научная статья по теме ВЛИЯНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОПОРОШКОВ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ К ВЫСОКОВОЛЬТНОМУ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМУ РАЗРЯДУ. ФРАКТАЛЬНО-ПЕРКОЛЯЦИОННЫЙ ПОДХОД Химия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОПОРОШКОВ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ К ВЫСОКОВОЛЬТНОМУ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМУ РАЗРЯДУ. ФРАКТАЛЬНО-ПЕРКОЛЯЦИОННЫЙ ПОДХОД»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2012, том 31, № 5, с. 57-64

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

УДК 662.235.5

ВЛИЯНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОПОРОШКОВ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ К ВЫСОКОВОЛЬТНОМУ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМУ РАЗРЯДУ. ФРАКТАЛЬНО-ПЕРКОЛЯЦИОННЫЙ ПОДХОД © 2012 г. В. А. Брагин1, С. А. Душенок2, В. Г. Куликов2, Г. Г. Савенков1*, Г. В. Семашкин2

Научно-исследовательский институт "Поиск", пос. Мурино, Ленинградской обл. 2Специальное конструкторско-технологическое бюро "Технолог", Санкт-Петербург

*Е-таП: sav-georgij@yandex.ru Поступила в редакцию 16.08.2011

Рассмотрено возбуждение детонации в прессованных высокодисперсных взрывчатых веществах с помощью высоковольтного электрического разряда. Показано, что данный вид инициирования существенно упрощается при добавлении в ВВ нанопорошковых металлических (проводящих) добавок с высокой удельной теплоемкостью и теплопроводностью. Установлено, что параметры инициирующего электрического разряда зависят от фрактальной структуры нанокристаллического взрывчатого вещества.

Ключевые слова: перколяция, инициирование, нанокристаллы, детонация, высоковольтный электрический разряд, фрактал.

ВВЕДЕНИЕ

Известно [1], что в подавляющем большинстве современных боеприпасов возбуждение детонации в бризантных взрывчатых веществах (БВВ) и составах осуществляется при помощи средств инициирования (СИ). Одним из основных компонентов СИ являются первичные, инициирующие ВВ (ИВВ), которые опасны (в том числе и с точки зрения экологии) как при их производстве, так и при эксплуатации. Поэтому разработка методов инициирования БВВ без применения СИ с ИВВ является актуальной задачей.

К таким методам возбуждения детонации относится инициирование БВВ высоковольтным электрическим (искровым) разрядом, которое в ряде случаев используется для инициирования и взрывания в гражданских отраслях промышленности [1, 2]. Существующие представления об инициировании детонации электрическим разрядом во взрывчатых веществах сводятся к двум механизмам. Первый связан с комплексным воздействием нагрева ВВ от плазменного канала разряда и расходящейся от канала ударной волны [1]. Согласно этому механизму возбуждение детонации происходит только в том случае, когда в образующемся канале разряда выделяется некоторая минимальная энергия [3, 4], достаточная для инициирования процесса. Второй механизм предполагает нетепловой способ возбуждения детонационных процессов и отводит основную

роль быстрым реакциям возбужденных частиц [5, 6]. Справедливости ради стоит указать, что в двух последних работах не отрицается и тепловая природа возбуждения детонации при электрическом пробое. В любом случае, даже для зарядов насыпной плотности (тем более, прессованных) из БВВ (гексоген, октоген, не говоря уже про такие малочувствительные взрывчатые вещества, как гексо-нитростильбен, РОХ-7, ТАТВ и некоторые другие) этот способ инициирования требует большой закачки энергии [7, 8] поэтому для таких взрывчатых веществ (исключение составляет ТЭН насыпной плотности) и составов он практического применения не находит.

В настоящей работе рассматривается возможность минимизации необходимой энергии электрического разряда для возбуждения детонации в БВВ, включая малочувствительные.

МОДЕЛЬ ИНИЦИИРОВАНИЯ ДЕТОНАЦИИ В БВВ С УЧЕТОМ ТЕОРИИ ПРОТЕКАНИЯ

Как известно [1], одно из условий возбуждения детонации, вытекающее из принципа Ю.Б. Хари-тона, связано с размером очага инициирования, а именно, размер очага инициирования Ь0 должен быть не менее некоторого критического размера Бсг (Ь0 > Бсг) — параметра, определяющего соотношение между скоростью химического энерговыделения в зоне реакции стационарной детонации

и скоростью боковой разгрузки этой зоны. Под Бсг обычно понимают химико-газодинамический параметр взрывчатого вещества — критический диаметр детонации.

Это условие возбуждения детонации приводит к следующим количественным соотношениям для характерных времен:

1) время химической реакции 1сг должно быть не меньше времени движения боковой волны разгрузки к центру заряда:

с * Ьо/2с * Бсг/2с, (1)

где с — скорость звука;

2) время импульсного нагрева Т до температуры, при которой начинается химическая реакция, и временная длительность импульса электрического разряда, равны между собой, но при этом они много меньше 1СГ, т.е.

1Т = ^ << С * Ь„/2с. (2)

Как известно, образование канала электрического пробоя в диэлектриках (к которым относится подавляющее большинство БВВ) связано со "шнурованием" электрического тока, в результате которого происходит его самопроизвольное сжатие в шнур диаметром ~1 нм [9]. При этом в диэлектрике образуется тонкий сквозной канал микронного размера [4, 9], что много меньше Бсг для вышеназванных БВВ. Для ряда инициирующих ВВ, как это следует из работ [3—6], "шнурование" не является препятствием для инициирования детонации, что, очевидно, связано с их высокой чувствительностью к тепловому и ударно-волновому воздействию [1]. Образование канала электрического разряда в диэлектрике обусловлено ростом электропроводности (проводимости) а с ростом температуры (да/дТ > 0). Это приводит к тому, что в образце сосуществуют только две области. В первой (область шнура) плотность тока и температура настолько велики, что вещество обычно испаряется, а в оставшейся части плотность тока близка к нулю, а температура — к начальной.

Выйти из такой ситуации можно путем изменения знака зависимости да/дТ для инициируемого заряда ВВ на противоположный, а именно да/дТ < 0, что по сути уже должно привести к джоулеву нагреву заряда. Такой зависимости можно добиться, добавив к диэлектрическому ВВ какое-то, желательно минимальное, чтобы уменьшить потери в детонационных характеристиках заряда, количество проводника, которое будет пороговым значением при переходе диэлектрик ^ проводник и приведет к эффективной проводимости а^теперь уже бинарной смеси (ВВ + проводник) с отрицательной производной по температуре. Как известно, изучение эффективной пороговой проводимости гетерогенных

(сильно неоднородных по электрическим свойствам) сред является одной из задач теории протекания (перколяции) [10], которая тесно связана с фрактальной геометрией, созданной Б. Ман-дельбротом [11].

Суть этой связи такова. Распространение электрического тока в сильно неоднородных по электрическим свойствам материалах осуществляется либо за счет протекания тока, по так называемым "перколяционным каналам", либо за счет прыжков электронов по проводящим и диэлектрическим участкам, которые пространственно разделены (прыжковая проводимость). При этом как образование перколяционных каналов, так и прыжки от одного проводящего участка к другому происходят случайным образом, что приводит в конечном итоге к криволинейным траекториям распространения тока. Такие траектории в гетерогенном материале образуют множество геометрически подобных линий, что и является одним из основополагающих определений фрактальной геометрии, количественная характеристика которой — фрактальная размерность Б^ — практически всегда отличается от топологической размерности Б.

Используя хорошо известную в теории протекания модель одножильной сетки [10] с характерным расстоянием Ь между узлами токопроводя-щей сетки порядка длины корреляции и модель мгновенного линейного источника тепла, получим характерное время распространения тепла на расстояние г = Ь/2 от скелетной одножильной сетки:

Т = г2/4ас = Ь2/16ас, (3)

где г = (х2 + у2)0-5 — расстояние от линейного источника тепла (в нашем случае от одножильной сетки) до указанной точки пространства; ас =

= (^с/рс)- с— температуропроводность бинарной смеси; Хс, рс, сто — теплопроводность, плотность и удельная теплоемкость смеси.

Для корреляционной длины Ь вблизи порога протекания в теории перколяции существует соотношение

Ь ~ (4)

где £, = ^ — zcг)/zcг — параметр надкритичности (I— концентрация проводника в смеси, zcг — ее критическое значение, при котором происходит переход диэлектрик ^ проводник); V — критический индекс, V = 0.88 для Б = 3, Б — размерность пространства.

Для случайной упаковки квазисферических частиц и с учетом допущения об их монодисперсности порог перколяции zcг для трехмерного пространства с хорошей точностью определяется со-

отношением [10] * 0.15//, где/ — коэффициент заполнения пространства (плотность упаковки). Из опыта прессования кристаллических ВВ [1] /= = 0.6—0.98, поэтому разумно принять в качестве / ее среднее значение равно 0.79, тогда zcr * 0.19. В размерном виде выражение для корреляционной длины записывается следующим образом:

Ь * d(5) где d — характерный размер частиц смеси.

Условия (1)—(3) накладывают существенное ограничение на максимально допустимую длительность (субмикросекунды) инициирующего импульса (экспозиции электрического напряжения). Благодаря скин-эффекту токи электромагнитного импульса такой длительности имеют существенное ограничение по глубине проникания в токопроводящую смесь. Поскольку толщина скин-слоя обратно пропорциональна квадратному корню из проводимости материала [12], то в качестве проводника желательно выбирать материал с минимальной проводимостью, например, природный графит. Однако следует отметить, что в литературе имеются противоречивые данные о влиянии графита на чувствительность ВВ к электрическому разряду. Так, в [3] приводятся данные о том, что добавки графита, составляющие до 10% от массовой доли ИВВ (азид свинца), не сказываются на чувствительности последнего; то же самое относится к азидам серебра и таллия, а в [8] добавление в октоген 1% графита снизило минимальную электрическую энергию искрового разряда на порядок.

С другой стороны, скин-эффект определяется эффективной проводимостью всей токопроводя-щей смеси, а не чисто проводящей фазы, поэтому вполне возможно, что любой металлический порошок подойдет для использования не хуже, чем природный графит. Но кроме минимальной проводимости графит обладает и другим преимуществом, о котором будет сказано ниже.

Проведем оценку характерного размера частиц смеси d для двух проводящих добавок: графита и меди. Примем, что характерное время импульсного нагрева Т, ра

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

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»