Закономерности распределения Р, Т-параметров в реакционной смеси металл-углерод при плоском ударно-волновом нагружении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК РСФСР

ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ В П. ЧЕРНОГОЛОВКА

На правах рукописи НЕВЕРОВ Сергей Леонидович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ Р, Т-ПАРАМЕТРОС В РЕАКЦИОННОЙ СМЕСИ МЕТАЛЛ—УГЛЕРОД ПРИ ПЛОСКОМ УДАРНО-ВОЛНОВОМ НАГРУЖЕНИИ

01.04.17 — химическая физика, в том числе физи :а горений

и взрыва

Автореферат диссертации на соискание ученой степенй кандидата физико-математических наук

Черноголовка 1901

Рабата выполнена в Институте сверхтвердых -материале,

АН УССР

Научный руководитель: доктор технических наук Андреев В. Д. Официальные оппоненты:

доктор физ.-матем. наук Гордоиолов КХ А., доктор физ.-матем. наук Першин С. Ь.

Ведущая организация:

ВНИИФТРИ

. п^М Ао 1992 г. зЖ-час. Защита состоится —Т^потпкт в Йнстн-

на -злееданни епеа.«лНЗирова«,юго Л*

ка, ИХФЧ АН СССР. кор. 1'2.

с диссертацией «ж» .»ТГч"р»о?^ка'

та химической физики АН СССР в п. нерни

Автореферат разослал ,

$// . 189/1

Ученый секретарь специализированного Совета Д 200.08.01 •• кандидат д д_ Юдаиой

физико-математических наук

п; Черноголовка АН РСФСР"

Институт, химической физики

OBliyJI ХАРАКТЕРИСТИК РАБОТЫ

Актуальность тета. В связи с faetón потребностей в интет-ческих алмазах в нашей стране и за рубежом постоянно вдуто.я работы по совершенствованию » тодов синтеза. Рядом олояительных сторон и качественно отличными свойствами ал-аэа выделяются динамические методы. Один из них - ударно-олновое погружение металлографитиоЯ смеси. Плоский вариант того с .¿ос оба технологически более прост, но существующие настоящему времени схемы нагружения не обеспечивают досрочно высокого выхода а л газа. Проблема повышения эффектив-ости этого направления динамических методов может быть ре-ена при детальном исследовании процессов, происходящих при дарно-волновом нагрукении ооразца реакционной смеси, о так-е разработкой новых схем нагружен!«,'позволяющих управлять роцессом нагружения и целенаправленно создавать оптимальные параметры. Провести такие исследования ьсышяо путем чис-;енного моделнро„ лмя ударно-волновых процессов, которое ice шире применяется в физике взрыва.

Особое внимание в настоящее время уделяется построению 'равнений состоя»,.¡я веществ, испытывающих фазовый переход, юскольку существование областей метастабильности и неравно-ясности графита и алмаза усложняет'применение к интерпретацию традиционных PV ударных адиабат и иззнтроп, а такж.е - не связанных с ниш моделей расчета температуры.

Таким образом актуальность диссертационной работы" опре-^ шляется необходимостью исследования ударно-волновнх процессов в образце металлографитной смеси, происходящих при i агружении его по традиционным и вновь разработанным схемам, i также применения для анализа этих процессов теркодкнамг-lecroi полного уравнения состояния углерода. • \ ■ •

Цель, работы. Гетодами математического моделирования тсследовать закономерности распределения давления и температуры в образце реакционной смеси металл- грозит no иппест-

- I

ш и разработанным схегам лагрукения. Построить для математического моделирования ударно-волнового нагруиения графита ударные адиабаты и изэитропы не основании термодинамически полного уравнения состояния.

Методы исследования. В работе использовались аналитические методы термодинамики, механики движения сплошной .сре. ди, ^теории детонации, разностные методы численного решения систем дифференциальных уравнений.

Научная новизна. Исследовано поведение графита в процессах удорно-волноаого нагружения и иь.зггропийной разгрузи: На основе термодинамически полного уравнения состояния-углерода и общих термодинамических соотношений в РVТ- координатах построены семейства изэнтрол и" ударных адиабат графит; Выявлены особенности повздекия термодинамических характеристик графита в области неравнозесности. Сформулирован критерий построения оптимальной с точки зрения динамического ешь теза схемы погружения. Разработана методика ч шлейного расчета области фазового перехода в' образце метаялографитной смеси. '

Исследована динамика распределения давления, температуры <а веществе матрицы и в графитовпх включениях) и облас-. тей фазового перехода в плоском образце реакционной смсси конечных-размеров при ударно-волновом нагружении, а также - влияние на инк схемы шгру,'.;шнш и технологических параметров (размеров, скорости удара н формы ударников). Выявлена особенности распределения термодинамических параметров при иецяоеком удара.

• Рязрзботани новнэ схеш погружения с использованием взрывчатого во-деетва в. нестандартных реекмох инициироаания. В модель объемного горения пзрыачатого вещества моден ражи» догорания, обеспоч$шасцнп при численном ¡иодаторопонпи достигениа состояшя Чешена-Жуге нрк любоП "нтбнсионостц итщиирозчмш. Исследован кноговпттвпй мехяшзм нагрушяиш

льзовался полином второй степени от температуры (4). По— зано, что термодинамичесгше характеристики Су и (тг/у гко выражаются а- алитически из (4). Анализ графитовой тви поверхности показывает, что ее можно разделить на аб-сть равновесного (большие удельные сбъеш) и область нерзв-весного поведения (малые удельнне о^.екъ]).

Для описания поведения гранита в иззнтропийном процессе третьем параграфе решается дифференциальное уравнение из-нения онтропии „ ,,п\

которое подставляются вкраження удельной теплоемкости и э<М>ициента сжимаемости, полученные иг» полиномов уравнения стог.шя. Система получении), иззл-^.оп с различными началь-ми температурами показана на рис. V. . Рассмотрено влияние дели термодинамических характеристик на вид иззнтрсп.

В четвертом параграфе описано построение ударной лдиа-,ти гранта. Оно оснопоно на совместном решении уравнений стояния (4) и ударной адипбаты Гюгонио . Кромо того, пропятится модификация метода расчета температуры вещества в .арной волне рае~ирснием его на более общий случай нного-1лнового нагружешя. Это приводит к появлению добавочного :ено в известном решении Уолша и Кристиана. Б пятом пара-¡афе описан алгоритм подпрограмм, в которой1 рассчитъгапет-1 ударно-волновое нагружение графитового включения* с пользованием построенных в работе ударных адиабат и иэпнт-:п. Алгоритм учитывает многоволновой характер нагрукення использует простую модель фазового перехода: как только ютягнуты параметры бпрьеро прямого перехода, грабит >дит н алмаз при тех же дая,тении и температуре.

Глава 1. Оптимизация схсмн удашо-врлнового ' нагуудения обрапцп реагоу'о^^ноП сгеси.

¡{елью исследования дзгиой главы пв злятся пнплиз г.ун^г'ч .. '»тих схем нпггутеиия и разработка оптикольноО схсям.

В первом параграфе на основании анализа поверхности уравнения состояния углерода показано, что если синтезированный алиаз будет находиться левее п.нии равновесия - он останется алмазом, а если правее - вероятна графитизяция. Это положение принимается в качестве критерия для построе» ш оптимальной схем* нагружения: если в синтезированном алмазе поддерживать необходимое давление в течение времени, достаточного для охлаждения его до области метастабильнбсти, то можно избежать графитизации. С отой точки зрения проанализирс ваиа известная схема нагружения со свинцовой обоймой. Показано, что она обеспечивает однократное дополнительное нагру-кение, длительность которого пропорционален-" толщине ударника.

Во втором параграфе проанализирован процесс невручения по разработанной схеме с подпором взрывчатки веществом (ВВ). Показано, что разусщение под реакционной смесью заряда ВВ И последующая его детонация о ударной волне вызывает в образце серию волн повторного сжатия, которые при бесконечном подпоре когут увеличить время действия высокого давления до

Ю-и 6or.ee мкс. *

В третьем параграфе показано, что время действия поп-торных погружений однозначно определяется толщиной подпора п отличие от схемы со свинцовой обоймой. Дальнейшим развитием является разработанная еяеью с зажатым подпором. Раэке-иецко под подпором ВВ кесткой среды приводит к дополнительному нйгрукшшю образца ударной полной большой амплитуды в задмпшЯ маыент времени, опусдедяокцй толщиной подпора и обсспачиваср более гибкоз упрпвяшис процессом нагружения. X - I- диаграмм нагруженип приведена на рисунке .4.

В »»отпорт си параграф о ои/-«чг.птся особенности отгорят» у* чяс;:<!н)1ого моделиропяиая з'дарио-пояно! >го ипгдоепшя об~ р<ш;я сиси,. возни кмзцис лр:! »лечото иагруаоння по ехтлш о »Хвуонеипсм .43, Для ъив?мш исгедгопш ВО пепальэустзд но-ЛРЯЬ рбьпмшго Г01<,т>:, -.'сглг.он^ его пиоргия амде»

аячгг.п пропорционально ■.•тгпсю! сдаптип. Си?» яоавмлч«.'? ошя»**

с подпорап. Выбранная модель значительно доработана: в неё введен режим догорания, который обеспечивпет достижение взрывчатым веществом параметров Чепиенв-йуге при любой интенсивности ударюй волны.

Глава 5. Численные и| экспериментальные исследования , .ударно-волнового нтрукения образца реакционной суеси конечных.размеров и синтеза . _ в нем алмаза.

В данной главе с помощью разработанныхлрограмм численно исследован процесс ударно-вопнового нагруяения образца 1 реакционной смеси в двумерной по тановке по различным схемам. Приведены результаты экспериментальных исследований.

В первом параграфе рассматриваются результаты численно-, го моделирования нагружения плоской ударной волной. Описана динамика распределения по образцу давления, температуры (в матрице и в графитових включениях) и областей фазового перехода. Особо отмечено влияние боковой разгрузки. Показано, что увеличение скорости ударника пршодит к расширению области фазового перехода, а при скорости удярз, меньшей 1.5 км/сен, фазовый переход не происходит. При ьеплоском ударе в образце генерируются две ударные волны: плоская и косая, что призодит к рясиирению области фазового перехода а сторон;- периферии. На рис.Л показано распределение давления и области фазового перехода в разжинко коис/пм про-менм.

По втором параграфа приведены результата «коленного мо-допирования нагрудения образца по схего с подпорок ВП. Снл а<жп»д«ют о результпттщ одноморюго аиастэа: яояазрно 'Го;>-■«оиеняэ 'нткей поаорхности образца и распреэтрвигяяв з и* го полны нтторюго ежа ил. Попадание ВО в процессе рпечатп ззчестпонмо я копичсстргчшо совпадает с су^сстпуг-тд»':? ¡•есри-("::и при ткнгоЯ сяоросг.; удпп') дзто:р!-ии гк.чцг.'л'г 'на етг:.у!о~ КвГШЯ ror.HU Г, ИЛП?СТН:»Г.1 ПЯр««?ТЙ!П1, при ?ХСОКЙХ "КОрОСТПХ ^««^»•стохаг'*'сд п«п«т>тнв р-ттм пзтснлции, сяорость ипздята

продуктов детонации совпадает о известными значениями.

Результата экспериментальных исследований описаны в третьем параграфе. В предварительной серии экспериментов определены оптимальные параметры, обеспечивающие минимальные потери смеси после ударного нагружения. Иеследорчние влияния схега и параметров нагружения на выход алмаза производились при скорости удара 2,5 км/сек (рис. ). Нагружение по классической схеме давало нулевой выход. По схеме с подпором рост пыхода олмоза начинается с толщины подпора 6 мы и достигает максимума при толщинах 15-20 мм. При толщинах 25 ки и более прантиче1 и весь образец кетае.^л вверх и не попадает в устройство сохранения. Нагружение по схеме с зажатым подпором обеспечивает заметный выход уже при толщине подпора 2-3 уу и дальнейший рост с его увеличением. Однако при толщинах более 6 то также происходит метание практически всего образца вверх. МаксимальныП выход примерно в два рязэ превнаает выход в схеме с подпором. Выход алмаза в схегле с двойным ударом сравним с выходом по схеме с подпором.

ВЫВОДЫ

Основной результат настоящей работы состоит в исследовании дштглнси распределения давления,температур и областей ({-.апойого перехода в образце г;еталлографитноЙ смеси при ударно-волновом нагружснии, а также в построении ударных адиабат и ипэнтроп графита в трехмерной термодинамической системе координат. Выявлены особенности распределения при нагруяении по различным схемой. Проведенное численной моделирование и экспериментальные исследования позволили определить области оптимальных значений технологических параметров.

По результатам работы целесообразна вццелить следуш^е?

- 10 -

1. Аналитически описана графитовая ветвь термодинамически полного уравнения состояния углерода. Предложено выделить область неравновесности графита. Показано, что в зтой области термодинамические характеристики ведут себя аномально, но построенные в трехмерном термодинамическом пространстве PVTударные адиабаты и иэзнтропы графита при учетг всех особенностей имеют традиционный вид. Предложен критерий построения оптимальной с точки зрения предотвращения графитизации схемы нагруяенип.

2. Численным моделированием выявлены закономерности распределения днвлет.л, температур л динамика области фазового перехода в различных схемах. Неплоский удар приводи г к более мощному нагруженип периферии образца косой ударной волной. Численно полученные значения давления удовлетворительно совпадает с известными зкепериментальнт'и данными,

о значения температуры - со значениями металлографических исследований смесей после погружения.

3. Разработаны схемы нягружения, реализующие предложенный критерий оптимальности с применением взрывчатого не-щества в нетрадиционном режиме инициирования. В модель объемного горения, описывающего его поведение при численном моделировании, введен режим догорания. Проанализирована особенности распределения давления и температур в образце от технологических параметров. Показано, что ногру.што носит многоволповой "йрантрр. Амплитуда повторных нагрушений обеспечивает состояние алмаза в облает термодинамической стп-бмпьности. Длительность повторных нпгружониП определяется толщшюП' of разця, я общая продопиитол ьнооть пропорций-налыт толщине 111). Использование зажатого подпора значительно увеличивает амплитуду повторного нагруяения и пришлет ему характер ударней полны. Такой механизм погружения еттают степень графитипацин м обоспечивиет значительный

¡шход плмпяп. По всем схемам определены оптимплншй значения технологических параметров.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах :

1. A.c. Ю 1089800. Михайлов Н.П., ВереыеЯчик K.M., Неверов С.Л., Андреев В.Д., ЛукашВ.А., Ь'арков А.И., Перегудов В.В.. Устройство для синтеза алмаза.

2. Андреев В.Д1, Калик В.Р., Неверов С.Л. Ударная адиабата системы графит - алмаз. Сверхтвердые материалы. 1363, £ 3, стр. б—II.

- 12 -

Рис,I Термодинамическая поверхность уравнения состояния углерода в системе гроф|Т-алмаз

- 13 -

rte. 2, Иэохоры, ударные адиабаты и изэнтропы графита

Рис.4. Олре. *ш«ие давления и о(тст фазового перехода при нсплоском ударз

] Ы

= 0,ОГ ПК с

/= О, "кс

Ж"

¿= О, 91 ИКС

<7 {-2,10пи.

15