Взрывчатое разложение поликристаллов тетранитрата пентаэритрита и циклотриметилентринитрамина с включениями ультрадисперсных пассивированных металлических частиц при воздействии импульсного лазерного излучения
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………………………… 8
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР……………………………………………………… 24
1.1. Воздействие лазерного излучения на инициирующие энергетические
материалы …………………………………………………………………………………………… 24
1.2. Воздействие лазерного излучения на бризантные энергетические
материалы …………………………………………………………………………………………… 26
1.3. Лазерное инициирование композитных энергетических материалов . 34
1.4. Способы лазерного инициирования энергетических материалов ……. 38
1.4.1. Непрямое лазерное облучение через фольгу …………………………….. 39
1.4.2 Метаемые лазером пластины – флаеры ……………………………………… 40
1.5. Волокна для поставки лазерных импульсов высокой мощности …….. 45
1.6. Инициирование ВВ с помощью лазерных детонаторов ………………….. 55
1.7. Модели лазерного инициирования энергетических материалов ……… 57
1.7. Выводы главы ………………………………………………………………………………….. 63
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
………………………………………………………………………………………………………………. 66
2.1. Синтез и физико-химические характеристики тетранитрата
пентаэритрита ……………………………………………………………………………………… 66
2.2. Светопоглощающие добавки и их некоторые свойства ………………….. 70
2.3. Подготовка экспериментальных образцов ……………………………………… 76
2.4. Источник импульсов лазерного излучения …………………………………….. 80
2.5. Методика измерения оптико-акустических характеристик образцов . 83
2.6. Методика измерения оптических характеристик образцов при помощи
фотометрического шара ………………………………………………………………………. 90
2.7. Методика измерения порога взрывчатого разложения образцов …….. 93
2.8. Методика измерения вероятности взрыва образцов при различных
условиях газодинамической разгрузки …………………………………………………. 96
2.9. Методика измерения динамических характеристик образцов …………. 98
2.10. Методика измерения спектрально-кинетических характеристик
свечения образцов под действием импульсного лазерного излучения …. 100
2.10.1. Функциональная схема экспериментальной установки по
измерению спектрально-кинетических характеристик свечения образцов
при импульсном лазерном воздействии …………………………………………… 100
2.10.2. Калибровка оптического тракта спектрофотохронографа по
длинам волн ……………………………………………………………………………………. 102
2.10.3. Калибровка чувствительности оптического тракта
спектрофотохронографа по длинам волн …………………………………………. 105
2.10.4. Методика обработки спектров свечения образцов ………………… 107
2.10.5. Методика обработки зависимости интенсивности свечения
образцов от времени ……………………………………………………………………….. 109
ГЛАВА 3. ОПТИЧЕСКИЕ И ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
…………………………………………………………………………………………………………….. 111
3.1. Исследование оптических свойств тэна с включениями алюминия
методом фотометрического шара ……………………………………………………….. 111
3.1.1. Коэффициенты пропускания и рассеяния образцов. ……………….. 111
3.1.2. Расчет показателя экстинкции и анализ результатов……………….. 118
3.2. Исследование оптико-акустических характеристик тэна с включениями
алюминия ………………………………………………………………………………………….. 121
3.2.1. Показатель экстинкции в зависимости от массовой доли включений
алюминия в образцах тэна ………………………………………………………………. 122
3.2.2. Амплитуда акустического сигнала при воздействии лазерного
излучения на образцы тэна в зависимости от массовой доли включений
алюминия в различных условиях газодинамической разгрузки образцов
……………………………………………………………………………………………………….. 125
3.2.3. Расчетная модель зависимости амплитуды давления при лазерном
воздействии на тэн в зависимости от массовой доли включений в
различных условиях газодинамической разгрузки образцов …………….. 127
3.3. Нелинейные эффекты поглощения лазерного излучения тэна с
включениями алюминия …………………………………………………………………….. 131
3.4. Анализ результатов и выводы главы ……………………………………………. 139
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПОРОГИ
ВЗРЫВЧАТОГО РАЗЛОЖЕНИЯ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ ТЭНА С
ПОГЛОЩАЮЩИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ …………………………………………….. 143
4.1. Влияние массовой доли включений ультрадисперсных металлических
частиц на порог лазерного инициирования взрывчатого превращения тэна
………………………………………………………………………………………………………….. 144
4.1.1. Пороги взрывчатого разложения тэна в зависимости от массовой
доли включений при минимальном и среднем блокировании
газодинамической разгрузки …………………………………………………………… 144
4.1.2. Пороги взрывчатого разложения тэна в зависимости от массовой
доли включений при полном блокировании газодинамической разгрузки
……………………………………………………………………………………………………….. 154
4.1.3. Модель зависимости порогов лазерного инициирования тэна от
массовой доли включений в различных условиях газодинамической
разгрузки образцов …………………………………………………………………………. 157
4.2. Влияние размеров включений на порог лазерного инициирования
взрывчатого превращения тэна ………………………………………………………….. 161
4.2.1. Пороги взрывчатого разложения образцов тэна с включениями
никеля с различными размерами включения ……………………………………. 161
4.2.2. Модель влияния размеров включения на пороги взрывчатого
разложения тэна при лазерном воздействии …………………………………….. 166
4.3. Пороги взрывчатого разложения образцов тэна с включениями
ультрадисперсных пассивированных частиц алюминия в зависимости от
содержания металлического алюминия в частице включения …………….. 171
4.4. Влияние длины волны лазерного излучения на порог взрывчатого
разложения тэна и композитов на его основе ……………………………………… 176
4.4.1. Пороги лазерного инициирования взрыва образцов тэна с
включениями ультрадисперсных пассивированных частиц алюминия и
железа при различных длиннах волн лазерного излучения ………………. 177
4.4.2. Инициирование образцов тэна без включений излучением второй
гармоники лазера ……………………………………………………………………………. 183
4.5. Лазерное инициирование взрывчатого разложения образцов при
повышенных начальных температурах образцов ………………………………… 193
4.5.1. Зависимости порогов взрывчатого разложения образцов тэна с
включениями частиц алюминияя от начальной температуры образца . 193
4.5.2. Эмпирическая модель, описывающая экспериментальные
результаты………………………………………………………………………………………. 200
4.6. Влияние плотности образцов на пороги и динамические
характеристики взрывчатого разложения при лазерном инициировании 207
4.6.1. Зависимости порогов взрывчатого разложения образцов тэна с
включениями пассивированных частиц алюминия от плотности образца
……………………………………………………………………………………………………….. 208
4.6.2. Динамические характеристики взрывчатого разложения тэна с
включениями пассивированных частиц алюминия в зависимости от
плотности образца…………………………………………………………………………… 213
4.6.3. Модель лазерного инициирования взрывчатого разложения тонких
образцов …………………………………………………………………………………………. 222
4.7. Выводы главы ……………………………………………………………………………… 226
ГЛАВА 5. СПЕКТРАЛЬНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ВЗРЫВЧАТОГО СВЕЧЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ТЭНА С ВКЛЮЧЕНИЯМИ
УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ПАССИВИРОВАННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ЧАСТИЦ………………………………………………………………………………………………. 228
5.1. Спектрально-кинетические характеристики свечения образцов тэна с
включениями под действием импульсного лазерного излучения ………… 231
5.2. Спектрально-кинетические характеристики свечения, возникающее в
результате развития химической реакции после воздействия импульса
лазерного излучения ………………………………………………………………………….. 236
5.3. Анализ результатов ……………………………………………………………………… 241
5.4. Выводы главы ……………………………………………………………………………… 245
ГЛАВА 6. ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ЛАЗЕРНОМ
ИНИЦИИРОВАНИИ ВЗРЫВА КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ
СЛАБОПОГЛОЩАЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЕ ВВ И ВКЛЮЧЕНИЙ
УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ ПАССИВИРОВАННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ
ЧАСТИЦ………………………………………………………………………………………………. 246
6.1. Экспериментально обоснованная модель взрывчатого разложения
слабопоглощающих излучение ВВ с включениями ультрадисперсных
пассивированных металлических частиц под действием импульсного
лазерного излучения ………………………………………………………………………….. 250
6.2. Проверка модели с использованием композитных материалов на основе
RDX и включений ультрадисперсных пассивированных металлических
частиц при воздействии лазерных импульсов …………………………………….. 255
6.2.1. Расчет коэффициента эффективности поглощения в зависимости от
размера включений определенного металла в матрице RDX при заданной
плотности на необходимой длине волны лазерного излучения ………… 256
6.2.2. Определение оптических характеристик композитов RDX-
включения в довзрывном режиме с помощью фотометрического шара257
6.2.3. Определение оптико-акустических характеристик композитов с
помощью пьезодетектора при лазерном воздействии ………………………. 259
6.2.4. Экспериментальное определение порогов взрывчатого разложения
композитов на основе RDX и включений металлов ультрадисперсных
размеров при лазерном воздействии и установление связи их с
оптическими и оптико-акустическими характеристики ……………………. 270
6.2.5. Экспериментальные измерения спектрально-кинетических
характеристик взрывчатого свечения исследуемых объектов в реальном
масштабе времени, идентификация первичных продуктов взрывчатого
разложения методом оптической спектроскопии и определение
температуры взрыва методом оптической пирометрии ……………………. 275
6.3. Выводы главы ……………………………………………………………………………… 282
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………. 284
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………………………………… 288
Актуальность исследования
С момента создания лазера неизменный интерес исследователей
вызывает изучение воздействия лазерного излучения на взрывчатые вещества
(ВВ) [1]. В настоящее время интерес увеличился в связи с возросшими
возможностями современной аппаратуры для регистрации и получения
информации о быстропротекающих процессах, происходящих в ВВ. Эти
данные необходимы для разработки механизма лазерного инициирования
ВВ.
Лазерное инициирование взрывчатых веществ (ВВ), как научное
направление, возникло в СССР во ВНИИА им. Н.Л. Духова (г. Москва) [2, 3].
В России исследования проблем лазерного инициирования ВВ в настоящее
время ведутся в ТПУ (г. Томск) [4], КемГУ (г. Кемерово) [5], РФЯЦ-
ВНИИЭФ (г. Саров) [6], РФЯЦ-ВНИИТФ (г. Снежинск) [7], ФИЦ УУХ СО
РАН (г. Кемерово), СПбГТИ(ТУ) (г. Санкт-Петербург) [8] и других
организациях.
Лазерное излучение [9–12] стали использовать для инициирования
детонации ВВ в так называемых светодетонаторах. Например, в США
светодетонаторы используются в системах пироавтоматики ракетно-
космических комплексов [13] и системах инициирования артиллерийских
снарядов [14].
В качестве материалов для светодетонаторов перспективно применение
бризантных ВВ с включениями светопоглощающих добавок. Одним из
перспективных материалов включения являются металлы ультрадисперсных
размеров. Как следует из литературных данных, пороги лазерного
инициирования взрывчатого разложения ВВ зависят от ряда факторов [15],
например, таких как, длина волны лазерного излучения, длительность
лазерного импульса, масса и плотность образца, начальная температура
образца, наличие в образце поглощающих неоднородностей, материал
включений, дисперсность включений, условия газодинамической разгрузки
образца. Исследования, в которых бы производился учет действия этих
факторов в комплексе в настоящее время отсутствуют. Для получения
взрывчатых материалов с оптимальными характеристиками назрела
необходимость проведения комплексных исследований по инициированию
взрывчатого разложения ВВ с включениями поглощающих лазерное
излучение добавок с учетом выше перечисленных факторов. В этом случае
возможна разработка научных основ и модели взрывчатого разложения для
слабопоглощающих излучение бризантных ВВ со светопоглощающими
включениями при лазерном инициировании. Установление научных основ
даст возможность целенаправленного нахождения составов взрывчатых
материалов с оптимальными характеристиками для лазерного
инициирования взрыва.
Существует несколько точек зрения на процесс лазерного
инициирования тэна [16–18], основными из которых являются тепловой
взрыв, оптический пробой, цепной взрыв и фоторезонансное инициирование.
Уже в этих работах отмечалось влияние выше перечисленных физических
факторов воздействия лазерного излучения на взрывчатое вещество. Однако
на данный момент отсутствуют систематические исследования лазерного
инициирования тэна, проведенные на одной экспериментальной лазерной
установке, учитывающие указанную выше многофакторность.
В настоящей работе проведено систематическое экспериментальное
исследование лазерного инициирования взрывчатых материалов на основе
слабопоглощающих излучение ВВ (тетранитрат пентаэритрита (тэн),
циклотриметилентринитрамин (гексоген, RDX)) с включениями
ультрадисперсных пассивированных металлических частиц с учетом выше
перечисленных факторов, влияющих на порог взрывчатого разложения. В
результате проделанной работы предложена модель взрывчатого разложения
таких материалов при лазерном инициировании. На базе полученных
научных результатов выработан алгоритм получения композитов на основе
бризантных взрывчатых веществ и металлических включений с
оптимальными характеристиками для лазерного инициирования взрыва. Это
определяет актуальность представленной работы.
Работа выполнялась по плану базового бюджетного финансирования
СО РАН: приоритетное направление V.49. «Фундаментальные исследования
в области химии и материаловедения в интересах обороны и безопасности
страны» в рамках проектов V.40.1.4. «Модификация свойств взрывчатых
веществ добавками наноразмерных энергоемких частиц» и V49.1.5.
«Изучение механизмов преобразования энергии электронно-пучкового и
лазерного излучения в высокоэнергетических материалах и углях для
создания материалов для компонентов и устройств специального
назначения»; поддерживалась грантами РФФИ: № 07-02-96009-а, № 13-03-
98032_r_sibir_a, № 16-33-00510_мол_а, № 18-03-00421-а. Результаты работы
использованы в соответствующих отчетах по НИР.
Цель работы
Разработка научных основ и модели взрывчатого разложения
слабопоглощающих излучение бризантных ВВ с включениями
ультрадисперсных пассивированных металлических частиц при лазерном
инициировании с учетом факторов, влияющих на порог инициирования
взрыва.
Задачи
Для достижения цели необходимо решение следующих конкретных
задач:
1. Установить роль включений ультрадисперсных пассивированных
металлических частиц на изменение оптических характеристик
слабопоглощающих излучение бризантных ВВ (тэн, RDX) методами
фотометрического шара и оптико-акустики с использованием лазерного
излучения различных плотностей энергии.
2. Изучить влияние массовой доли включений ультрадисперсных
пассивированных металлических частиц (Al, Ni, Fe) в образце на порог
взрывчатого разложения ВВ (тэн, RDX) при лазерном инициировании в
различных условиях газодинамической разгрузки образцов.
3. Изучить влияние размера включений ультрадисперсных
пассивированных металлических частиц на порог взрывчатого разложения
ВВ (тэна, RDX) при лазерном инициировании .
4. Изучить влияние длины волны лазерного излучения на порог
взрывчатого разложения тэна и тэна с включениями ультрадисперсных
пассивированных металлических частиц.
5. Установить роль начальной температуры образцов тэна и тэна с
включениями ультрадисперсных пассивированных частиц металлов на порог
взрывчатого разложения при лазерном инициировании.
6. Установить роль изменения плотности образцов тэна с включениями
ультрадисперсных пассивированных частиц алюминия на его взрывчатые
характеристики при лазерном инициировании .
7. Изучить спектрально-кинетические характеристики свечения,
возникающего при лазерном инициировании взрыва ВВ (тэна, RDX) с
включениями ультрадисперсных пассивированных металлических частиц в
режиме реального времени. Установить природу свечения первичных
продуктов взрыва.
8. Установить общие закономерности влияния исследованных в работе
факторов на порог взрывчатого разложения изучаемых материалов. На базе
установленных закономерностей сформулировать модель, позволяющую
прогнозировать регулирование чувствительности взрывчатых материалов к
лазерному воздействию.
Научная новизна
На основе проведенных комплексных экспериментальных
исследований предложена модель взрывчатого разложения взрывчатых
материалов на основе слабопоглощающих излучение бризантных ВВ (тэн,
RDX) с включениями ультрадисперсных пассивированных металлических
частиц (алюминия, никеля, железа) при импульсном лазерном воздействии,
учитывающая совокупность факторов влияющих на порог инициирования
взрыва ВВ.
1. Впервые установлено, что в композитах на основе
слабопоглощающих излучение бризантных ВВ (тэн, RDX) с включениями
ультрадисперсных пассивированных металлических частиц (алюминия,
никеля, железа) поглощение излучения происходит непосредственно
включениями. В результате, во время импульса излучения происходит нагрев
включения и окружающей его оболочки ВВ (тэн, RDX). Включение и
нагретая оболочка образуют «горячую точку».
2. Впервые установлены закономерности изменения критических
плотностей энергий лазерного инициирования взрывчатого разложения
слабопоглощающих излучение бризантных ВВ (тэн, RDX) с включениями
ультрадисперсных пассивированных частиц алюминия, никеля и железа в
зависимости от массовой доли включений в образце. В различных условиях
газодинамической разгрузки образцов тэна с включениями
ультрадисперсных пассированных частиц алюминия определено значение
оптимальной массовой доли этих включений, при которой критическая
плотность энергии лазерного инициирования взрывчатого разложения
минимальна.
3. Впервые установлено, что влияние размера включений
ультрадисперсных пассивированных металлических частиц на порог
лазерного инициирования взрыва слабопоглощающих излучение бризантных
ВВ (тэн, RDX) связано с зависимостью показателя поглощения излучения от
размера частиц.
4. Впервые показано, что немонотонная зависимость критической
плотности энергии лазерного инициирования взрывчатого разложения
слабопоглощающих излучение бризантных ВВ (тэн, RDX) с включениями
ультрадисперсных пассивированных частиц алюминия, никеля и железа от
массовой доли и размеров включений в образцах коррелирует с оптико-
акустическими характеристиками образцов.
5. Впервые показано, что зависимость критической плотности энергии
лазерного инициирования взрывчатого разложения тэна с включениями
ультрадисперсных пассивированных частиц алюминия от длины волны
излучения связана с зависимостью эффективности поглощения света Qabs(λ).
6. Впервые показано, что при лазерном инициировании взрывчатого
разложения тонких образцов (1 мм) тэна с включениями ультрадисперсных
пассивированных частиц алюминия с уменьшением плотности образцов
увеличиваются пороги лазерного инициирования взрыва, скорость и
давление ударных волн в воздухе.
7. Впервые установлено, что во время воздействия лазерного импульса
происходит диссоциация молекул слабопоглощающих излучение бризантных
ВВ (тэн, RDX) с образованием NO2● – радикала.
8. Впервые методом спектральной пирометрии установлено, что
спектры свечения слабопоглощающих излучение бризантных ВВ (тэн, RDX)
с включениями ультрадисперсных пассивированных металлических частиц
на стадии взрывчатого разложения образцов при лазерном инициировании
имеют тепловой характер.
9. Впервые показано, что критическая плотность энергии лазерного
инициирования взрывчатого разложения тэна с включениями
ультрадисперсных пассивированных частиц алюминия первой и второй
гармониками лазерного излучения с ростом начальной температуры образцов
в интервале 300–450 К описывается одинаковыми закономерностями.
Количественное различие связано с различной эффективностью поглощения
излучения Qabs первой и второй гармоник.
10. Впервые на основе проведенных комплексных экспериментальных
исследований и разработанной модели процесса установлен алгоритм
получения материалов на основе слабопоглощающих излучение ВВ с
включениями ультрадисперсных частиц металлов с оптимальными
характеристиками для лазерного инициирования взрыва.
Защищаемые положения:
1. Роль ультрадисперсных пассивированных металлических включений
в ВВ состоит в изменении его оптических характеристик в результате
поглощения лазерного излучения металлическим ядром включений, с
последующим нагревом ядра. При превышении критической плотности
энергии излучения в окружающей включение оболочке ВВ происходит
инициирование экзотермической химической реакции.
2. Характер зависимости порога лазерного инициирования взрыва
слабопоглощающих излучение бризантных ВВ от массовой доли
ультрадисперсных пассивированных металлических частиц связан с
характером изменения давления в слое поглощения энергии, которое
определяется условиями газодинамической разгрузки.
3. Зависимость порога лазерного инициирования взрыва
слабопоглощающих излучение бризантных ВВ от размеров включений
ультрадисперсных пассивированных металлических частиц связана с
зависимостью показателя поглощения излучения от размера частиц.
4. Зависимость порога лазерного инициирования взрывчатого
разложения поликристаллических образцов тэна с включениями
ультрадисперсных пассивированных частиц металлов от длины волны
связана с коэффициентами эффективности поглощения излучения Qabs,
которые зависят от длины волны излучения. При одинаковых значениях
показателя экстинкции keff пороги Hcr при воздействии различными длинами
волн одинаковы.
5. В тонких (1 мм) поликристаллических образцах тэна с включениями
ультрадисперсных пассивированных частиц алюминия при лазерном
воздействии проявляются закономерности взрывчатого разложения,
отличающиеся от закономерностей при нормальной детонации. С
уменьшением плотности образцов увеличиваются пороги лазерного
инициирования взрыва Hcr, скорости и давление ударных волн,
образующихся при взрыве образцов в воздухе.
6. Первичным продуктом при лазерном инициировании взрыва ВВ
(тэн, RDX) с включениями ультрадисперсных пассивированных частиц
алюминия, никеля и железа является NO2● – радикалы, образующиеся в
«горячих точках» в результате диссоциации молекулы ВВ. Спектры свечения
на стадии взрыва имеют тепловой характер и связаны с химической реакцией
в остове молекул ВВ.
7. Модель взрывчатого разложения слабопоглощающих излучение
бризантных ВВ с включениями ультрадисперсных пассивированных
металлических частиц при лазерном инициировании, учитывающая
совокупность факторов влияющих на порог взрывчатого разложения ВВ:
а) поглощение лазерного излучения металлическими частицами, нагрев
частиц и прилегающих слоев ВВ до температуры выше температуры
плавления ВВ. Частица и ее нагретое окружение ВВ представляют собой
«горячую точку»;
б) при превышении плотности энергии порогового значения
происходит диссоциация молекулы ВВ (тэн, RDX) на возбужденный радикал
NO2• и остаточный радикал R•;
в) радикал NO2• флюоресцирует за время ~ 60 нс. В остаточном
радикале R• протекает экзотермическая химическая реакция, приводящая к
превращению образца в газообразные продукты и взрыву. Процесс
происходит в микросекундном временном интервале и сопровождается
тепловым свечением с температурой T ~ 3400 К;
г) для каждого типа включений в образце существуют оптимальная
массовая доля и оптимальный размер, при которых порог инициирования
взрыва минимален.
д) необходимым условием взрыва является блокирование
газодинамической разгрузки образца. Во время импульса поглощение
энергии излучения при оптимальной массовой доле включений происходит в
поверхностном слое образца глубиной d ≈ 50 мкм. В результате развития
химической реакции в «горячих точках» происходит повышение
температуры и давления в облученном слое, что приводит к возникновению
ударной волны и распространению ее в необлученную часть образца.
Развитие взрывчатого разложения в необлученном слое образца происходит
по ударно-волновому механизму.
Достоверность
Достоверность полученных экспериментальных результатов
обосновывается использованием стандартизированных образцов,
современных измерительных комплексов, хорошо апробированных методик.
Научная и практическая значимость
Диссертация посвящена решению научной задачи, имеющей значение
для развития отрасли знаний, изучающей воздействие лазерного излучения
на взрывчатые вещества.
Научное направление, разрабатываемое в данной работе – это изучение
механизмов взрывчатого разложения тонких (1 мм) поликристаллов
слабопоглощающих излучение бризантных взрывчатых веществ с
включениями ультрадисперсных пассивированных металлических частиц
при воздействии импульсного лазерного излучения. Результаты работы
позволили установить модель взрывчатого разложения указанных
материалов (на примере тэна и RDX) с учетом факторов, влияющих на порог
взрыва ВВ и определить условия целенаправленного регулирования их
чувствительности к импульсам лазерного излучения.
Практическая значимость работы заключается в том, что подход,
предложенный в работе, позволит вести разработку композитных
взрывчатых материалов на основе слабопоглощающих лазерное излучение
бризантных ВВ (PETN, RDX, HMX и т.п.) с минимальными порогами
взрывчатого разложения для применения в светодетонаторах штатных
взрывчатых веществ и других технических приложениях, где применяется
лазерное инициирование взрыва.
На основе предложенного в работе научно-обоснованного подхода
Диссертация является научно-квалификационной работой в рамках
научного направления – изучение механизмов взрывчатого разложения
тонких (1 мм) поликристаллов слабопоглощающих излучение бризантных
взрывчатых веществ с включениями ультрадисперсных пассивированных
металлических частиц при воздействии импульсного лазерного излучения
наносекудной длительности. Результаты работы позволили установить
модель взрывчатого разложения указанных материалов (на примере тэна и
RDX) с учетом факторов, влияющих на порог взрыва ВВ и определить
условия целенаправленного регулирования их чувствительности к импульсам
лазерного излучения.,
Основные результаты и выводы по работе состоят в следующем:
1. В тэне и RDX с включениями ультрадисперсных пассивированных
металлических частиц поглощение лазерного излучения происходит
непосредственно включениями. Увеличение поглощения матрицей ВВ в
результате рассеяния излучения на включениях играет второстепенную роль.
2. При плотностях энергии H > 0,1 Дж/см2 наблюдается нелинейный
рост показателя экстинкции keff тэна с включениями ультрадисперсных
пассивированных частиц алюминия, что приводит к экспоненциальному
росту амплитуды оптико-акустического сигнала U, пропорционального
давлению P, и линейному росту P с увеличением объемной плотности
поглощенной энергии лазерного излучения Qv.
3. Зависимость порога взрывчатого разложения при лазерном
инициировании тэна и RDX с включениями ультрадисперсных
пассивированных частиц Al, Ni, Fe от массовой доли включений χ при
частичном блокировании газодинамической разгрузки имеет вид кривой с
минимумом при оптимальной массовой доле χopt. Экспериментально
показано, что для χopt давление P в облученном слое имеет максимальное
значение. Модельные расчеты зависимости амплитуды давления в слое
поглощения энергии лазерных импульсов в условиях почти свободной
облучаемой поверхности от экстинкции keff объясняет наличие максимума на
кривой P(keff) переходом от режима “мгновенного” адиабатического нагрева
без релаксации давления за время действия лазерного импульса к
квазистатическому режиму, когда за время импульса облученный слой
успевает расшириться. При полном блокировании газодинамической
разгрузки образцов, облучаемая поверхность является жесткозакрепленной и
при лазерном воздействии возникает только волна сжатия. В этом случае с
ростом массовой доли включений давление возрастает до максимальной
величины, а порог взрывчатого разложения Hcr снижается до постоянного
значения.
4. Пороги взрывчатого разложения при лазерном инициировании тэна и
RDX с включениями ультрадисперсных пассивированных металлических
частиц зависят от размера включений. Для включений с оптимальными
размерами, для которых Hcr минимален, показатель экстинкции излучения keff
максимален. Расчеты, проведенные в рамках теории Ми связывают
обнаруженный эффект с зависимостью сечения поглощения излучения от
размеров частиц.
5. Порог взрывчатого разложения Hcr для тэна с включениями
ультрадисперсных пассивированных частиц Al зависит от соотношения
Al/Al2O3, т.е. от массового содержания активного металла в частице
включения. С уменьшением содержания Al растет значение Hcr. При этом
уменьшается коэффициент эффективности поглощения излучения Qabs.
6. Пороги взрывчатого разложения при лазерном инициировании тэна с
включениями ультрадисперсных пассивированных металлических частиц
зависят от длины волны излучения. Показано, что Hcr следует связывать с
показателем экстинкции keff ~ Qabs∙nopt, при этом значение коэффициента
эффективности поглощения излучения Qabs для различных длин волн
различно. При одинаковых значениях keff наблюдается одинаковые значения
Hcr для различных длин волн.
7. Инициирование взрывчатого разложения тэна без включений при
лазерном воздействии в условиях частичного блокирования
газодинамической разгрузки возможно излучением второй гармоники лазера
по механизму двухфотонного поглощения излучения молекулой тэна.
Экспериментально измерен показатель двухфотонного поглощения
β = 300 см/ГВт.
8. Инициирование тонких образцов (1 мм) тэна с включениями
ультрадисперсных пассивированных частиц Al при лазерном воздействии
подчиняется следующим закономерностям – с ростом плотности образцов
уменьшаются пороги лазерного инициирования взрыва Hcr, скорости и
давление ударных волн, образующихся при взрыве образцов в воздухе.
9. Исследовано влияние начальной температуры образца на порог Hcr.
Для тэна без включений Hcr уменьшается в интервале температур 400–450 К с
эффективной энергией активации Ea = 0,4 эВ при воздействии первой и
второй гармоник лазера. Обе зависимости описываются одинаковыми
закономерностями. Для тэна с включениями ультрадисперсных
пассивированных частиц Al при воздействии первой и второй гармоник
лазера Hcr слабо зависит от начальной температуры в интервале 295–350 К. В
интервале температур 400–450 К, порог взрывчатого разложения снижается с
эффективной энергией активации Ea = 0,4 эВ. Количественное различие
связано с различной эффективностью поглощения Qabs излучения первой и
второй гармоник.
10. Кинетики свечения тэна и RDX с включениями ультрадисперсных
пассивированных частиц Al, Ni, Fe имеют качественно одинаковый характер:
интенсивность свечения растет во время воздействия лазерного импульса с
последующим спадом за время ~ 60 нс; свечение в микросекундном
временном интервале связанно со взрывчатым разложением ВВ.
11. Спектры свечения, наблюдаемые во время воздействия лазерного
импульса, связаны с возбужденными радикалами NO2●, образующимися в
«горячей точке» в результате диссоциации молекул ВВ. Спектры свечения на
стадии взрывчатого разложения имеют тепловой характер. Определена
температура свечения продуктов взрыва образцов тэн-Al Т = 3400 ± 100 К,
тэн – Fe Т = 3400 ± 100 К, тэн-Ni Т = 3300 ± 100 К, RDX-Al T = 3500 ± 100 К,
RDX-Fe T = 3500 ± 100 К.
12. Предложена экспериментально обоснованная модель взрывчатого
разложения композитов на основе слабопоглощающих излучение
бризантных ВВ (тэна, RDX) с включениями ультрадисперсных
пассивированных металлических частиц при лазерном инициировании.
13. Совокупность результатов работы позволяют сформулировать
научно-обоснованный алгоритм получения оптимальных материалов для
применения в устройствах с лазерным инициированием взрыва на основе
слабопоглощающих излучение ВВ и ультрадисперсных металлов.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (105 отзывов)
5 (20 отзывов)
4.1 (20 отзывов)
4.5 (330 отзывов)
4 (15 отзывов)
5 (285 отзывов)
5 (91 отзыв)
4.6 (30 отзывов)
4.6 (30 отзывов)
