 Ротн Ж)0, м/с Среднеквадратичное отклонение W40, м/с

Октоген + связка (Осв) 1.847 0.985 2125 35

Осв + 15% АСД-4 1.936 0.983 2210 36

Осв + 20% АСД-4 1.952 0.978 2150 36

Осв + 20% А128ш 2.118 ~0.980 2180 38

Осв + 20% (А1 + 2% ДНСМ) 1.955 ~0.980 2170 39

Осв + 15% (А1+ 2% НФМ) 1.930 ~0.980 2180 38

Осв + 20% (А1 + 0.5% Ga) 1.961 0.982 2200 53

Осв + 20% А18с 1.971 ~0.980 2220 51

Рис. 4. Электронно-микроскопические снимки порошков УДА-2 (а, б) и АСД-4 (в )

лем при их введении в термопластичные составы. Этот способ позволяет улучшить перемешивание и контакт частиц алюминия и ВВ, чем в случае сухого смешения флегматизированного октогена (ФО) и Al, когда частицы ВВ и А1 разделены инертным флегма-тизатором. Указанные факторы выражаются в том, что добавление 15% порошка АСД-4 в термопластичный состав (с относительной плотностью зарядов 0.98) повышает скорость пластины на 4%, в то время как в сухих смесях (с относительной плотностью зарядов 0.95) этот прирост составляет лишь 2% (см. рис. 3). При этом раз личия в МС для смесей с пудрой ПП-1 и порошком АСД-4 замечено не было.

Для экспериментов по изучению МС использовали ультрадисперсные порошки двух типов (рис. 4). Первый был получен методом взрывающихся проводников в среде азота в Институте высоких напряжений при Томском политехническом университете (УДА-1). По данным разработчиков, порошок не содержал кристаллических модификаций оксидов А1. Размер частиц варьировался от 50 до 300 нм. Содержание активного А1 составляло ~89%. Второй порошок (УДА-2) был получен плазмохимическим методом [6] в Саратовской лаборатории ГосНииХТЭОС и был пассивирован 2% кремнийорганического покрытия. Этот порошок также имеет аморфную, a следовательно, более проницаемую оксидную пленку и обладает чрезвычайно высокой химической активностью [6]. В отличие от всех других алюминиевых порошков, с которыми приходилось работать авторам, он воспламенялся от спички. Содержание активного А1 составляло ~87%.

Ультрадисперсные порошки смешивали сухим методом с ФО (размер частиц 100—200 мкм) и бис(2,2,2-триритроэтил)нитрамином (БТНЭНА) (размер частиц 50—100 мкм). Специальных средств для дополнительного перемешивания компонентов не применяли. Чтобы сравнивать ультрадисперсные порошки и АСД-4 в зарядах равной пористости для ФО, тринитроэтилтринитробутирата (ТНЭТНБ), БТНЭНА, а также их смесей с 15% АСД-4, была определена зависимость МС от плотности заряда — Wo(p). Зависимости Wo(p) для ВВ и их смесей с А1 определяли в диапазоне сравнительно высоких относительных плотностей заряда, превышающих 0.83, поскольку в коротких за

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»