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.