ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 414, № 6, с. 781-783
ФИЗИЧЕСКАЯ ^^^^^^^^^^^^ ХИМИЯ
УДК 530.46:534.222.2
ПРЕДЕЛЫ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ ПО СКОРОСТИ ДЕТОНАЦИИ И МОЩНОСТИ
© 2007 г. В. И. Пепекин
Представлено академиком Б. В. Литвиновым 13.11.2006 г. Поступило 06.12.2006 г.
Разработка физически обоснованных уравнений состояния флюидов (газообразных продуктов детонации, находящихся в зоне химической реакции детонационной волны в сверхкритическом состоянии, когда пропадают различия между газом и жидкостью), а также конденсированных фаз наноуглерода (нанографита, наноалмаза и жидкого углерода) [1] и развитие на их основе метода термодинамического расчета детонационных характеристик взрывчатых веществ (ВВ) позволило применить их для оценки предельных возможностей ВВ по скорости детонации и мощности (метательной способности (МС)). О точности и применимости метода можно судить по данным табл. 1 и 2. Экспериментальные данные по энтальпиям образования, плотностям и скоростям детонации получены в институте химической физики Российской Академии наук. Расчетные и экспериментальные данные [2] по мощности (МС) приведены относительно МС октогена при плотности 1.89 г/см3, принятого за эталон (100%).
Прогнозирование детонационных характеристик безводородных ВВ, а также соединений, содержащих различные эксплозофорные группы, при максимальной возможной плотности 2.06 г/см3 показало, что в пределе можно достичь скорости детонации 10500 м/с и относительной МС 110112%. Скорости детонации и мощности синтезированных к настоящему времени мощных ВВ близки к предельно допустимым значениям. Резерв составляет 4-5%. К обладанию предельными параметрами близки динитродиазенофуроксан С4^08, имеющий скорость детонации ~10000 м/с [3], и гексанитрогексаазаизовюрцитан (^-20) С6И^12012, со скоростью детонации 9800 м/с (получено экстраполяцией экспериментальных данных [4, 5] на плотность монокристалла е-^-20 [5]). Близок по мощности к пределу и взрывчатый состав на основе бис(дифтораминодинитроэ-тил)нитрамина, имеющий МС 109.5%.
Институт химической физики им. H.H. Семёнова Российской Академии наук, Москва
Однако высокоэнергетические ВВ и взрывчатые составы, уже синтезированные и разработанные, имеют общий недостаток - высокую чувствительность. Так, динитродиазенофуроксан по чувствительности [3] относится к классу инициирующих ВВ как по возбуждению, так и по развитию детонации. Гексанитрогексаазаизовюрцитан (^-20) по совокупности данных [4, 5] позволяет сделать вывод о его чувствительности, превосходящей чувствительность октогена. Экспериментальные данные Института химической физики по параметрам, определяющим чувствительность ^-20 к удару (при размере частиц 100 мкм), показали, что его чувствительность находится на уровне известного ВВ - тэна (пентаэритриттетра-нитрат). Взрывчатый состав на основе бис(2-ди-фторамино-2,2-динитроэтил)нитрамина с рекордной метательной способностью 109.5% [6] имеет лишь принципиальное и научное значение, но не практическое, ввиду высокой чувствительности и опасности в обращении.
Взрывчатое вещество с предельными характеристиками, скоростью детонации 10500 м/с и МС 110-112% будет термически нестабильным и высокочувствительным. Обеспечение мощности достигается путем повышения энергонагруженно-сти молекул эксплозофорными группами, что сопряжено с ослаблением химических связей и, следовательно, с уменьшением термостабильности и повышением чувствительности. Вероятность синтеза практически интересных мощных ВВ очень мала. В практическом плане по комплексу приемлемых эксплуатационных свойств и мощности доминирующее положение занимает окто-ген и композиции на его основе. В ближайшем будущем его практическое значение не изменится.
К аналогичному выводу о пределе скорости детонации приводит оценка на основе физических и кинетических представлений. При детонации конденсированных ВВ импульс давления передается через возбуждение колебательных степеней свободы в молекулах. Частоты этих колебаний варьируют в пределах 1013-1014 с-1. Даже очень высокое давление, развиваемое в детонационном режиме (максимум 400-450 кбар), не в
782 ПЕПЕКИН
Таблица 1. Экспериментальные и расчетные данные по скоростям детонации
Соединение Брутто-формула А Н0, ккал/моль р0, г/см3 Д*^ км/с км/с
Тетранитрометан N02 СНА 8.8 1.64 6.40 6.45
ОтЫ—с—да2 2 1 2
N02
Гексонитроэтан да2 да2 C2N6O12 20.0 1.86 7.58 7.54
о2ы—с—с—да2
Ш2 Ш2
Бензотрифуроксан О \-о " ТУТ О 1 1 О N-0 C6N6O6 138.8 1.852 1.859 1.86 1.901 8.49 8.485 8.49 8.62 8.60 8.62 8.65 8.82
Гексанитробензол Ы02 C6N6Ol2 47.5 2.00 9.50 9.63
N02
Тринитротриазидобензол Ы02 C6Nl2O6 270.4 1.74 8.58 8.63
N3
Циануртриазид N3 1 3 X. ^ N 1 м N N Сз^2 218.6 1.15 5.60 5.65
Динитродиазенофуроксан 02^— с-с-^^ с-с-Ш2 2 II * II * 2 N ^ N ^ 0У 0 0 0 C4N8O8 159.6 1.77 1.88 1.94 2.002 9.10 9.45 9.70 ~10.000* 8.88 9.50 9.75 10.098
Динитродифуроксанил 2 II \\ II * 2 N ^ N ^ 0У 0 0 0 C4N6O8 89.1 1.96 9.660 9.650
* Экстраполяция экспериментальных данных.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 414 < 6 2007
ПРЕДЕЛЫ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ 783
Таблица 2. Расчетные и экспериментальные данные по метательной способности взрывчатых веществ
Параметр Октоген Октол Циклотол Состав "В" Нитрометан Тротил
р, г/см3 1.890 1.824 1.755 1.717 1.140 1.630
прасч 100 93.1 92.4 88.6 67.6 74.1
Лэксп [2] 100 93.2 92.1 87.4 67.0 75.4
состоянии деформировать молекулу настолько, чтобы существенно изменить частоты этих колебаний. Детонационная волна не может пройти расстояние порядка длины химической связи (несколько ангстрем) за время, меньшее периода одного колебания. Детонация - это сложный сверхзвуковой процесс, состоящий из ударной волны и зоны химической реакции за ней. Передача энергии и давления от движущегося комплекса окружающей среде определяется поступательными и колебательными движениями молекул газов среды и ими же ограничивается. Скорость распространения детонационного фронта лимитируется скоростью разложения ВВ. Оценки на основе частот колебаний атомов, длин химических связей и констант скорости разложения ВВ позволяют сделать вывод, что скорость детонации органических ВВ физически не может быть больше 11000 м/с. При этом органические ВВ, если их удастся получить, со скоростями детонации, близкими к 11000 м/с, будут термически не-
стабильными и высокочувствительными и не представляют практического интереса.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 04-03-32873).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Викторов СБ., Губин СЛ., Маклашова ИВ, Пе-пекин В.И. // Хим. физика. 2005. Т. 24. № 12. С. 1-23.
2. DobratzB.M. Explosive Handbook. Properties of Chemical Explosives and Explosive Simulants. Livermore (Calif.), 1981.
3. Лкимова Л.Н., Лфанасъев Г.Т., Пепекин В.И. // Хим. физика. 2002. Т. 21. № 3. С. 93-96.
4. SimpsonR.L., Urtiew P.A., Ornellas DL. et al. // Propel-lants, Explosives, Pyrotechnics. 1997. V. 22. № 5. P. 249-256.
5. Наир У.Р., Сивабалан К., Гор Г.М. и др. // ФГВ. 2005. Т. 41. № 2. С. 3-16.
6. Литвинов Б.В., Файнзилъберг Л.Л., Пепекин В.И. и др. // ДАН. 1994. Т. 336. № 1. С. 67-68.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 414 < 6 2007
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.