научная статья по теме ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПОРОГА ИНИЦИИРОВАНИЯ КОМПОЗИТА ТЕТРАНИТРОПЕНТАЭРИТРИТ–АЛЮМИНИЙ ВТОРОЙ ГАРМОНИКОЙ НЕОДИМОВОГО ЛАЗЕРА Химия

Текст научной статьи на тему «ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПОРОГА ИНИЦИИРОВАНИЯ КОМПОЗИТА ТЕТРАНИТРОПЕНТАЭРИТРИТ–АЛЮМИНИЙ ВТОРОЙ ГАРМОНИКОЙ НЕОДИМОВОГО ЛАЗЕРА»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 7, с. 54-57

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

УДК 544.454

ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ПОРОГА ИНИЦИИРОВАНИЯ КОМПОЗИТА ТЕТРАНИТРОПЕНТАЭРИТРИТ-АЛЮМИНИЙ ВТОРОЙ ГАРМОНИКОЙ НЕОДИМОВОГО ЛАЗЕРА

© 2015 г. Б. П. Адуев1 *, Д. Р. Нурмухаметов1, И. Ю. Лисков1, А. А. Звеков1, А. В. Каленский2

Институт углехимии и химического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук, Кемерово

2Кемеровский государственный университет *Е-таИ: lesinko-iuxm@yandex.ru Поступила в редакцию 17.09.2014

В работе исследована температурная зависимость порога инициирования композита тетранитро-пентаэритрит (тэн)-алюминий второй гармоникой неодимового лазера (532 нм, 14 нс). Показано, что механизм инициирования химической реакции в композитном материале тэн—алюминий в температурном интервале 300—445 К одинаков при воздействии первой и второй гармониками лазера, а различия в порогах инициирования связаны с большей эффективностью поглощения света второй гармоникой частицами алюминия.

Ключевые слова: лазер, тэн, взрыв, лазерное инициирование, энергия активации.

Б01: 10.7868/80207401Х1507002Х

ВВЕДЕНИЕ

Разработка и исследование материалов капсюлей светодетонаторов технологических зарядов перспективны в плане технических применений [1, 2]. В этом направлении значительный эффект увеличения чувствительности взрывчатых веществ (ВВ) к лазерным импульсам можно достичь, используя светопоглощающие наночастицы в небольшой концентрации [3—9]. При этом чувствительность к удару бризантного ВВ практически не изменяется [3, 4]. Для нахождения оптимальных составов композитных материалов необходимы теоретические и экспериментальные исследования механизма их инициирования в зависимости от длины волны лазерного излучения, размеров включений и начальной температуры.

В работах [10, 11] исследованы зависимости порога взрывчатого разложения тетранитропен-таэритрита (тэна) с наночастицами N10 и А1 от начальной температуры образца при воздействии первой гармоникой неодимового лазера. Пред-ложна модель, согласно которой инициирование химической реакции в композитном материале происходит в результате образования горячих точек в двух параллельных процессах: первый — термически активируемый, происходит в результате поглощения света структурными дефектами матрицы; второй — не зависящий от начальной температуры, является следствием поглощения света наночасти-

цами. При комнатной температуре основной вклад вносит второй процесс. В работах [11, 12] предложена математическая модель вышеописанных процессов.

Цели настоящей работы — исследование порогов взрывчатого разложения от начальной температуры тэна с включениями 0.1 мас. % А1 при воздействии второй гармоникой неодимового лазера (X = 532 нм) и выяснение общности и различия процессов инициирования первой и второй гармониками.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ

Для подготовки образцов использовался синтезированный нами порошок тэна (размер зерен в максимуме распределения — 1.5 мкм) и порошок алюминия, изготовленный методом газофазного синтеза в Институте физики металлов УрО РАН (диаметр частиц в максимуме распределения равен 100—120 нм) [13]. Возраст порошка на момент проведения экспериментов составлял 5 лет. Известно, что в результате хранения наночастицы А1 покрываются окисной пленкой. Количественное содержание окиси алюминия (А1203), рассчитанное по результатам электронно-зондового микроанализа (рентгеновская флюоресценция), проведенного при помощи сканирующего электронного микро-

P

Рис. 1. Зависимость вероятности взрыва — Р от плотности энергии инициирующего лазерного импульса — Н при различных температурах для образцов тэна, содержащих 0.1 мас. % наночастиц А1: 1 — 300 К, 2 — 340 К, 3 — 373 К, 4 — 398 К, 5 - 416 К, 6 - 428 К, 7 - 445 К.

скопа JEOL JSM63901A, оснащенного спектрометром JEOL JED2400, составило 25% по массе.

Проводилась следующая процедура подготовки образцов. В порошок тэна добавлялись нано-частицы Al до получения нужной концентрации. Смесь помещалась в гексан и перемешивалась в ультразвуковой ванне для получения равномерного распределения наночастиц в объеме смеси. После этого проводили испарение гексана, сушку смеси и навеску образца, величина которой составляла (20 ± 2) мг.

Методика эксперимента аналогична применяемой в работах [11, 14]. Навеска порошка помещалась в лунку медного нагревателя 03 мм, нагревалась до 450 K (температура плавления тэна Tm = 414.3 K [15]), после чего нагреватель выключался и образец охлаждался до требуемой температуры. В качестве источника инициирования использовался YAG:Nd3+-лазер, работающий в режиме модуляции добротности на основной частоте (X = 1064 нм) с длительностью импульса на половине амплитуды в 14 нс. Лазерный пучок формировался с помощью линзы (фокусное расстояние — 0.35 м) в пятно диаметром 2.5 мм на поверхности образца. Энергия импульса варьировалась с помощью калиброванных светофильтров. Энергия инициирования на поверхности образца определялась с помощью пироэлектрического измерителя энергии PE50BF—C (Ophir® Photonics) и постоянно контролировалась по сигналу откалиб-рованного фотодиода. Нестабильность энергии инициирующего импульса не превышала 3%.

Лазерный импульс воздействовал на открытую поверхность образца, как в работах [10, 11, 14, 16, 17]. Факт взрыва фиксировался как по возникновению громкого звукового, так и токового сигналов. Последний обусловлен замыканием тестового разрядного промежутка разлетающимися продуктами взрыва [14]. При отсутствии взрыва отсутствовал токовый сигнал, наблюдались растрескивание образца и образование каверны на его поверхности. Использовалась вторая (532 нм) гармоника неодимового лазера.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Измерены зависимости вероятности взрыва Р от плотности энергии импульса Н при различных начальных температурах образцов. Результаты измерений представлены на рис. 1. Экспериментальные точки апроксимировались интегралом вероятности (сплошные кривые), из которых определялась Нсг — плотность энергии, дающая 50%-ную вероятность инициирования взрыва [14]. Результаты обработки представлены в таблице. Данные для Нсг, приведенные в таблице, представлены в аррениусовых координатах на рис. 2. (кривая 1). На этом же рисунке для сравнения даны результаты, полученные в работе [11] на аналогичных образцах при инициировании первой гармоникой лазера (кривая 2).

Обработку результатов проводили с использованием выражения для Нсг, полученного в работе [11] в рамках микроочаговой тепловой теории зажига-

56

АДУЕВ и др.

Пороги инициирования образцов тэна, содержащих 0.1 мас. % наночастиц А1, при различных температурах при инициировании второй гармоникой неодимового лазера

Т, К Нсг, Дж/см2

300 4.1

340 3.2

373 2.00

398 0.92

416 0.55

428 0.40

445 0.27

НСГ(Т) =

В

(1)

излучения в окрестности структурных дефектов; Е — эффективная энергия активации инициирования химической реакции; — предэкспонен-циальный множитель.

Как и в [11], представим выражение (1) в виде

1п

В -1) = 1п^ - Е.

н„г ) Ж кТ

(2)

ния в предположении, что образование горячих точек при поглощении световой энергии связано с двумя параллельными процессами (см. Введение):

1+

где В — критическая энергия инициирования при Т ^ 0, когда образование горячих точек связано только с поглощением света включениями; Жп — затраты энергии в единице объема на образование очагов химического разложения в окрестности на-ночастиц в результате поглощения лазерного излучения; Ж = Ж0ехр(Е/кТ) — затраты энергии в единице объема на образование очагов химического разложения в результате поглощения лазерного

Уравнение (2) линеаризуется, если в качестве аргумента использовать 1/Т, величина В является подгоночным параметром. Прямые, приведенные на рис. 3, построены методом наименьших квадратов при значениях параметра В = 5.7 Дж/см2 для инициирования первой гармоникой лазера с коэффициентом корреляции 0.99 (кривая 2) и при В = 4.2 Дж/см2 для инициирования второй гармоникой лазера с коэффициентом корреляции 0.98 (кривая 1).

Значения Жп/Ж0 = 2 • 106, Е = 0.45 эВ совпадают для обеих прямых. Последнее обстоятельство позволяет сделать вывод о том, что процессы инициирования химической реакции при воздействии на исследуемый композитный состав первой и второй гармониками лазера практически одинаковы. Меньшее значение Нсг при инициировании материала второй гармоникой лазера во всем температурном диапазоне связано с различаем величин В.

В работе [18] на аналогичных образцах при комнатной температуре экспериментально показа-

Рис. 2. Экспериментальная зависимость пороговой плотности энергии инициирования — Нсг от температуры для образцов тэна, содержащих 0.1 мас. % наночастиц А1: 1 — вторая гармоника лазера (532 нм), 2 — первая гармоника (1064 нм) [9].

ln{(B/Hcr(T)) - 1}

Рис. 3. Зависимость критической плотности энергии инициирования — Hcr от температуры для образцов тэна, содержащих 0.1 мас. % наночастиц А1 в спрямляющих координатах уравнения (2): 1 — вторая гармоника лазера (532 нм), 2 — первая гармоника (1064 нм) [9].

QabJPdr

0 200 400 б00 800 1000

d, нм

Рис. 4. Рассчитанные зависимости коэффициентов эффективности поглощения света — Qa^)s от диаметра наночастиц алюминия в матрице тэна: 1 — 1064 нм, 2 — 532 нм; р^ и г — плотность и радиус частиц включений.

но, что порог инициирования второй гармоникой лазера ниже, чем первой, и проведен теоретический расчет зависимости эффективного коэффициента поглощения света [19] для тэна с наноча-стицами А1 от размеров включений для первой и второй гармоник. Результаты расчета приведены на рис. 4, из которого следует, что при диаметрах наночастиц А1 в тэне менее 200 нм эффективность поглощения второй гармоникой больше, чем первой. Суммируя полученные результаты,

можно сделать вывод, что механизмы инициирования химической реакции в композитном материале тэн-алюминий в температурном интервале 300-445 K одинаковы при воздействии как первой, так и второй гармониками лазера, а различия в порогах инициирования связаны с большей эффективностью поглощения света второй гармоники частицами алюминия диаметром менее

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