ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2004, том 23, № 9, с. 85-88
ГОРЕНИЕ ^^^^^^^^^^^^^^^^ И ВЗРЫВ
УДК 539.63:541.124
О ВОЗМОЖНОСТИ ДЕТОНАЦИИ В МЕХАНОАКТИВИРОВАННОМ КОМПОЗИТЕ АЛЮМИНИЙ-ФТОРОПЛАСТ
© 2004 г. Ä. Ю. Долгобородов, М. Н. Махов, Ä. Н. Стрелецкий, И. В. Колбанёв,
М. Ф. Гогуля, В. Е. Фортов*
Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук *Институт теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур,
Москва
Поступила в редакцию 08.04.2004
Проведены исследования ударно-индуцированных процессов в смесях окислитель/горючее, образующих твердые конечные продукты реакции. Результаты показали возможность существования де-тонационноподобного режима с постоянной скоростью в пористых образцах МАЭК - механоакти-вированных энергетических композитах, полученных на основе смеси алюминия с фторопластом. Измерение профилей давления при выходе детонационной волны на границу с различными средами позволило оценить давление в продуктах реакции. Заполнение пор образца гелием вместо воздуха показало несущественное влияния последнего на процесс детонации в области с постоянной скоростью волны.
Детонация - самоподдерживающийся процесс энерговыделения, распространяющийся по реак-ционноспособному веществу со скоростью, превышающей скорость звука в исходной среде. Способность к детонации является одним из фундаментальных свойств химически активных сред. Согласно Харитону [1], "детонировать должно всякое вещество или смесь, в которых механические и тепловые действия продуктов взрыва ускоряют химическую реакцию, каковы бы ни были механизм этой реакции и ее продолжительность. Иначе говоря, всякая система, способная к экзотермическому превращению, является детонаци-онноспособной. Чем больше продолжительность реакции, тем больше должен быть диаметр заряда, при котором может иметь место стационарная детонация". Наибольшее количество известных детонирующих веществ и смесей представляют собой системы, реагирующие с образованием газообразных продуктов. Однако отсутствует запрет и на протекание детонации в "безгазовых" системах. Исследования возможности реализации режимов "безгазовой" или "твердофазной" детонации проводятся достаточно давно (см., например, [2, 3]), тем не менее до настоящего времени стационарный режим детонации в подобных системах получен не был.
Ранее нами были проведены исследования по ударно-волновому инициированию реакции в смесях алюминия с серой и окислами металлов [4]. В экспериментах с плотными образцами смеси и мощным инициированием наблюдался затухающий процесс. При инициировании сильной ударной волной, распространяющейся с высокой ско-
ростью, фронт реакции отстает от фронта ударной волны, и вещество разбрасывается в волне разгрузки.
Самораспространяющийся режим был получен на зарядах насыпной плотности. При снижении плотности увеличивается объем пор, что улучшает условия для смешения и взаимодействия компонентов за фронтом волны. Стационарность процесса сильно зависела от амплитуды инициирующего импульса и структуры образцов. Изменение начальной плотности смеси или инициирующего импульса приводило либо к переходу процесса в затухающий режим с образованием "пробки" из смеси продуктов реакции и исходных компонентов, либо в режим медленного горения. Полученные результаты показали принципиальную возможность существования детонационно-подобных режимов в высокопористых смесях алюминия с окислителями. Однако при диаметрах зарядов около 30 мм (доступных в лабораторных условиях) скорость реакции была недостаточна для поддержания стационарного процесса по всей длине заряда. Были предприняты попытки увеличения реакционной способности смесей. Наибольший эффект был получен при использовании метода предварительной механохимичес-кой активации смеси. С помощью этого метода был разработан способ получения механоактиви-рованных энергетических композитов (МАЭК) -механически-связанных между собой частиц окислитель-горючее. Реакционная способность МАЭК значительно возрастает по сравнению с обычными смесями, что приводит к существенному увеличению как скорости распространения детона-
Скорость детонации, м/с
Длина заряда, мм
Рис. 1. Зависимость скорости детонации от длины заряда для различных смесей: 1-5 - МАЭК А1/Фт 45/55 разной плотности (1 - 0.40 г/см3, 2 - 0.50, 3 - 0.48, 4 -0.44, 5 - 0.49 в атмосфере гелия); 6 - А1(УДА)/8 45/55 (0.45), 7 - А1(ПП-2)/Мо03 45/55 (1.138); 8 - А1(ПП-2)/8/Ре203 55/33/12 (0.81).
ционноподобных процессов, так и скорости горения.
В настоящей работе в качестве основного объекта была выбрана смесь алюминия с фторопластом (А1/Фт) при их массовом соотношении 45/55. Расчет показывает, что реакция в такой смеси должна сопровождаться значительным тепловым эффектом, по величине сопоставимым с теплотой взрывчатого разложения алюминизирован-ных композиций на основе мощных ВВ. Для приготовления смесей использовались порошки: А1 марки АСД-6, сферические частицы со средним размером 3.6 мкм, фторопласт марки Ф4ПН, состоящий из двух фракций - крупной (основная масса частиц) с размерами 10-300 мкм и мелкой -1.5-2.5 мкм. Смешение и механическая активация компонентов проводились с добавлением небольшого количества гексана в вибрационной мель-
Конечная скорость детонации в МАЭК Al/Фт 45/55 (диаметр заряда - 29 мм)
№ п.п. Р0,3 г/см3 Длина заряда, мм D, м/с Пластина свидетель Давление, ГПа
1 0.40 150 840 - -
2 0.50 305 705 - -
3 0.48 180 740 фторопласт 0.6
4 0.44 150 780 дюралюминий 1.0
5* 0.49 140 710 фторопласт- 0.5
плексиглас
* Поры заряда заполнены гелием.
нице Аронова с энергонапряженностью 9 Вт/г. Общее время активации - 15 мин. После обработки порошок высушивался до полного удаления гексана. Полученный композит представлял собой частицы в виде чешуек из фторопластовой матрицы с включениями алюминия. Композит не разделялся на компоненты при механических воздействиях и в растворителях. Линейные размеры основной массы частиц составляли от 5 до 50 мкм при толщине 2-5 мкм. Рентгеноструктурный анализ полученного МАЭК показал, что на стадии обработки реакция между компонентами не протекает. Анализ продуктов сгорания МАЭК в герметичной ампуле сохранения не зафиксировал наличие газообразных веществ и показал, что при сгорании происходит практически полное взаимодействие компонентов с образованием твердых конечных продуктов (AlF3, C и Al4C3). В то же время результаты анализа продуктов сгорания смеси, приготовленной в обычных смесителях без активации, свидетельствуют о неполноте реакции - в конечных продуктах остается часть непрореаги-ровавшего фторопласта.
Эксперименты по исследованию детонации проводились в стальных толстостенных трубах с внутренним диаметром 29 мм. Смесь Al/Фт порционно засыпалась в трубу и уплотнялась до плотностей 0.16-0.25 от максимальной. В качестве инициатора использовалась смесь перхлората аммония с полиметилметакрилатом (ПММА) (95/5), подрыв которой осуществлялся электродетонатором ЭД-8. Скорость измерялась с помощью электроконтактных датчиков и световодов. Погрешность измерения скоростей не превышала 50 м/с. В конце заряда помещалась пластина-свидетель из дюралюминия или фторопласта с ПВДФ-дат-чиком давления. (Датчики давления из поливини-лиденфторида были изготовлены и откалиброва-ны в ИПХФ РАН, Черноголовка.) Экспериментальные результаты по скоростям представлены на рис. 1. Там же приведены данные для смесей Al/S и Al/MoO3, полученные в тех же условиях. Значения конечных скоростей для смесей Al/Фт и максимальные давления представлены в таблице.
Для низкоплотных смесей Al/Фт впервые получен детонационный режим с выходом на постоянную скорость. При плотности, равной 0.4 г/см3, конечная скорость процесса составляла более 800 м/с. С увеличением плотности до 0.5 г/см3 скорость снижалась до 700 м/с. Для выяснения влияния кислорода воздуха, находящегося в порах образца, был проведен опыт в условиях заполнения пор гелием (под давлением 1 атм.). Известно также, что скорость звука в гелии почти в три раза выше, чем в воздухе. Перед опытом воздух из герметизированного в трубе образца откачивался, затем проводилась многократная продувка гелием. Из результатов измерений следует, что заполнение пор
О ВОЗМОЖНОСТИ ДЕТОНАЦИИ
87
гелием вместо воздуха в пределах погрешности измерений незначительно снизило скорость процесса на начальном этапе (рис. 1). Однако к концу заряда скорость установилась на уровне 700 м/с, т.е. стала равной значению, соответствующему стационарной области для образца с воздухом в порах. Полученный результат свидетельствует о незначительном влиянии кислорода воздуха на установившуюся скорость процесса в исследуемом образце. Следует также отметить, что полученные значения скоростей значительно превышают скорость звука в аналогичных пористых смесях. Так, согласно результатам, полученным в [5], "равновесная" скорость звука для подобной системы при давлении 1 атм не должна превышать 50 м/с. В нашей смеси А.К. Рогозинским (ИХФ РАН) с помощью ультразвукового метода была измерена скорость распространения ультразвукового импульса (длина импульса - 100 мкс, частота заполнения - 200 КГц). В прессованных таблетках А1/Фт 45/55 при плотности 1.2 г/см3 (0.5 от максимальной) скорость составила 100 ± 20 м/с. При более низкой плотности скорость звука должна снизиться, однако измерить ее не удается из-за сильного затухания. Таким образом, скорость распространения детонационного процесса в МАЭК А1/Фт значительно превышает скорость звука в исходной смеси и не зависит от газа, заполняющего поры.
Запись давления проводилась в опытах с А1/Фт при плотностях 0.44, 0.48 и 0.49 г/см3. Датчик давления из ПВДФ находился между двумя дюралюминиевыми или фторопластовыми пластинами либо на границе фторопласт-плексиглас. Профиль давления во фторопласте представлен на рис. 2. Время нарастания сигнала до максимального значения равно ~0.5 мкс. Максимальное давление в дюралюминии составляло 1.0 ГПа, во фторопласте - 0.6 ГПа, а на границе фторопласт - плексиглас - 0.5 ГПа, что позволило оценить давление в продуктах реакции: ~0.1 ГПа.
Кроме исследования низкоплотны
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.