Исследование интенсивных имульсных воздействий на композиционные материалы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

РГ5 ОЛ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК 2 0/}ЖЪШШШЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР НАУЧНО-ИССЛЕДОВЛТЕЛьбкИЙ ЦЕНТР ТЕПЛОФИЗИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

УДК 536 На правах рукописи

ЕФРЕМОВ Владимир Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНТЕНСИВНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ . НА КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Специальность 01.04.14 Теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА-1994

Работа выполнена в Научно-исследовательском центре теплофизики импульсных воздействий.

Научные руководители: -доктор физико-математических наук,

ведущий научный сотрудник Канель Г.И. -кандидат физико-математических наук,' . старший научный сотрудник Уткин A.B..

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Иванов.Михаил Федорович, НШ ТИВ кандидат физико-математических наук Долгобородов Александр Юрьевич, ИХФ им. Семенова H.H. РАН (г. Москва)

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский

институт химии и механики, г. Москва.

Защита диссертации состоится " " 1994Г в час. мин.

на заседаний специлизированного совета Д 002.53.03 при Научно-исследовательском центре теплофизики импульсных воздействий научного объединения. "ШТАН" по адресу: I274I2, Москва, Ижорская ул. 13/19 ИВТАН, , '

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИВТАН ' ; .• Автореферат разослан " " • 1994г. '

Ученый секретарь * '

специализированного совета, C^Qy^f-^ . Давыдов А.Н. к.т.н. .

С)ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК,.

• 1994Г. '

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение процессов, связанных с воздействием импульсов проникающего излучения на материалы и конструкции, стимулируется интенсивным развитием таких областей науки и техники, как космическое материаловедение, обработка материалов лазерным и электронным излучением. Кроме того, существует проблема защиты элементов конструкций ракетно-космической техники (РКТ) от импульсных воздействий, которые могут быть вызваны, например, мощными корпускулярными пучками или мощным импульсным рентгеновским излучением. Натурные эксперименты в области параметров, представляющих практический интерес, являются чрезвычайно дорогостоящими, а во многих случаях и невозможными. Оптимизация создаваемых защитных покрытий космических аппаратов требует значительной экспериментальной работы. В связи с этим возникает необходимость количественного прогнозирования процессов, сопровождающих высокознергетические воздействия с объемным энерговыделением.

Обсуждаемые процессы быстрого объемного энерговыделения происходят при практически постоянной плотности вещества и сопровождаются генерацией интенсивных волн сжатия и разрежения. В этом смысле можно говорить о явлении термоудара в материалах и конструкциях. Для корректного расчета динамики и результатов бысокоэ-нергетических воздействий необходимы сведения о термодинамических и механических свойствах всех материалов, используемых в ракетно-космической технике, в соответствующем диапазоне амплитудно-временных параметров нагрузки. Между тем, имеющиеся в настоящее время сведения о свойствах композиционных материалов и смесевых энергетических материалов при ударно-волновых воздействиях и термоударе явно недостаточны. Построение уравнений состояния полимерных и композиционных материалов затрудняется большим разбросом в данных по коэффициенту Грюнайзена этих материалов. Неясен в целом вопрос об универсальности коэффициента Грюнайзена для различных типов импульсных воздействий.

Поглощение поверхностным слоем, проникающего корпускулярного или иного излучеьия и вызванные им ударно-волновые явления могут приводить к различным нежелательным явлениям в конструкциях РКТ. По мере уменьшения интенсивности импульсного воздействия это могут быть:

I. Инициирование детонации или горения заряда смесевого энергети-

ческого материала.

2. Разрушение элементов конструкции.

3, Расслоения, отколы в материалах наружного теплозащитного покрытия (ТЗП), корпуса, к смесевого энергетического материала.

В 'связи с этим актуальность работы определяется острой необходимостью в информации о свойствах конструкционных материалов, твердых топлив и защитных покрытий. Эти данные важны для определения стойкости РКТ к мощному импульсному рентгеновскому излучению и другим высокоэнергетическим воздействиям, а также для оптимизации состава и структуры защитных покрытий. Кроме того, полученные экспериментальные данные могут быть использованы при численном моделировании процессов утилизации РКТ. Ш1ульсные воздействия, интенсивность . которых выие достаточных для1 возбуждения детонации, изучать, по-видимому, нецелесообразна. Приведенный обзор явлений не исчерпывает все возможные процессы, которые могут происходить в конструкциях при действии потоков энергии.

Целью работы является анализ факторов мощных импульсных воздействий на материалы и конструкции РКТ, построение определяющих соотношений для математического моделирования ударно-волновых и теплофизических процессов в конструкциях, подвергшихся такого рода воздействиям.

Научная новизна и практическая ценность работы

Новизна результатов диссертационной работы заключается в:

1." Результатах измерений профилей давления в смесовых энергетических материалах в процессе инициирования и развития детонации, позволивших численно описать их поведение в ударных и детонационных волнах.

2. Результатах измерений ударной сжимаемости и откольной прочности ряда композиционных материалов.'

3. Методе и результатах оценки воздействия потоков энергии на гетерогенную среду.

Развитые в'диссертации подход и определение основных свойсть риалов используемых в РКТ позволяют прогнозировать результаты воздействия мощных импульсов проникающего излучения на элементы конструкций РКТ. Полученные результаты были использованы для интерпретации натурного физического опыта. Предложенная модель эффективно-

го коэффициента Грюнайзена может быть использована для определения оптимального количества содержания тяжелых элементов в создаваемых покрытиях и пересчета давления возникающего в гетерогенной среде при импульсном воздействии излучений различных типов. Реализованная в экспериментах методика измерения эффективного коэффициента Грюнайзена позволила аттестовать ряд материалов с позиции генерации в них ударных волн в условиях быстрого объемного энерговыделения. Результаты экспериментов' использованы в промышленности на предприятиях ЛНПО "Союз", НПО "Композит", ВДИИМАШ, В/Ч 12462 в 1988-1994 годах. \

\

Положения, выносимые на защиту \

1. Метод и результаты оценки эффективного коэффициента Грюнайзена смесевых и композиционных магтерйаглов в условиях быстрого объемного энерговиделейня в завио&йста от содержания в них тяжелых кошонектов. ■ •

2. Результаты зхеггериизтгеэльного исследования макрокинетики взрывчатого превращения тишчшго смесевого твердого топлива в ударных и детонационных волнах.

3. Метод оценки уравнения состояния продуктов детонаций путем анализа экспериментальных профилей давления пересжатой детонации в двух сечениях образца, для которого необходимо минимальное число взрывных экспериментов.

4.. Способ регулирования критического диаметра детонации смесевых твердых топлив, содержащих высокоактивный окислитель, с использованием 7-излучения.

Апробация работы. -

Материалы диссертации опубликованы в центральных научных журналах и сборниках (1-16) и докладывались на 6-, 7--, 8-, 10-ом Международных совещаниях по уравнениям состояния вещества (Эльбрус 1988, 1990, 1992, 1994 годах), на 1-ом -Всесоюзном совещании "Физика и техника высокоскоростного удара" (Владивосток 1990), на конференции "Мощные электрофизические установки, физика плазмы и пучков заряженных частиц" Ноорус (Эстония) в 1990 и 1991 годах. Методы оценки уравнения состояния продуктов детонации из измерений профилей давления при пересжатой детонации докладывались на 2-ой Международной конференции по пиротехнике и взрыву в Пекине

(1991г.), На конференции 19th International Symposium on Shock Waves (Marseille, 1993). Методы исследования уравнений состояния при воздействии импульсного электронного пучка на полимерные Материалы на конференции Shock Compression of Condensed Matter (США, 1991г.), На 2-ом Всесоюзном симпозиуме по радиционной плазмодинамике, МГТУ, 1991, на международной конференции "Ударные волны в конденсированных средах" (С-Петербург, 1994г.).

Структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем составляет страницу машинописного текста, из них: основного текста стр., рисунков- /в стр., список цитируемой литературы на 14 стр. (126 наименований).

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении рассмотрены основные вопросы диссертационной работы, отмечены те из них , которые, определили ее научную новизну и актуальность. Выделены положения выносимые на защиту, ' дано краткое описание структуры и содержания работы.

Первая глава содержит краткие сведения из механики сплошных сред и уравнений состояния вещества. Рассматривается образование импульса механической нагрузки при мгновенном действии рентгеновского и электронного излучений. Показано, что быстрое объемное энерговыделение создает в конденсированной преграде знакопеременный импульс сжаГия-растяжения, который затем распространяется вглубь конструкции. Обсуждается техника экспериментов и диагностика, используемые в работе. Для измерения параметров импульса в исследуемых композиционных и энергетических материалах использовались манганиновые датчики давления, электроконтактные датчики и дифференциальный лазерный интерферометр.

Вторая глава содержит результаты измерений ударной сжимаемости и откольной прочности ряда конструкционных материалов [3,6,8,10]. Современные конструкционные материалы РКТ - это композиционные материалы на основе 'полимерных и углеродных, волокон с

использованием эпоксидной смолы, в качестве связующего компонента. Анализ и численное моделирование процессов мощного импульсного энерговыделения в композитах требуют знания теплофизических свойств используемых веществ в широком спектре возникающих физических состояний. Однако имеющийся набор опытных данных об уравнениях состояния и механических свойствах композиционных материалов в требуемом диапазоне параметров явно недостаточен.

Ударная сжимаемость композиционных материалов определяется сжимаемостью компонентов, в частности - свойствами эпоксидной смолы, используемой в качестве полимерной матрицы. Очевидно также, что верхним пределом откольной прочности композитов, в направлении перпендикулярном армированию, также является откольная прочность эпоксидной смолы. В диссертационной работе проведены измерения и получены данные по ударной адиабате и скоростям звука в ударно-сжатом состоянии для органо- и углепластиков и эпоксидной смоли (ЭДГ-10 с плотностью 1.2г/си3).

Для построения ударных адиабат и определения скорости звука в ударно-сжатом состоянии вещества проведены измерения профилей давления в двух последовательных сечениях исследуемого образца. Профили давления измерялись манганиновыми датчиками. Ударные волны в образцах генерировались алюминиевыми ударниками, разогнанными продуктами взрыва. Экспериментальная сборка для исследования эпоксидной смолы ЭДТ-10 показана на рис. 1а, а типичные профили давления - на рис. 16. Точка с максимальным давлением получена по методу "отражения" электроконтактным методом. Для нагружения использовали алюминиевый ударнйк толщиной 2мм со скоростью 5.3км/с.

Непосредственно из результатов регистрации профилей давления определялись скорость ударной волны и давление за ее фронтом, что дает точку на ударной адиабате. По моментам прохождения фронта волны разрежения черег. первый и второй датчики определяли скорость звука в координатах Лаграь,:? при этом давлении. Полученные результаты я п-г7 координатах приведет. сис. 2а. Полученные экспериментальные данные показывают, что ударная сжимаемость смолы ЭДТ-10 близка к сжимаемости эпоксидной смолы Ероп-82ь.

В аналогичной экспериментальной постановке были п^г-~?чы исследования ударной сжимаемости органо- и углепластика, с начальными плотностями 1,12 и г/см3 соответственно, до давле-<140 кбар и на оснпу.е тешченн^:? информации построены уравнения ...... стцх материалов.

Постов .сомни....—" варьироваться ь -«тельных преде-

□ г

JO

P. Oh

г 1 \

N \

t г 3 ¥ /,*Ж

Рис.1 Схема эксперимента для исследования эпоксидной смолы (а). Алюминиевый ударник толщиной 10 мм (4), разогнанный продуктами детонации зарядов I и 2 до скорости 2.50км\с, ударяет по образцу ЭДТ-10 защищенному алюминиевым экраном 6 толщиной 4мм. 7,8 -образцы ЭДТ-10, 11,12-мангашшовыё датчики. Профили давления в двух сечениях образца (б). Первый датчик расположен на границе между экраном и ЭДТ-10, второй - на глубине 9.8 мм внутри образца ,

X ело

Е

лс

d 4.1X1 2.00

д

Л Л □

Л & Г

(1 i к

г

1.00 2.00 3 00'

u, km/s а

о,т

а,.т

ше

с,ш V, cuJ

Рис. 2. а- Ударная сжимаемость эпоксидной смолы : а - ЭДТ-10,

а - epon 828, б- Ударные адиабаты синтетического графита (а), углепластика (б) и эпоксидной смолы (б). Эксперимент: I -LASL Shock Hugoniot Data / Ed. S.P.Marsh. - Berkeley: Univ, or California Press, 1980, 658 p. , Z - Трунил Р.Ф. и др.//КЭТФ. 1969. т.56. В.4. C.II69, 3 - данная работа. Расчетные аддитивные ударные адиабаты органопластика - 4

лах. Между тем известно, что для широкого класса веществ (смесевыэ составы, сплавы) информация об ударной сжимаемости исходных компонентов позволяет построить по соотношениям аддитивности их ударные адиабаты, хорошо согласующиеся с экспериментальными зависимостями. Учет этого обстоятельства дает основание применить аддитивный подход для получешм ударных адиабат органо- и углепластика и провести сопоставление экспериментальных и расчетных результатов. На основе принципа аддитивности с использованием известных из эксперимента ( LASL Shock Hugonlot Data / Ed. S.P.Marsh. - Berkeley: Univ. of California Press, 1980, 658 p. ) ударных адиабат полиэстера и эпоксидной смолы, а также полученных в работе данных по ударной сжимаемости эпоксидной смолы, был выполнен расчет ударной адиабаты смесевого состава, идентичного органопластику.

Расчетные и экспериментальные данные по ударной сжимаемости углепластика и его исходных компоне^ов - эпоксидной смолы и синтетического графита, выбранного в качестве аналога углеродного волокна, представлены на рис.20. Там же нанесена ударная адиабата углепластика, построенная аддитивным образом по расчетным адиабатам компонентов.

Измеренные значения скорости звука заметно превышают величину расчетной изэнтропической скорости звука, что, по-видимому, обусловлено сложной реологией исследуемых материалов. Если предположить, что органо- и углепластики обладают упругопластическйми свойствами, то, считая измеренную скорость распространения возмущений продольной скоростью звука и используя расчетные значения изэнтропической скорости звука, можно определить величину коэффициента Пуассона (v).

V- (Ц-1)/(|Л+1),

где (х-зсс^/с^), Сь- объемная (изэнтропическая) скорость звука, Соизмеренная скорость фронта волны разрежения. Подобная совместная обработка показала, что значение коэффициента Пуассона практически постоянно и для органопластика в интервале давлений. 2.0+4.0 ГПа равно 0.40+0.02, а для углепластика в диапазоне давлений 3.0+15.0 ГПа составляет 0.24±0.03. Следует отметить, что эти величины близки к характерным значениям коэффициента Пуассона для твердых тел. 1

Откольная прочность ЭДТ-Ю определялась из анализа профиля скорости движения свободной поверхности образца при выходе на нее

О :

1000 800 700 600

и \ 5

N у1

0.5

1.0

1.5 Маю

Рис.3. Схема эксперимента по исследованию откольной прочности ЭДГ-10 (а). I-взрывная линза; 2-оелабитель (стальной диск диаметром 120мм и толщиной 20мм); 3-ударник; 4-ЭДГ-10. Плексовый ударник толщиной 1.4 мм ударяет со скоростью 850 м/с по образцу ЭДТ-10 толщиной 4.5 мм. Скорость свободной поверхности образца (б).

1.5 ^.'-А: з.О

Рис. 4. Результаты измерений профилей давления манганиновыми датчиками (а). Экспериментальные данные (сплошная линия), результаты численного моделирования (штриховая линия). Расстояние между манганиновыми датчиками А-А-1см, В-В-0.5см, Д-Д-1см, С-С-1см. Давление-массовая скорость-диаграмма (0). 0-2 - ударная адиабата для энергетического материала 3-5- иззнтропа продуктов детонации; 0-1 - ударная адиабата алюминия

ударной волны, которая регистрировалась с помощью дифференциального лазерного, измерителя скорости, (visar) . Схема, эксперимента приведена на рис. За. Измеренная зависимость скорости движения свободной поверхности от времеш! приведена на pip. 36. Из полученной зависимости w - w(t) можно определить разность меаду максимальной скоростью и приходом откольнрг;о Щ1ульса aw, - 210 м/с. От-кольная прочность определяется затем по известному соотношению:

о =• 0.5 р с AW, - 0.33 Ода,

где р = 1,.2 г/см3, с-объемная скорость звука. Полученную величину откольной прочности эпоксидной смолы можно прокомментировать исходя из известных данных Асташша В.В. и Романченко В.И. ( Механика, компрзидаршшх материалов. - 1984.- M.- с.731-734.) и Новикова С,А. с сотрудниками (ПМТФ.- 1987.- NÇ.- с.140. ) по откольной прочности стеклопластика АГ-4, стеклотекдт^лида,, асботекстолита и текстолита. Измеренные значения откольной прочности, этих композитных материалов находятся в пределах 0.1-0.3Гпа, что несколько ниже -величины откольной прочности полимерных связующих. Композиционный материал на основе кевлара (Keviar-49) с эпоксидным связуицим исследовался В работе Tokhem R.E.C сотрудниками (Characterization of Spall in Kevlar/Epoxy Composite, Shock Compressed of Condensed blatter 1989, Elsevier Science Publishers p.473.). Полученная' величина откольной прочности оценивается величиной 0.05 ГПа для импульсов длительностью I мкс.

Третья глава посвящена исследованиям ударной сжимаемости и макрокинетики взрывного разложения в'ударных волнах для смесевого энергетического материала (ЭМ) [II-I3, 15]. Насколько нам известно, в настоящее время для отечественных энергетических материалов подобных данных нет. Между тем, эта информация необходима для расчетного прогнозирования высокоэнергетическнх воздействий. Энергетическими материалами в литературе часто называют смесевые твердые ракетные топлива (СТРГ), когда имеют в виду способность этого класса веществ к горению и детонации.

Процесс разложения твердых взрывчатых веществ (ВВ) в ударных волнах имеет очег-.-^-Я характер и, как правило, но описывается кинетика -;pptiimycoBCKoro типа. В некоторых случаях для индивидуаль-твердых ВВ оказалось возможным создать замкнутую модель процесса с последовательным расчетом развития очагов в ударных вол-

нах. Однако, реализация такого подхода даже в случае индивидуальных ВВ затруднена необходимость» определения многочисленных структурных, реологических и теплофизических характеристик вещества в широком интервале температур и давлений. По этой причине с точки зрения практического применения более предпочтительным является эмпирическое построение формально-юшетических зависимостей интегрального характера.

Наиболее эффективным методом изучения макрокинетических закономерностей в настоящее время представляется метод, основанный на сочетании измерений эволюции импульса сжатия в СТРТ с математическим моделированием процесса. При этом требуется минимальное число экспериментов. Такой подход реализован в данной работе для типичного энергетического материала,

В двух сечешях образца размещались манганиновые датчики, непрерывно регистрирующие профили давления в ударной волне. Первый датчик расположен на границе между образцом СТРТ и инертным экраном, через который в образец вводился одномерный импульс сжатия первоначально прямоугольного профиля, второй - на глубине 10' мм. Волны сжатия возбуадались плоскими ударниками. Начальная амплитуда ударной волны (УВ), входящей в исследуемый образец СТРТ варьировалась изменением скорости ударника и материала экрана (алюминий, медь). Погрешность экспериментов не превышала 5% по давлению и 1,5% по времени.

По найденным значениям давления на грашще раздела и известным параметрам ударной волны в экране методом отражения определена ударная адиабата исследовавшегося топлива, которая хорошо аппроксимируются линейной зависимостью I) = 2.43 + 1.92 И (км/с;.

Для получения уравнения состояния продуктов детонации был использован анализ профилей давления в образце при инициировании пересжатой детонации. В экспериментах ударная волна переход--, из образца топлива толщиной 10 мм в толстую фторопластовую пластину. Профили давления на контактной границе СТРТ с алюминиевым экраном и на глубине 10 мм - на грашще с тефлоном приведены на рис. 4а (л—А). На профиле давления, регистрируемом первым датчиком, после первого скачка давления 1-2, происходит подъем давления 2~ь ^ "результате энерговыделения за фронтом УВ. Стационарный участок 3-4 соответствует давлению продуктов детонации и нарушается с приходом волны разрежения от тыльной стороны ударника. Бторой датчик регистрирует пик давления, за-.которым следует плато 7-8. Давление на этом плате несколько .кике регистрируемого первым датчиком, что

является следствием разгрузки продуктов детонации на фторопластовую преграду.

Записав все возможные связи, в переменных Р-Ч7, между измеряемыми в эксперименте давлениями Р ,• Рл, Р7, Рг (см. рис.40) с учетом известных уравнений состояния алюминия и фторопласта, а также уравнение состояния продуктов детонации, апроксимированное политропой, получили систему уравнений . для определения неизвестного уравнения состояния, решение которой дало уравнение состояния продуктов детонации в виде

Найденное уравнение' состояния продуктов детонации и условие Чепмена-Жуге позволяют вычислить параметры нормальной детонации

V = V п /( п+1) = 0.453 101 м3 /кг

п а

рп = Р3(У3/Уп)П = 11'б ГПа Б= [ 7 Р_(п+ И)"2- 6.01 км/с,

о П

где Чп, Рп, Бп - удельшй объем, давление в плоскости Чепмена-Жуге и скорость стационарной детонации.

С целью определения кинетики разложения СТРТ в ударных волнах проведено математическое моделирование эксперт,тентов. Численным методом интегрировалась система уравнений движения сплошной реагирующей среды, включающая уравнения сохранения массы, количества движения и энергии, а также уравнения состояния и кинотики. Уравнение состояния твердого топлива в процессе инициирования строится в предположении, что давление в конденсированной фазе (КФ) и продуктах детонации (ЩР равны. Удельный объем смеси првдставляпся в виде аддитивной суммы объемов кбмпонентов. Уравнение состояния СТРТ строилось в виде, обеспечивающем выполнимость квазиакустического приближения для скорости ударной волны и скорости звука:

V .--- V + 1п1 ( р2 сг т4Ър Р)/р* с' )/4Ър ,

1 О I 'о 1 о ' о 'о

где В = с Ь и - ударная адиабата СТРТ, а V - его начальный сдельный объем. Для описания процесса инициирование использовали котику описывающую горение очагов за фронтом ударной волны.

¿3= К a^(i-a)1 Е , dt

где К, 7 - константы материала, Е - изменение удельной энергии во фронте ударной волны, проходящей через частицу. При расчете Е учитывали, что зарождение очагов, достаточное для их последующего развития происходит, начиная с некоторого минимального значения анергии Екр

Е = Р( Vo- V)/2 - Екр

Екр - ¿V V

где ?Кр=1,8 ГПа - максимальное давление в ударной волне, не вызывающей взрывчатого разложения при длительном нагружении; Укр-удельный объем, соответствующий сжатию при давлении Р„„.

нр

Одномерный гидродинамический расчет эволюции профиля сжатия проводился по схеме, предложенной в работе Уткина A.B., Канеля Г.И., Фортова В.Е. (Эмпирическая макрокинетика разложения флегма-тизированного гексогена в ударных и детонационных волнах. // ФГВ.-1989.- N5,- С.115. ). Результаты численного моделирования представлены на рис. 4а в сопоставлении с экспериментальными данными. Наилучшее описание всей совокупности Экспериментальных результатов получено при следующих значениях констант, входящих в соотношение кинетики энерговыделения.

К = 0.2 .Ю",с""1Дж~'Па~1кг, у = 0.3, Екр - 0.77 1<У Дж/кг.

Полученное уравнение состоя':-"- продуктов детонации, строго говоря, справедливо пп? слияний, существующих в продуктах детонации' в течение ~3 мк.;. В приведенных экспериментах за время регистрации не наблюдяру-я признаков вторичного энерговыделения, процесс определяем. по-видимому, разложением октогена в составе смесевого энерр-д-'неского материала. Однако при более длительных воздействия- возможен существенный вклад в изменение состояния в резуль"-гетерогенной реакции алюминиевой фракции топлива с п'- ^л'елэм. Однако для решения практических задач импульсных воздействий, с относительно малыми .длительностями фазы сжатия, полученные результаты вполне применимы.

Таким образом, уравмзние кинетики взрывчатого разложения и полученное уравнение состояния продуктов взрыва хорошо описывают

процессы инициирования и режимы нормальной и пересжатой детонации исследуемого энергетического материала.

В третьей главе представлены также результаты исследований влияния 7-излучения на критический диаметр дэтонации облученного энергетического материала. Показано, что начиная с некоторой величины поглощенной дозы, критический диаметр детонации уменьшается в несколько раз. Полученный эффект, вероятно, связан с появлением новых центров игашиирова1шя в радиационно поврежденных кристаллах окислителя.

Четвертая глава описывает исследования импульсного объемного энерговыделения на композиционные материалы [1,2,4,5,7,9,14,16]. При облучении материалов, представляющих собой смеси, существует некото'рое конечное время установления механического и теплового равновесия между компонентами, поэтому равновесные значения коэффициента Грюнайзена для таких смесевых материалов могут быть не применимы. В работе предложен метод оценки эффективного коэффициента Грюнайзена двухкомпонентной смеси при неравномерном поглощении энергии компонентами. В предлагаемом подходе использовали акустическое приближение.

Условия применимости модели: Характерные размеры компонент среды полагаем значительно

меньшими, чем глубина зоны энерговыделения Ш:

а,« ь; а « 11.

Время акустической релаксации кь.гчл компоненты (сГ/с^) и время энерговыделения (АО считаем много ->.лше времени акустической релаксации зоны энерговыделения (и/с). '

ь/с-, ^ * ь/с, ~

где с^-скорость звука в 1- компоненте. Время тепловой релаксации, компонент полагаем много больше по сравнению с временем их акустической релаксации.

<*, <«,*>■"« а, .

где эе1- коэффициент температуропроводности *-ой компоненты. В результате поглощения импульса энергии от внешнего источника ка:кн:чя

Т.:

компонента получила приращение удельной энергии е1. Суммарное из менение удельной энергии среды равно е. Давление в среде установится в результате акустической релаксации компонент и может быть найдено из условия равенства давлений в каждой среде:

Р - к,АУ, + т.РЛ " + Т.РЛ • (1)

где -к^ - Ср1с1)г, 1/р,, 1/р2- начальные удельные объемы первой и второй среды, и Ду2 - у22-у21-изменение

удельных объемов в результате взаимного деформирования компонент, 71- коэффициент Грюнайзена 1-ой компоненты. Вследствие деформации компонент приращение внутренней энергии изменится до величины е*.

у1г

" Е1+-Г

"и

Величина г - энергия деформации единицы массы 1-ой

компоненты. Полученное при поглощении энергии е давление р может быть записано через эффективный параметр Грюнайзена (7)

Р - 7 Р Е. (2)

где р - плотность гетерогенного материала. Удельный объем (У-1/р) для смеси, запишем, используя массовую концентрацию первого компонента а = га^/ш

V - а ví +(1- а) у2. (3)

После использования мгновенного энерговыделения уравнение

(3) приводится к виду

ду - и => аду^ (1-а)ДУг - 0. (4)

Поглощенная удельная энергия (Е) для смеси запишется в виде (используя массовую концентрацию первого компонента а )

Е - а е1 + (1- а) е2

(б)

е - а е | м1- а) е 1

V V

12 22

- а Е 1 + (1- а)Ед + а / рау +(1-а) / рйу.

(6)

С учетом (5) из уравнения (6) следует, что е*= е. При небольших давлениях ( до ~ 5 10' Ра) энергией деформации среды молю пренебречь ( т.е. е1= е! ), тогда решая систему уравнений (I), (2), (4), мы получаем соотношение для эффективного коэффициента Грикайзена

Т - 71<Р,/Р>(Е1/Е>А+7г(Р/Р>(Ег/Б)(1-А), (7)

где а - а /( а + (1- а)(к1/кг)).

Полученное выражение (7) справедливо при любом распределении энергий между компонентами и для любого типа излучешш.Соотношение (7) при а в интервале [0,11 не имеет особенностей и дает асимптотику, в области малых и больших концентраций, . к коэффициентам Грюнайзена индивидуальных материалов: а => 0, то-7 =» 7 ; а =» I , то 7 =» 7г.

Важным для практики является случай, когда е » е2 (т.е. только первый компонент среды поглощает энергию), Тогда соотношение (7) преобразуется к виду:

7 = 71(р/р)А.

Помимо расчетных оценок, в - диссертации проведено ■экспериментальное определение коэффициентов Грюнайзена при быстром •••'.-„охиом энерговьгделении. Схема экспериментов приведена на рис.5. В каче^.—- уточника энерговыделения использовался сильноточный пучок релятиЕН1,х-1.-тх электронов "Кальмар" (институт Атомной энергии и.1. И.В.Кур:-глра, лаборатория Демидова Б.А.). Для определения преобразован!:.: поглощенной энергии в давление, б экспериментах проводилась ре).-:,>-шия щкЧялей скорости движения тыльной поверхности образно с ',7»,мнением дифференциального лазерного интерферометра. Для получе1и-.л чоэффпцентов Грюнайзена по данным динамических эка:* ггплст-.'Н использовали •

Рис. 5. Схема эксперимента по измерению эффективного коэффициенте Гршайзена с использованием электронного пучка. I-исследуемый

образец; 2-диафрагма; 3-термопары; зеркала

а,б - 50% зеркала, г,в - 1005!

*

\1 К

■■ V \ V X 4

*

\

/ \

яи=п

ви=я

а)

0)

Рис. 6. Зависимость эффективного коэффициента Грюнайзена двухком-понеитной смеси . от массовой доли первого компонента (,а) (рз=5.6г/см3, С1 =2.?км/с, ^ =2.0). Второй компонент: рг=1.21г/см ,

С =1.43км/с, 7_=1.49; Сплошная линия- расчет по предложенной моде-

ли с отношением

е /е 1' г

=1.4, штриховая линия - с отношением 5.0.

лектронном 1 концентрации наполнителя (б Г

+ -экспериментальные даш^ш полученные на электронном ускорите "Кальмар*. Зависимость от концентраци "

аналитическое решение предложенное Перри (Perry f.c Thermoeiastic response of polycrystalline netals to relativistic electron beam absorption // J. Appl. Phys.- 1970,- V.41.- N12,- pp.5017-5022).

Выходными параметрами экспериментов являлись эффективные коэффициенты Грюнайзена веществ, которые сверялись с результатами численных расчетов. Для вычисления поправки, связанной с затуханием упругого импульса при его распространении в веществе, проводились эксперименты с образцами разной толщины.

Плотность энергии падающего пучка электронов в экспериментах составляла 1-5 Дж/смг. Для проверки полученного выражения для эффективного коэффициента Грюнайзена были изготовлены в НПО "Композит" образцы из полиэфируретанового каучука (ПЭК) с наполнителем из соединения лантана в виде сферических частиц диаметром 1-10 мкм. Использовалось 4 вида различных образцов, отличающихся разными концентрациями (массовыми) наполнителя: чистое связующее (ПЭК), связующее + 25% наполнителя (ПЭК-25), связующее + 60% наполнителя (ПЭК-60), связующее + 75Ж наполнителя (ПЭК-75). В таблице I приведены данные о плотности , скорости звука и размерах зон энерговыделения во всех пёречисленных материалах.

Таблица I.

Вещество ПЭК ПЭК-25 ПЭК-60 ПЭК-75

Р г/см3 1.21 1.27 2.05 2.35

S км/с 1.43 1.48 1.56 1.59

,зона энерговыделения h(мкм) 350 342 290 265

На рисунке 6а представлена расчетная зависимость коэффициента Грюнайзена материала ПЭК от содержания наполнителя. Сплошная кривая соответствует электронному облучению с коэффициентом неравновесности р=Е1/Еа=1.4, а прерывистая линия получена для рентгеновского излучения с р=Е1/Ег=5, там же представлены экспериментальные данные, полученныэ на электронном ускорителе. Как видно из рисунка расчет с величиной Е1/Е2=1.4 хорошо согласуется с результатами измерений. Отношение е^е =1.4 соответствует энергии электронов в интервале 200-300кэВ, а р=е^/е^ =5 соответствует рентгеновскому излучению с энергией 10кэВ. На рис. 66 приведены расчетные отношения 7е/ТрИ". Отношение соответствующих давлений пропорционально отношению коэффициентов Грюнайзена. Видно, что при 60 массовых процентах наполнителя величина давления, генерируемого электронным пучком в два раза превосходит давление от рентгеновского излучения

при равных поглощенных удельных энергиях. Этот эффект является следствием различного распределения поглощенной энергии между компонентами смеси. Отсюда следует, что чисто экспериментальное определение 7рИ с заменой источника рентгеновского излучения на электронный ускоритель невозможно. Тем не менее облучательше эксперименты на электронном ускорителе позволяют определить все параметры, содержащиеся в формуле (7) и, по вычисленному значению РрИ, рассчитать 7рИ. Приведенные оценки тепловой неравновесности выполнены совместно с НПО "Композит"(Ивонин И.А.) и ЖПО "СОЮЗ" (Юшков Е.С., Гафаров Б.Р.) и хорошо согласуются .

Таким образом, эффективный коэффициент Гршайзена гетерогенных материалов, или, как его еще называют, коэффициент генерации, в значительной степени зависит от условий облучения материала (вида излучения, спектра, мощности) и величина его может варьироваться в несколько раз. Тем не менее, оказывается возможным экспери-.ментально-теоретическое определение этого параметра для смесевых материалов по данным облучения на сильноточных электронных ускорителях с характеристиками/ близкими к тем, которые имеет ускоритель "Кальмар". В частности, в нашем случае, значения коэффициента Грю-найзена полученные на электронном ускорителе, являются верхней оценкой для рентгеновского излучения с энергией 10 кев. Помимо модельного материала, данная методика использована нами для исследования свойств ряда промышленных теплозащитных материалов, что позволило аттестовать их в условиях быстрого объемного энерговыделения

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены и?"с «in я ударной сжимаемости, откольной прочности и коэффициентов Пуассона ряда конструкционных материалоЕ (органопластика, углепластика и эпоксидной смолы ЭДТ-10). Подтверждена аддитивность ударных сжимаемостей. компонент в смеси полимерных материалов при давлениях ударного сжатия, включающих облает! деструкции.

2. .Исследован процесс ударно-волнового инициирование детонации типичного' энергетического материала. Предложен метод определения уравнения состояния продуктов детонации' топлива г.-результатам измерений профмей давления, перво»--

3. Путем численного ударно-волновых явлений i CTFT, включая рг: инициирования и детонации, оценень

параметры взрывного разЛожбШя состава 6 ударных волнах. Исследоваго влияние 7-Излу^еы(Я rftf критический диаметр детонации СТРТ.

4. Проведен анализ генерации давления в многокомпонентных веществах под действием импульсного объёмного энерговыделения в зависимости от теплофизических свойств компонентов.

5. Измерены эффективные коэффициенты Грюнайзена ряда перспективных и существующих теплозащитных композиционных покрытий.

6. Расчетным и .экспериментальным путем показано существование минимума на зависимости эффективного коэффициента Грюнайзена от концентрации поглощающего наполнителя в смеси.

. 7.Разработан численный метод пересчета эффективного коэффициента Грюнайзена для импульсного воздействия1 потоков рентгеновского и электронного излучений.

Основные результаты диссертации изложены в работах:

1. Бушм&н А-.-В., Воробьев О.Ю., Ефремов В.П., Ломонособ И'.б., Ни

A.Л., ФортОб' 6.4. Численное моделирование воздействия' 1кмЬуль-сного РИ на1 конденсироМШй> ¿реды / Препринт ОИХФ.- Черноголовка,

1990, C.I-50.

2. Воробьев О.Ю., Демидов Б. А., Ефремов ё\Й!., МЬрозой П. В. Применение сильноточного электронного пучка для ген'ёраЦки плоский ударных волн и метания ударников // Письма в ЖТФ.- f990.-T.I6.- ВЫП.22.- С.85-88.

3. Bushman A.V. , Efremov V.P., Fortov V..Е. , Kanel G.I., Lomonosov I.v.. EQUATION OF STATE OF COMPOSITES UNDER HIGH ENERGY DENSITIES Shock Coni>."C£5"im of ; Condensed Matter 1991, S. С. SCHMIDT • (ads . } 1992 Elsevier Science shers, pp. 79-82.

4. Fortov V.E. Efremov V.P.,, -.-->el G.I., Morozov P.V., Demidov

B.A. , Lomonosov I.V. Ni A. L. and Vorob cv С Yu. THEORETICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF SHOCK WAVE GENERAi10 BY HIGH ENERGY CHARGED PARTICLE BEAMS // Shock Compression of Conden^.; Matter.-

1991.- S.C.SCHMIDT (ads.) 1992 Elsevier Science Publishers.- p. 833-836.

5. Efremov V.P., Demidov B.A., Kane-1 G.I., Morozov P.V., THEORETICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF GRUNEISEN PARAMETER

HETEROGENEOUS MATERIALS // 8th International Conference "EQUAr с Г STATE".- M.: IVTAH, 1992.

6. ■ Бушман а.».,, г-»'»..- - R.n., Канель Г.И., Ломоносов И.В., Уткин

A.B., Фортов p.p., Юшков E.C., Ударная сжимаемость и уравнения состояния органопластика при высоких плотностях энергии // Химическая физда.- $992.- Т.Н.- N3.- С.410-414.

7. Воробьев О.Ю., Демидов 5.А., Ефремов В.П., Ивюш М.В., Морозов П.В. Применив сильноточного электронного пучка для метания искусственных откольннх пластин // В сб.: Экстремальные состояния вещества.- М.: ИВТАН, 1991, С.173-179.

8. Бушман Б.В., Ефремов В.П., Канель Г.И., Ломоносов И.В., Уткин

A.B. Фортов В.Е. Уравнения состояния композитных материалов при высоких плотностях энергии // В кн.: Экстремальные состояния вещества.- М: ИВТАН, 1991, C.I45-I5I.

9. Демидов Б.А., Ефремов В.П., Ивонин И.А., Морозов П.В., Фортов

B.Е. Возникновение многогорбовой конфигурации импульса давления при достижении параметров фазового перехода в зоне энерговыделения импульсного электронного пучка . // В кн: Второй Всесоюзный симпозиум по радидаонной плазмодинамике., том.2.- М.: Издательство МГГУ, 1991, С.75-76.

10. Бушман A.B., Ефремов В.П., Ломоносов И.В., Уткин A.B., Фортов В.Е. Ударная сжимаемость и уравнение состояния углепластика при высоких плотностях, энергии // Теплофизика высоких температур.-1990.-! Т.28.- N6.- С.1232-1234.

11. Ефремов В.П., Канель Г.И., Уткин A.B., Постнов В.Н. Методы оценки уравнения состояния продуктов взрыва смесевых составов // В кн.: Исследование свойств вещества в экстремальных условиях.- М.: ИВТАН, 1990, С.75-81.

12. A.c. N 230516 / Нишпал Г.А., Ефремов В.П..Преображенский Н.К., зарегистрировано в Государственном реестре.изобретений СССР 2 янв. 1986г.

13. Efremov V.P., Kanel G.I., Utkin A.V., Fortov V.E., PARAMETERS OF DETONATION AND KINETIC OF ENERGY RELEASE IN THECOMDO^;TE EXPLOSIVES / 19th International Symposium on Shf"^ "'..-г, book of abstracts, Marseille, July 26-30, 1993.

14. Ефремов В.П., Демидов Б-'-« панель Г.К., Морозов П.В., Теоретическое и эксперимр''-^"-^00 исследование коэффициента Грюнайзена гете^~~ —» *'этериалов // Химическая физика.- 1993.-

Т.12.- N? " '-35-

.«сг-jHKO В. M., Ефремов В. П. Разработка композиционных материглов с повышенными электро- и теплофизическими хрт-;л->зристиками. Работа на соискание звания лауреатов премии