ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2014, том 33, № 3, с. 68-74
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 534.222.2
ТЕПЛОТА ВЗРЫВА И МЕТАТЕЛЬНАЯ СПОСОБНОСТЬ АЛЮМИНИЗИРОВАННЫХ КОМПОЗИЦИЙ НА ОСНОВЕ ГЕКСАНИТРОГЕКСААЗАИЗОВЮРЦИТАНА © 2014 г. М. Н. Махов
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва
E-mail: makhov@polymer.chph.ras.ru Поступила в редакцию 26.12.2012; после доработки 17.07.2013
Измерения теплоты взрыва и расчеты метательной способности алюминизированных композиций, содержащих перспективное взрывчатое вещество — гексанитрогексаазаизовюрцитан, показали, что такие смеси по указанным параметрам существенно превосходят аналоги на основе октогена. Создание алюминизированных нанокомпозитов для повышения метательной способности целесообразно лишь в случае, когда содержание окисной пленки в порошке наноалюминия сведено до минимума вследствие покрытия частиц защитным слоем из активного материала. Согласно расчету нанокомпозиты, содержащие гексанитрогексаазаизовюрцитан и алюминий с активным покрытием, должны обладать рекордным уровнем метательной способности.
Ключевые слова: теплота взрыва, метательная способность, гексанитрогексаазаизовюрцитан, нано-композит, алюминий.
Б01: 10.7868/80207401X14030091
ВВЕДЕНИЕ
Одним из путей повышения мощности взрывчатых материалов является использование энергетически выгодных добавок. К наиболее распространенным добавкам такого рода относится дисперсный А1. В настоящее время пристальное внимание исследователей привлечено к алюмини-зированным нанокомпозитам, т.е. к системам с равномерным распределением наноразмерных частиц алюминия (пА1) в матрице взрывчатого вещества (ВВ). Интерес к нанокомпозитам возник в связи с предположением о том, что повышение степени однородности смеси будет способствовать более полному окислению А1 и увеличению количества выделяемой при взрыве энергии.
К настоящему времени в литературе накоплен значительный материал по изучению свойств алюминизированных композиций (включая составы с пА1). В предлагаемой работе рассматриваются две из наиболее важных характеристик таких систем: теплота взрыва (ТВ) и метательная способность (МС). Первая является фундаментальным параметром, отражающим потенциальные возможности ВВ совершать работу, а вторая характеризует один из важнейших видов конкретного действия ВВ.
В работах [1, 2] представлены результаты исследования детонационных характеристик меха-
нических смесей Al c октогеном, нитрогуаниди-ном и бис(тринитроэтил)нитрамином. Перечисленные ВВ различаются как по кислородному балансу (КБ), так и по содержанию горючих элементов. Средний размер частиц Al изменялся в пределах от 0.1 до 150 мкм. Порошки nAl с размером частиц 0.1 мкм были получены конденсационным методом Гена—Миллера в Институте энергетических проблем химической физики (ИНЭП ХФ) РАН [3]. Результаты показали, что добавление Al к ВВ существенно повышает ТВ. Наибольший прирост ТВ соответствовал бис(тринитроэтил)нитра-мину, т.е. ВВ с положительным КБ. Небольшое преимущество по ТВ составов с nAl над композициями с микроразмерным Al наблюдалось лишь при высоком содержании добавки и отрицательном КБ ВВ. Полученные данные согласуются с результатами работы [4], из которых следует, что смесь тринитротолуола (ТНТ) с nAl лишь незначительно превосходит по ТВ состав с микроразмерным Al.
Исследования, проведенные с использованием различных методик, показали, что в ряде случаев добавка Al позволяет повысить МС ВВ [2, 5—9]. Увеличение скорости стальной пластины толщиной 2 мм, метаемой с торца заряда диаметром 6.35 мм в канале оболочки, наблюдалось при добавлении Al к аммоний динитрамиду [10]. Однако введение nAl марки "Alex" (средний размер частиц — 0.15 мкм)
привело даже к меньшему эффекту, чем использование А1 с размером частиц 3 мкм. Отсутствие преимуществ по МС у смесей с пА1 над композициями, содержащими А1 с размером частиц 5 мкм, показали измерения скорости расширения медной оболочки с внутренним диаметром 25.4 мм и толщиной стенки 2.6 мм (метод "цилиндр-тест" [11]) для составов с нитрометаном и ТНТ [12]. Аналогичный результат получен по такой же методике для алюминизированных композиций на основе смеси гексоген/перхлорат аммония [13].
Результаты исследования метания стальной пластины толщиной 4 мм (методика М-40 [14]) продемонстрировали повышение МС при добавлении А1 к октогену, бис(тринитроэтил)нитрами-ну и нитрогуанидину [2]. При этом замена микроразмерного А1 на пА1 также не привела к дополнительному эффекту.
В работе [15] представлены данные по исследованию свойств нанокомпозитов октоген/А1 = 85/15. Такие системы были получены методом распылительной сушки суспензии пА1 в растворе октогена. Способ приготовления нанокомпозитов разработан в ИНЭП ХФ РАН [15, 16]. В составах использовались порошки пА1, различающиеся массовой долей окисной пленки, типом покрытия и размером частиц. На рис. 1 приведена зависимость ТВ исследуемых композиций от размера частиц А1. Как следует из рис. 1, ТВ составов с пА1 снижается при уменьшении размера частиц пА1, а повышение степени однородности смеси за счет создания на-нокомпозита практически не влияет на ТВ. Причина заключается в том, что несвязанный металл наноразмерного алюминия испытывает практически полное окисление при взрыве, а его начальное содержание понижается с уменьшением размера частиц пА1. В случае микроразмерных частиц А1, когда доля окисной пленки в А1 мала, а при взрыве металл окисляется не полностью, основным фактором, определяющим ТВ, становится поверхность контакта реагентов. При этом ТВ снижается с увеличением размера частиц А1. В целом, для композиции октоген/А1 = 85/15 ТВ смесей с пА1 не превышает ТВ составов, содержащих А1 с размером частиц порядка нескольких микрон.
Определение МС нанокомпозитов октоген/А1 = = 85/15 осуществлялось по скорости метания медной пластины толщиной 1.5 мм с торца заряда длиной 30 мм и диаметром 20 мм в канале толстостенной стальной оболочки [15] (метод принадлежит к серии, в которую входят и методики М-40 и М-60 [14]). При добавлении А1 получено увеличение скорости пластины на конечной базе измерений (30 мм). Однако нанокомпозиты не показали преимуществ по МС в сравнении с механической смесью, содержащей А1 с размером частиц 3.6 мкм.
Глава монографии [17] посвящена обзору результатов исследований алюминизированных
О, МДж/кг 7.2 г
0.1 1 10 100 1000
ё, мкм
Рис. 1. Экспериментальная ТВ (Н2О в ПВ — газ) композиции октоген/А1 = 85/15 в зависимости от размера частиц А1: светлые символы — механическая смесь, темные — нанокомпозит.
взрывчатых композиций. Рассматривались следующие параметры: скорость детонации, профили давления и температуры продуктов взрыва (ПВ), ТВ и МС. В работе [18] анализируется имеющиеся в литературе данные по влиянию А1 на МС смесей, содержащих ВВ различных классов.
В целом, анализ литературных данных показал, что добавка А1 к ВВ существенно увеличивает ТВ и может привести к повышению МС. Однако, вопреки ожиданиям, составы, содержащие пА1 (включая нанокомпозиты), не обладают явным преимуществом по ТВ и МС в сравнении с механическими смесями с микроразмерным А1. Основную причину этого исследователи видят в высоком содержании окисной пленки в порошке пА1.
Традиционным направлением повышения эффективности взрывчатых составов является синтез новых ВВ, превосходящих по мощности имеющиеся аналоги. Однако тенденция к повышению чувствительности к внешним воздействиям с увеличением энергосодержания ВВ ограничивает применение многих синтезированных к настоящему времени веществ. Несомненным успехом в области поиска перспективных ВВ является разработка технологии получения гексанитрогексаазаизовюрци-тана (^-20) [19]. Последний имеет слабо отрицательный кислородный баланс (КБ = —11%), положительную энтальпию образования и высокую плотность монокристалла (2.044 г/см3 для в-фор-мы), что обеспечивает значительную концентрацию энергии в единице объема. Несмотря на высокий энергетический потенциал, ^-20 обладает удовлетворительным уровнем чувствительности к механическим воздействиям [19]. Совокупность свойств ^-20 позволяет использовать это ВВ для
Теплота взрыва, число молей газообразных ПВ и степень окисления алюминия для композиций на основе ^-20
в Тип А1 р, г/см3 Ql, МДж/кг Q, МДж/кг N, моль/кг У У1
0 — 1.88 6.50 6.20 33.0 — —
0.20 А1(7) А1(0.1) 1.95 1.89 8.05 7.97 7.98 7.89 25.1 25.2 0.882 0.970 0.864 0.844
0.35 А1(7) А1(0.1) 2.00 1.90 9.19 9.17 9.18 9.16 16.1 16.2 0.775 0.870 0.760 0.757
создания реальных взрывчатых составов повышенной эффективности [20].
В литературе отсутствуют данные по влиянию добавки А1 на ТВ CL-20. Предлагаемая работа посвящена экспериментальному исследованию и расчету ТВ алюминизированных композиций на основе CL-20, а также оценке МС таких смесей. При проведении исследований особое внимание уделялось анализу возможностей повышения указанных параметров CL-20 за счет использования пА1 и разработки нанокомпозитов на основе этого вещества.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Измерения ТВ осуществляются с использованием специальных калориметрических установок с бомбами, во внутренней полости которых подрывается заряд исследуемого ВВ. Ряд таких установок сконструирован и успешно используется в ИХФ РАН [2, 21-26].
Для приготовления смесей использовалось два вида А1: сферический А1(7) и наноразмерный алюминий А1(0.1), полученный в ИНЭП ХФ РАН [3] (средний размер частиц указан в скобках в микронах). Активность (массовая доля несвязанного металла) А1(7) и А1(0.1) составляла 0.98 и 0.87 соответственно. Специально измельченный порошок CL-20 имел размер частиц 30-50 мкм. Смеси готовились путем длительного перемешивания компонентов в емкости на рольгангах.
Измерение ТВ проводилось с применением калориметрической установки с бомбой внутренним объемом 1.7 л. Заряд массой 7-10 г и диаметром 12 мм, состоящий из прессованных таблеток, помещался в оболочку из нержавеющей стали с толщиной стенки 6 мм. Бомба с прикрепленным по центру полости зарядом продувалась аргоном, а затем заполнялась этим же газом до давления 20 атм. Подрыв о
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.