Лазерное инициирование смесевых составов на основе тетранитропентаэритрита и включений ультрадисперсных металлов и углеродных материалов

Фурега, Роман Игоревич

Лазерное инициирование смесевых составов на основе тетранитропентаэритрита и включений ультрадисперсных металлов и углеродных материалов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Фурега, Роман Игоревич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Кемерово МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

02.00.04 КОД ВАК РФ

Диссертация по химии на тему «Лазерное инициирование смесевых составов на основе тетранитропентаэритрита и включений ультрадисперсных металлов и углеродных материалов»

Автореферат диссертации на тему "Лазерное инициирование смесевых составов на основе тетранитропентаэритрита и включений ультрадисперсных металлов и углеродных материалов"

На правах рукописи

Фурега Роман Игоревич

ЛАЗЕРНОЕ ИНИЦИИРОВАНИЕ СМЕСЕВЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ ТЕТРАНИТРОПЕНТАЭРИТРИТА И ВКЛЮЧЕНИЙ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ МЕТАЛЛОВ И УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

(Специальность 02.00.04 - физическая химия)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических каук

5 ДЕК 2013

Кемерово 2013

005541949

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт углехимии и химического материаловедения СО РАН

Научный руководитель доктор физико-математических наук

Адуев Борис Петрович

Научный консультант кандидат физико-математических наук

Нурмухаметов Денис Рамильевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Лисицын Виктор Михайлович профессор, ФГБО УВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»

доктор физико-математических наук Кузьмина Лариса Владимировна, доцент, ФГБО УВПО «Кемеровский государственный университет»

Ведущая организация: ФГБО УВПО

«Национальный исследовательский Томский государственный университет»

Защита состоится « го » /3. 2013г. в «И"*» часов на заседании Совета по защите диссертации Д 212.088.03 в ФГБО УВПО «Кемеровский государственный университет» (650043, г. Кемерово, ул. Красная, 6).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБО УВПО «Кемеровский государственный университет».

Автореферат разослан « ^ » _ И 201,3 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.088.03 доктор физико-математических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследовании

В настоящее время разработка смесевых составов на основе бризантных взрывчатых веществ (ВВ) и включений различных нано и ультрадисперсных материалов актуальна для создания конструкций детонаторов штатных ВВ, инициируемых лазерными импульсами для применения в промышленности и специальной технике. Светодетонаторы имеют ряд преимуществ перед применяемыми в настоящее время электродетонаторами. Одна из основных проблем - исключить инициирующее взрывчатое вещество из состава детонатора, заменив его модифицированным бризантным ВВ, которое сохраняло бы все свои основные свойства, но имело бы высокую чувствительность к лазерным импульсам. Последнее необходимо для того, чтобы имелась возможность применения относительно недорогих компактных источников лазерного излучения, что откроет путь такому изделию к широкому промышленному применению.

Фундаментальный аспект проблемы - исследование механизма лазерного инициирования ВВ, которое представляет собой сложную междисциплинарную задачу, не нашедшую еще окончательного решения. В соответствии с литературными данными инициирование взрыва ВВ при воздействии лазерных импульсов может происходить в результате оптического пробоя [1], за счет теплового взрыва в микроочагах [2]. В последнее время предложен механизм фоторезонансного инициирования, для повышения эффективности которого необходимо введение светорассеивающих включений в ВВ для увеличения пробега фотонов в материале [3].

Эксперименты с использованием лазерного инициирования смесевых составов на основе ВВ с ультрадисперсными включениями, позволят определить какой из этих трех процессов является доминирующим.

Цели и задачи работы

Целью работы является исследование вкладов в инициирование взрывчатого разложения смесевых составов на основе тетранитропентаэритрита (тэна) и включений ряда частиц ультрадисперсных размеров процессов оптического пробоя, светорассеяния, поглощения света при импульсном лазерном воздействии, исследование чувствительности наиболее перспективных материалов для светодетонаторов к удару.

Для достижения цели решались следующие конкретные задачи:

1. Исследование порогов взрывчатого разложения смесевых составов на основе тэна с включениями А1, Со, А1-С, наноструктурированного углеродного материала «КетегН®» в зависимости от концентрации включений.

2. Сравнительное исследование порогов взрывчатого разложения одного из материалов при инициировании первой и второй гармоникой лазера.

3. Исследование порогов взрывчатого разложения смесевого состава на основе тэна и включений алюминия при лазерном инициировании в зависимости от массового соотношения А1/А12Оз в частице.

4. Исследование оптических характеристик смесевых составов.

5. Исследование чувствительности наиболее перспективного материала для светодетонаторов к удару.

Научная новизна

- Впервые показано, что в исследованных смесевых составах инициирование взрывчатого разложения не связано с оптическим пробоем.

- Впервые показано, что рассеяние света включениями и увеличение вероятности поглощения матрицы тэна играет второстепенную роль, а основным процессов является поглощение света включениями.

- Впервые измерены коэффициенты поглощения света включениями алюминия в тэне.

Научная значимость работы

Выполненная в работе совокупность экспериментальных исследований лазерного инициирования смесевых составов на основе тэна и ультрадисперсных включений металлов свидетельствует в пользу тепловой микроочаговой теории взрыва. Тем самым работа вносит вклад в решение общей проблемы изучения механизма лазерного инициирования ВВ.

Практическая значимость

Смесевые составы на основе тэна и нанометаллов, обладающие высокой чувствительностью к воздействию лазерных импульсов и низкой чувствительностью к удару могут быть использованы в качестве материала светодетонаторов. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре теоретической физики КемГУ для подготовки магистров по направлению «Физика конденсированного состояния».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Экспериментальные зависимости критической плотности энергии лазерного инициирования смесевых составов на основе тэна и ультрадисперсных частиц А1, Со, А1-С, наноструктурированного углеродного материала «КетсгИ®» при плотности образцов р = 1,73 ± 0,03 г/см3 имеют вид кривой с минимумом. Оптимальная концентрация включений, при которой достигается минимальный порог инициирования импульсами УАлазера, составляет 0,1- 0,3 % по массе.

2. Результаты измерений порога лазерного инициирования смесевых составов (р= 1,73 ± 0,03 г/см3) с включениями алюминия первой и второй гармониками исключают механизм оптического пробоя.

3. Обнаруженный эффект увеличения порога лазерного инициирования смесевых составов (р = 1,73 ± 0,03 г/см3) на основе тэна и включений А1 с оксидной оболочкой с уменьшением массового соотношения А1Ш2О3 в частице связан с поглощением энергии лазерных импульсов металлическим ядром включения.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась калибровкой аппаратуры на тест-объектах, статистикой эксперимента, согласием с имеющимися литературными теоретическими и экспериментальными данными.

Личный вклад автора

Результаты, изложенные в диссертации, получены автором в совместной работе с сотрудниками лаборатории энергетических соединений и нанокомпозитов ИУХМ СО РАН, участие которых отражено в совместных публикациях. В совместных публикациях автору принадлежат результаты, сформулированные в разделах: «Основные положения, выносимые на защиту» и «Основные результаты и выводы» диссертационной работы.

Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных и российских конференциях: XIII международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово 2011); Всероссийской конференции «Химия, технология и применение высокоэнергетических соединений» (Бийск, 2011); XI Международной конференции Забабахинские научные чтения (Снежинск, 2012); Конференции молодых ученых «Актуальные вопросы углехимии и химического материаловедения» (Кемерово, 2012); Международной конференция по люминесценции и лазерной физике, посвященная 110-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки Российской Федерации профессора И.А. Парфиановича (Иркутск, 2012); 3rd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, 2012); VIII международная научная конференция "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах" (Томск, 2012); Международная конференция XV Харитоновские тематические научные чтения «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» (Саров, 2013); VIII всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2013)

Публикации. По теме диссертации опубликованы 20 работ, из них 8 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 129 страниц, в том числе 9 таблиц и 61 рисунка. Список литературы включает 142 наименований.

Работа выполнялась в рамках проекта базового бюджетного финансирования СО РАН «Модификация свойств взрывчатых веществ добавками наноразмерных энергоемких частиц» (№ госрегистрации -01201055791), а также поддерживалась грантом РФФИ №13-03-98032-р_сибирь_а «Лазерное зажигание энергетических материалов».

Основное содержание работы

Во введении отражены актуальность исследований, цели и задачи работы, научная новизна, научная и практическая значимость работы, защищаемые положения, достоверность полученных результатов.

Первая глава представляет собой обзор литературы. Описаны литературные данные по инициированию бризантных ВВ при прямом воздействии лазерного излучения. Рассмотрены способы инициирования ВВ с помощью взрываемой светом металлической пленки на его поверхности, инициирование и зажигание флаером, а также ВВ с добавками микронных и ультрадисперсных частиц различных типов. Описаны теоретические расчеты оценки эффективности поглощения лазерного излучения включениями металлов в прозрачных средах.

Вторая глава посвящена методике и технике эксперимента на базе УАО:Ш3+ лазера, работающего в режиме модулированной добротности (длительность импульса 14 не, длина волны на основной частоте 1,064 мкм, максимальная энергия в импульсе на основной частоте 1,54 Дж, вторая гармоника 0,532 нм, энергия в импульсе 0,82 Дж). Описана методика изготовления экспериментальных образцов. Использовались поликристаллы с различными добавками (смесевые составы) с плотностью р= 1,73 ±0,03 г/см3, изготовленные из порошка тэна с характерными размерами 1-2 мкм методом прессования. В качестве добавок использовались порошки алюминия (100 нм, УрО СО РАН), № (280 нм, КемГУ), Со (1 мкм, агломерат из наночастиц 150x50x20 нм, КемГУ), А1-С (220 нм, ИХТТМ СО РАН), наноструктурированный углеродный материал «КетегИ » (1 мкм, ИУХМ СО РАН). Приведены схемы измерения: пороговых характеристик взрывчатого разложения смесевых составов. Описаны схемы измерения некоторых оптических характеристик смесевых составов методом фотометрического шара и оптико-акустическим методом. Приведена схема измерения чувствительности исследуемых образцов к удару.

В третьей главе описано исследование взрывчатых характеристик смесевых составов перечисленных выше.

Измерялась зависимость вероятности взрывов для образцов с определенным содержанием включений (пример для включений никеля приведен на рис. 1). По кривым вероятности взрывов типа рис. 1 определялась критическая энергия инициирования Н^, соответствующая 50 % вероятности взрыва для образцов с различным содержанием включений. Результат представлен на рис. 2.

Рис. 1 Кривые вероятности взрыва Рис. 2. Пороги инициирования с

для различного содержания частиц различным содержанием наночастиц

никеля в образце. 1 - 1%, 2 - 0.3%, 3 в образце (обозначения на рисунке) -0.025%, 4-0.1%."

Минимальные пороги инициирования Нкр при оптимальной концентрации включений для исследованных смесевых составов представлены в табл. 1. Отметим, что инициирование образцов тэна, не содержащего включений не удается достигнуть при максимальной плотности энергии, доступной для данного лазера Н=120 Дж/см2. Таким образом, увеличение чувствительности к лазерному воздействию, например для включений алюминия, достигнутое в эксперименте составляет величину > 100. Как видно из табл. 1 в качестве добавки наиболее перспективным из исследованных материалов является алюминий.

Таблица 1.

Тип включения А1 А1-С «КстегН®» N1 Со

Нкр, Дж/см2 1,15 4 3,2 1,4 2,5

Массовая концентрация включений, % 0,1 0,3 0,2 ОД 0,1

На примере смесевого состава, содержащего алюминий исследовано влияние длины волны излучения лазера на порог взрывчатого разложения. Эксперимент проводился по той же схеме, но при воздействии второй гармоникой лазера. Оптимальная концентрация включений, как и на первой гармонике составила 0,1% алюминия по массе. Для сравнения результатов на рис. 3 представлены кривые вероятности взрывов для первой и второй гармоник от плотности энергии лазерных импульсов. Как следует из рис. 3 критическая плотность энергии, для первой гармоники Н(Ш]) = 1,15 Дж/см2, для второй гармоники Н(<в2) = 0,7 Дж/см2, т.е. на -40% ниже.

В следующей серии экспериментов проведено экспериментальное исследование порогов взрывчатого разложения смесевых составов на основе тэна и наночастиц А1 при лазерном инициировании первой гармоникой в

зависимости от массового соотношения ядро-оболочка (А1/А1203). Известно, что наночастицы алюминия покрыты оболочкой из оксида алюминия (АІ2О3), которая по мере хранения увеличивается. (Влияние этой оболочки на взрывчатые характеристики смесевых составов, содержащих включения алюминия до сих пор ни кем не исследовалось).

Рис.3. Зависимость вероятности Рис.4. Порог инициирования

взрывчатого разложения от взрывчатого разложения и

плотности энергии лазерного коэффициент эффективности

излучения при инициировании поглощения света QabS (по

первой (1) и второй (2) гармоникой, вспомогательной оси) для различных

Содержание добавок алюминия в долей алюминия в частице, образцах 0.1 мае. %.

В исходных образцах содержание А1 в наночастице измерялось с помощью приставки JEOL JED 2400 к электронному микроскопу JEOL JSM63901 А. Измерения дали величину х=74% по массе на частицу. (Порошок хранился в течение 5 лет) Дальнейшая процедура модификации содержания А1 в системе ядро - оболочка проводилась с помощью частичного отжига в дериватографе. Порошок А1 помещался в дериватограф и производился нагрев на воздухе со скоростью 10° в минуту. При этом отслеживалось увеличение массы за счет окисления А1. При достижении заданной величины нагрев прекращался. Процедура повторялась с новой партией порошка с нагревом до более высокой температуры и т.д. В результате получили наночастицы с содержанием металла 60 %, 47%, 30% и 13%. Измерение распределения по размерам полученных частиц по снимкам, сделанным на электронном микроскопе, показало, что в погрешности измерений распределение незначительно отличается от исходных частиц. Полученные порошки использовались для изготовления экспериментальных образцов.

Измерялась зависимость вероятности взрыва образцов с включениями 0,1% по массе с различным содержанием алюминия в наночастице от плотности энергии инициирующего импульса и определялась критическая плотность энергии импульса, соответствующая 50% вероятности взрыва Нк1,, которая представлена на рис. 4. Как видно из рис. 4 уменьшение содержания

металла в частице с 74% до 13% увеличивает порог взрывчатого разложения в 12,5 раза.

Для определения некоторых оптических характеристик смесевых составов с включениями алюминия проведена серия экспериментов методом фотометрического шара с использованием стационарного источника света с X = 643 им.

В первой серии экспериментов использовались образцы с содержанием включений 0,025; 0,05; 0,075; 0,1; 0,15 и 0.2 массовых процента, при этом толщина образцов составляла величину 0,13 ±0,01 мм. Определялись доля отраженной и рассеянной энергии Я, доля пропущенной энергии Т и доля поглощенной энергии А = 1 -Т-Л.

Результаты измерений, усредненные по 5 образцам для различных концентрации включений представлены на рис. 5

Рис. 5. Зависимость доли Рис. 6. Зависимость доли

пропущенной (Т), отраженной и пропущенной (Т), отраженной и рассеянной (Я), и поглощенной (А) рассеянной (Я), и поглощенной (А) энергии от концентрации энергии от толщины образца при включений А1 в образце. постоянном значении концентрации

включений А1 (0.02% масс).

Во второй серии экспериментов исследовалось поглощение света образцами с концентрацией 0,02% по массе, но варьировалась толщина образцов. Алгоритм экспериментальных измерений и последующих вычислений величин аналогичен предыдущему случаю. Результаты представлены на рис. 6.

Из результатов экспериментов можно сделать следующие выводы. Для прессованных образцов без включений значение Я близко к коэффициенту френелевского отражения для монокристалла (рис. 5). Действительно, при коэффициенте преломления п=1,54 для тэна френелевское отражение от передней и тыльной поверхности составляет Я = 0,09. Таким образом, матрица является слабопоглощающей и слаборассеивающей средой.

При переходе к образцам, содержащих включения, доля отраженной и рассеянной энергии увеличивается до ~ 15%. Однако в погрешности измерений эта величина практически не меняется ни при вариации

концентрации включений, ни при вариации толщины образца при заданной концентрации включений. Можно предположить, что увеличение доли отраженной энергии связано с технологией изготовления образцов с включениями и обусловлено в основном отражением от передней поверхности образца. Однако полностью исключить эффект рассеяния излучения включениями в объеме образца на данном этапе не представляется возможным.

Рассчитаны показатели наблюдаемого поглощения к = 1п(Т)/с1. В качестве Т использовали соответствующие значения из рис. 5 и 6. Результаты представлены на рис. 7.

О 0.2 0.4 0.6 0.8

400

300-

= 200-

100-

и,мВ

-200

>0.04

Рис. 7. Зависимость показателя Рис. 8. Типичные регистрируемые поглощения к (•) от концентрации оптико-аккустические сигналы для включений в образце. По различных концентраций включений вспомогательной оси: зависимость в образе.. 1 - 0.1%, 2 - 0.075%, 3 -показателя поглощения к (о) от 0.05%, 4 - 0.03%. толщины образца при постоянном значении концентрации включений (0.02% масс)

Измерение некоторых оптических характеристик было проведено независимым оптико-акустическим методом с использованием лазерных импульсов с X = 1,064 мкм.

Исследовался акустический отклик на лазерное воздействие образцов с содержанием включений А10,03; 0,05; 0,075; 0,1 масс %.

Прессованные образцы тэна, не содержащие включений, не дают акустического отклика. Таким образом, в пределах чувствительности регистрирующей аппаратуры, поглощение света и преобразование его энергии в тепловую не обнаружено, т.е. среда является слабопоглощающей. Напротив, образцы содержащие включения дают хорошо регистрируемые сигналы. На рис. 8. представлены осциллограммы импульсов сжатия для концентраций включений 0,03; 0,05; 0,075; 0,1 массовых процента.

За нулевую точку принято время перехода импульса сжатия в импульс растяжения. Спадающая часть импульсов сжатия хорошо описывается экспоненциальным законом с постоянной времени т = (ксо)" [4], где к -

показатель поглощения с фиксированным содержанием включений, с0 -скорость звука в среде. Скорость звука в образцах с включениями определяли экспериментально по временному интервалу I между первичным и отраженным сигналом со = 21/1, где 1 - толщина образца. В результате получили величину со = 2500 ±200 м/с. Из экспериментально рассчитанных значений (кс0)-1 определяли значения к для различных концентраций включений, которые представлены на рис. 9.

Рис. 9. Зависимость показателя Рис. 10. Зависимость вероятности

поглощения к от концентрации взрыва от высоты падения груза,

включений в образце. По 1 - для образцов, содержащих

вспомогательной оси: зависимость к2 от 0.1% наночастиц А1; 2-для

концентрации включений в образце «чистых» образцов тэна.

Использование исследованных образцов в качестве материала для светодетонатора перспективно только в том случае, если применяемая добавка, по крайней мере, не увеличивает чувствительность основного материала (в данном случае тэна) к механическим воздействиям, например, к удару.

В связи с вышеизложенным, в настоящей работе проведено испытание смесевого состава на основе тэна с включениями алюминия на чувствительность к удару.

Процедура подготовки смесевых составов аналогична описанной выше. Образцы изготавливались .методом прессования, имели характерные размеры 3x1 мм и плотность р = 1,73 г/см3. Образцы устанавливались на стальной плите, при этом поверхности их были свободными. Взрыв осуществлялся при сбрасывании груза массой 2 кг с высоты 50 см и фиксировался по громкому звуковому сигналу и световой вспышке.

Проводились испытания на образцах, не содержащих включения, а также с содержанием А1 0,1; 0,5; 1; 3 и 10% по массе. Для каждого типа образцов проводилось 25 испытаний, и определялась вероятность взрыва как отношение числа взорвавшихся образцов к общему числу образцов в серии. Результаты представлены в таблице 2. Как видно из таблицы 2 зависимость вероятности взрыва р от содержания алюминия в образцах имеет немонотонный характер. Минимальной чувствительности к удару соответствует максимальная чувствительность к лазерному излучению при

содержании 0,1% алюминия, что свидетельствует о различии механизмов в инициировании взрыва при лазерном и ударном воздействии. Для образцов, не содержащих добавки А1, а также образцов с добавками А1 0.1% по массе измерены также кривые вероятности взрывов в зависимости от высоты падения груза, представленные на рис. 10. Каждой экспериментальной точке соответствует 10 испытаний. \

Таблица 2. Зависимость вероятности взрыва от содержания включений алюминия в образцах при ударном воздействии.___

% А1 0 0.1 0.5 1 3 10

Р 0.75 0.35 0.45 0.65 0.9 1

В главе четвертой проведен анализ совокупности экспериментальных результатов, изложенных в третьей главе.

Проведен анализ результатов для включений металлов в матрице тэна, опираясь на результаты работы [5], в которой рассчитаны коэффициенты эффективности поглощения света (2аьз (г)= о(г)/агсом на длине волны 1064 нм, где а - истинное сечение поглощения света включением, агсом -геометрическое сечение поглощающего включения. Для использованных включений расчетные значения С2аь<,, согласно [5] в максимумах распределения используемых включений А1 (2аь3 = 0,19, для № С)аь3 = 0,82, т.е. поглощения света включениями № должно быть гораздо эффективней, однако Н,ф(А1) < Н,ф(№). По-видимому для различных материалов необходимо оперировать не <Заь3, а непосредственно величиной показателя поглощения К. В диссертации получено выражение для К:

(1)

4 А г

где х - массовая доля добавки включения, ро - плотность образца, рд -плотность частицы включения, г - радиус включения.

6 л, х 0.001 /рг

Рис. 11.

100 200 300 400 500

Зависимость С^ь/гра

от

радиуса включении в матрице тэна

Используя значения <Заъ5(г) из [5], Рм = 8,9 г/см3, рд1 = 2,7 г/см3 рассчитали зависимость (}аъДраг), которая представлена на рис. 11. Для размеров частиц в максимуме распределения гЛ1 = 50 нм и Гк; = 140 нм из кривой рис. 11 с учетом ха1=Х№ ~ Ю"3 определяли Кд1/К№ = 1,6, то есть коэффициент поглощения включений наночастиц А1 больше, чем включений № .

Большему коэффициенту поглощения должен

соответствовать меньший порог

зажигания в нашем случае Нкр^'/Нкр^1'= 1,2, что согласуется на качественном уровне с предлагаемой моделью. Для более точных оценок следует учитывать ряд факторов: распределение частиц по размерам, температуру нагрева индивидуальной частицы зависимость теплофизических

характеристик от температуры, отличие от сферической формы и т.д., что требует дальнейших теоретических расчетов.

Из приведенной модели следует, что для выбора металлов, которые могут дать наименьшие Н^, необходимо проведение расчетов СХОлДгрЛ выбор оптимальных значений этой величины, синтез наночастиц соответствующих размеров и проведение экспериментов по определению массовой добавки х, дающей наименьшее Нкр.

Пороги инициирования для А1-С и наноструктурированного материала "Кетегк" превышают таковые для металлов (см. табл. 1). Теоретический расчет (Заь и применение выше описанных методик невозможно, т.к. для этих материалов неизвестен комплексный показатель преломления. В диссертации обсуждены причины более высоких порогов взрывчатого разложения материалов, содержащих углерод, однако этот вопрос требует более детальных экспериментов с расширением круга углеродных материалов, вариации их размеров, экспериментальных измерений коэффициентов поглощения и т.д.

Сравнение экспериментов по инициированию смесевых составов на основе тэна и алюминия первой и второй гармониками неодимового лазера, с нашей точки зрения, позволяют исключить модель оптического пробоя в качестве доминирующего механизма инициирования взрыва. Действительно, критическую напряженность поля Ест при которой происходит пробой при воздействии лазерных импульсов можно описать формулой [6]:

где Есг°(0) - напряженность поля пробоя диэлектрика в статическом электрическом поле, ш - частота лазерного излучения, т - время релаксации импульса электрона в кристалле, которое, например, в случае ионных кристаллов может быть чрезвычайно малым т = 10"15 с.

В случае со2!2 « 1. зависимость Ест от частоты лазерного излучения отсутствует, в случае ш2т2 Есг(ш2) > ЕСГ(Ш]). Объемная плотность поглощенной энергии в образце \Уст~НсГ. С другой стороны = (ееоЕст )/2, следовательно, в случае инициирования химической реакции в результате оптического пробоя образца Н^к^Нс^Ш]). В эксперименте наблюдается прямо противоположный результат.

Более предпочтительным мы считаем второй вариант, связанный с поглощением света оптическими неоднородностями и их нагревом до очень высоких температур - «горячих точек», в окрестности которых инициируется химическая реакция.

В рамках теории Ми рассчитаны зависимости коэффициентов эффективности поглощения ОаЬз включений алюминия в матрице тэна для длин волн света 1064 и 532 нм от диаметра включений (рис. 12).

Отношение экспериментально определенных критических плотностей энергии на 1ой и 2ой гармониках составляет НеХсоО/Н^сог) = 1,64. Величина даЬз определяет долю падающей на поверхность включения энергии, которая поглощается, вызывая нагрев частицы и инициирование химической

(2)

реакции. Поэтому, отношение критических плотностей энергии для двух разных длин волн должно быть равно обратному отношению коэффициентов эффективности поглощения: Hcr(ft)l)/Hcr(CÜ2) = Qabs((B2)/Qabs(ffll)-

Согласно рассчитанным зависимостям, при уменьшении диаметра включений от 140 нм до 100 нм данное отношение возрастает с 1,37 до 3,43, что на качественном уровне согласуется с результатами эксперимента.

В следующем разделе проведено обсуждение результатов по

исследованию порога взрывчатого разложения в зависимости от массового соотношения AI/AI2O3 в наночастице. Включения с различной толщиной оксидной оболочки относятся к типу ядро-оболочка. В рамках

модифицированной теории Ми Аденом и Керкером [7] сотрудником лаборатории Звековым A.A. рассчитаны Qabs для наночастиц с различным массовым соотношением AI/AI2O3. Результаты расчета представлены на рис 4, из которого следует, что по мере увеличения доли окисленного алюминия в наночастице, ее ухудшается. Уменьшение Qabs (рис. 4). Энергия, поглощаемая

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 о

iL нм

Рис. 12.

200 400 600 800 1000

Зависимость коэффициента эффективности поглощения света С^ от диаметра алюминиевых включений

в матрице 532 нм

тэна. 1

1064 нм, 2 -

способность к сопровождается

поглощению увеличением

света Нч

включением, пропорциональна (2аьз- Соответственно, чем выше <Заьз, тем выше предполагаемая температура первичного очага реакции при одинаковых плотностях энергии излучения и радиусе включения. Поэтому наблюдаемый ход экспериментальных и теоретических зависимостей можно рассматривать как дополнительное подтверждение микроочаговой концепции лазерного инициирования тэна, содержащего ультрадисперсные включения металлов.

В следующем разделе проводится обсуждение результатов измерений оптических характеристик измеренных двумя независимыми способами: методом фотометрического шара и оптико-акустическим методом.

Оба метода дают линейную зависимость показателя поглощения к от концентрации включений (рис. 7, 9). Этот результат позволяет ответить на вопрос происходит ли поглощение света непосредственно включениями или они являются рассеивающими и увеличивают вероятность поглощения света тэном.

Если среда является одновременно поглощающей и рассеивающей, то согласно работе [8] показатель экстинкции к^:

ке(Г=13ка(ка+к5,)]ш (3)

где ка - показатель поглощения среды на данной длине волны ks = (1-q) ks -приведенный показатель рассеяния; q = <cos6> - средний косинус угла однократного рассеяния.

Рассмотрим случай, когда включения являются эффективными рассеивателями, а среда является слабопоглощающей. В этом случае ka=const ka«ks. Из (3) следует,

к^ЧЗкакз),

ks=asn,

где cts - сечение рассеяния света на включениях, п - концентрация включений.

Отсюда следует, что в этом случае должна наблюдаться линейная зависимость квадрата показателя экстинкции от концентрации включений. Однако, это противоречит данным для к, рассчитанным из эксперимента (см. рис. 7,9).

Рассмотрим другой случай. Поглощение света происходит непосредственно включениями, которые, возможно, также являеотся и рассеивателями. В этом случае kefr= [3aana (oana + o3ns)]1/2 ~ п, где оа- сечение поглощения света включениями, na = nä = n. В этом случае должна наблюдаться линейная зависимость к от концентрации включений, что и наблюдается в эксперименте (рис. 7, 9).

Таким образом, из результатов данной работы следует, что световые лазерные импульсы поглощаются включениями.

В последнем разделе обсуждается, обнаруженный эффект уменьшения чувствительноста тэна с включениями 0.1% алюминия к удару, что важно для практического применения этого материала.

В работе [9] показано, что нанокомпозиты и механические смеси ВВ с нанодисперсным алюминием, характеризуются исключительно высокой механической чувствительностью по сравнению с составами, содержащими порошок металла микронного размера. Дано объяснение полученным результатам, согласно которому возрастание чувствительности обусловлено дополнительным энерговыделением тепла при химическом взаимодействии компонентов в очагах механического разогрева.

Выше приведенные эксперименты не противоречат взглядам автора [9] при использовании > 3% добавок AI в образцы тэна. Однако образцы с содержанием AI < 3% в работе [9] не исследовались.

Предположительное объяснение наблюдаемого эффекта может быть следующим. При ударных воздействиях на пористые образцы происходит сжатие газовых включений до высоких давлений, что вызывает их нагрев и инициирование химической реакции [10]. При этом размеры газовых включений менее определенного критического значения химическую реакцию не инициируют [10]. Если предположить, что эффективный размер газового включения за счет попадания в него наночастицы AI уменьшается, то данный механизм работает менее эффективно, в частности с использованием добавки AI 0.1% по массе. Напротив, нагрев наночастицы лазерным излучением вызывает эффективное зажигание химической

реакции, как следует из наших экспериментов. При увеличении концентрации наночастиц >3% по массе ситуация меняется. Проявляются эффекты, рассмотренные в [9], приводящие к увеличению чувствительности к удару. Для лазерного воздействия, напротив, скопление наночастиц в близко расположенных точках пространства ведет к менее эффективному нагреву и повышению порога взрывчатого разложения.

Основные результаты и выводы

1. Измерены пороги взрывчатого разложения смесевых составов на основе тэна и ультрадисперсных включений А1, N1, Со, А1-С, наноструктурированного углеродного материала «КетегИ » в зависимости от концентрации включений при воздействии первой гармоникой лазера.

2. Определена оптимальная концентрация включений для смесевых составов плотностью р= 1,73 г/см3 с включениями А!, М, Со, А1-С, «Кетег 'и(0,1-0,3 % по массе) при которой порог лазерного инициирования минимален.

3. Результаты измерений порога инициирования смесевых составов, содержащих оптимальную концентрацию А1 (0,1%) при инициировании первой {Нкр = 1,15 Дэю'см2) и второй (Я^, = 0,7 Дж/см2) гармоникой неодимового лазера исключают модель инициирования оптическим пробоем и является аргументом в пользу микроочаговой теории лазерного зажигания.

4. Измерены пороги взрывчатого разложения смесевых составов на основе тэна и включений А1 при инициировании первой гармоникой лазера в зависимости от массового соотношения АУАЬОз в частице. Показано, что при уменьшении массовой доли А1 с 74 до 13 % порог взрывчатого разложения увеличивается в 12,5 раза, что связано с поглощением излучения металлическим ядром включения.

5. Измерены показатели поглощения смесевых составов с включениями алюминия в зависимости от концентрации включений методом фотометрического шара и оптико-акустическим методом. Показано, что с увеличением концентрации включений показатель поглощения возрастает линейно. Это позволяет сделать вывод, что поглощение света происходит непосредственно включениями, а вклад поглощения света тэном за счет рассеяния на включениях незначителен.

6. Экспериментально показано, что чувствительность к удару смесевого состава на основе тэна и 0,1 % по массе включений А1 уменьшается относительно чистого тэна, при этом порог лазерного инициирования для этого смесевого состава минимален. Эти факты позволяют рассматривать данный состав как перспективный материал для светодетонатора.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Адуев Б. П. Инициирование взрывного разложения тетранитропентаэритрита с добавками ультрадисперсных частиц лазерными импульсами / Б. П. Адуев, Д. Р. Нурмухаметов, Р.И. Фурега // Химия твердого топлива. - № 6. - 2012. - С. 41-45.

2. Адуев Б. П. Влияние добавок ультрадисперсных частиц А1-С на чувствительность пентаэритриттетранитрата к лазерному воздействию / Б. П. Адуев, Д. Р. Нурмухаметов, В. П. Ципилев, Р.И. Фурега // Физика горения и взрыва. - 2013. - Т. 49. - № 2. - С. 102-105.

3. Адуев Б. П. Взрывчатое разложение тэна с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны / Б. П. Адуев, Д. Р. Нурмухаметов, Р.И. Фурега, А. А. Звеков, А. В. Каченский II Химическая физика. - 2013. - Т. 32. - № 8. - С. 39-42.

4. Фурега Р. И. Лазерное инициирование смеси тетранитропентаэритрита и энергоемких наночастиц металлов и соединений / Р.И. Фурега, Б.П. Адуев, ДР. Нурмухаметов И Вестник КемГУ. - 2013. - Т. 3. -№3(55). С. 113-119.

5. Адуев Б. П. Laser initiation of pentaerythritol tetranitrate with additives of aluminium and alumina nanoparticles / B P. Aduev, D.R. Nunnukhametov, R.I. Furega II Известия высших учебных заведений. Физика. - 2012. - Т. 55. -№ 11-3.-С. 137-138.

6. Адуев Б. П. Investigation of the threshold explosive décomposition of PETN with additives aluminum nanoparticles under laser irradiation of différent wavelengths / B.P. Aduev, D.R. Nunnukhametov, R.l. Furega II Известия высших учебных заведений. Физика. - 2012. - Т. 55. - № 11-3. - С. 139-140.

7. Адуев Б. П. Инициирование композитных составов на основе тэна и наночастиц алюминия и оксида алюминия при импульсном лазерном воздействии / Б.П. Адуев, Д. Р. Нурмухаметов, Р.И. Фурега // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2013. - Т. 56. - № 1-2. - С. 10-12.

8. Адуев Б. П. Исследование пороговых характеристик взрывного разложения тетранитропентаэритрита с добавками наночастиц алюминия при воздействии первой и второй гармоник импульсного неодимового лазера / Б.П. Адуев, ДР. Нурмухаметов, Р.И. Фурега II Известия высших учебных заведений. Физика. -2013. - Т. 56.-Ш2-2.-С. 11-15.

Кроме того, опубликовано 12 тезисов докладов в сборниках тезисов российских и международных конференций.

Цитируемая литература

1. Таржанов В. И, Зинченко А. Д., Сдобное В. И.и др. // Физика горения и взрыва. 19%. Т. 32. №4. С. 113.

2. Александров Е.А., Вознгок А.Г., Ципилев В.П. // Фишка горения и взрыва. 1989. № 1 С. 3.

3. Aluker E D., Krechetov A.G., Mitrofanov A Y., Nunnukhametov D.R, and Kuklja M.M. // J. Phys. Chem. C. 2011.115 (14). pp. 6893.

4. Гусев В.Э., Карабутов A.A. Лазерная огггоакусппса. M.: Наука. 1991.

5. Крнгер В.Г., Калёнский A.B., Звеков A.A., Зыков И.Ю., Адуев Б.П. // Физика горения и взрыва. 2012. Т. 51. №6.

6. Сверхкороткие световые импульсы // Под ред. С. Шапиро, М.: Мир, 480с.

7. Aden AL., Kerker M // J. Appl. Phys. 1951.V.22.N. 10. pp. 1242

8. A. A. Карабутов, И М. Пеливанов, Н.Б. Подымова, С.Е. II Квантовая электроника. - 1999. - Т. 29, №3. - С. 215-220.

9. Теселкин В. А. // Химическая физика. 2008. Т. 27, № 8, С. 43-52.

10 B.L. Holïan, T.C. German, J.B. Maillet, G.T. // Phys. Rev. Lett V.89, № 28. 2002. p. 285501-1-285501-4/

Подписано к печати 11.11.2013 г. Формат бумаги 60х84'/1б Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 51. Редакционно-издательский отдел Института угля СО РАН 650065, г. Кемерово, пр. Ленинградский, 10

Текст научной работы диссертации и автореферата по химии, кандидата физико-математических наук, Фурега, Роман Игоревич, Кемерово

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт углехимии и химического материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук

На правах рукописи

04201453573

ФУРЕГА РОМАН ИГОРЕВИЧ

ЛАЗЕРНОЕ ИНИЦИИРОВАНИЕ СМЕСЕВЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ ТЕТРАНИТРОПЕНТАЭРИТРИТА И ВКЛЮЧЕНИЙ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ МЕТАЛЛОВ И УГЛЕРОДНЫХ

МАТЕРИАЛОВ

02.00.04 - физическая химия

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

профессор Адуев Борис Петрович

Научный консультант:

кандидат физико-математических наук

Нурмухаметов Денис Рамильевич

Кемерово 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

ГЛАВА I. ВЗРЫВЧАТОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ БРИЗАНТНЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)..............................................................11

1.1. Прямое лазерное инициирование взрывчатых веществ..........................12

1.2. Инициирование взрывчатых веществ с помощью взрываемой светом металлической пленки на его поверхности.....................................................21

1.3. Инициирование и зажигание флайером....................................................27

1.4. Инициирование взрывчатых веществ с примесями сильно поглощающими лазерное излучение................................................................31

1.5. Преимущество лазерного инициирования взрывчатых веществ...........33

1.6. Теоретические оценки эффективности поглощения лазерного излучения включениями металлов в различных средах................................35

1.7. Резюме..........................................................................................................41

ГЛАВА II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКА................................................................42

2.1. Объекты исследования...............................................................................42

2.2. Источник инициирующих импульсов.......................................................48

2.3. Схема измерения пороговых характеристик взрывчатого разложения смесевых составов..............................................................................................53

2.4. Методика измерения пороговых характеристик взрывчатого разложения смесевых составов на основе тэна и включений А1 в зависимости от массового отношений А1/А120з в частице............................55

2.5. Схема измерения оптических характеристик смесевых составов методом фотометрического шара.....................................................................57

2.6. Схема измерения оптических характеристик смесевых составов оптико-акустическим методом.........................................................................59

2.7.Схема измерения чувствительности смесевых составов к ударному воздействию........................................................................................................62

ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗРЫВЧАТЫХ И ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СМЕСЕВЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ ТЭНА И ВКЛЮЧЕНИЙ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫХ МЕТАЛЛОВ И УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИМПУЛЬНОМ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ....................................................................................................64

3.1. Измерение порогов взрывчатого разложения смесевых составов на основе тэна и включений AI, Ni, Со, А1-С, наноструктурированного углеродного материала «Kemerit®»B зависимости от концентрации включений...........................................................................................................65

3.2. Измерение порогов взрывчатого разложения смесевых составов на основе тэна и включений AI, в зависимости от массового соотношения А1/А120з в частице..............................................................................................77

3.3. Измерение оптических характеристик смесевых составов на основе тэна и включений AI с помощью фотометрического шара и оптико-акустическим методом.......................................................................................79

3.3.1. Метод фотометрического шара...............................................80

3.3.2. Оптико-акустический метод....................................................88

3.4. Измерение чувствительности смесевого состава на основе тэна и включений AI к удару........................................................................................91

ГЛАВА IV. АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ...............94

4.1. Пороги инициирования смесевых составов на основе тэна и включений AI и Ni первой гармоникой лазера...................................................................94

4.2. Пороги инициирования смесевых составов на основе тэна и включений А1-С и наноструктурированного углеродного материала "Kemerit"............98

4.3. Порог инициирования смесевых составов на основе тэна и включений AI второй гармоникой лазера..........................................................................102

4.4. Пороги инициирования смесевых составов на основе тэна и включений AI в зависимости от массового соотношения А1/А12Оз в частице. ............................................................................................................................104

4.5. Анализ результатов измерений оптических характеристик смесевых составов.............................................................................................................107

4.6. Анализ результатов измерений чувствительности смесевого состава на основе тэна и включений А1 к удару..............................................................110

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................112

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................................114

ВВЕДЕНИЕ

Тетранитропентаэритрит (ТЭН, РЕТ1Ч, пентаэритриттетранитрат) -эфир азотной кислоты - НКЮ3 и четырехатомного спирта пентаэритрита -С(СН2ОН)4. При образовании молекулы тетранитропентаэритрита происходит этерификация всех четырех гидроксильных групп пентаэритрита азотной кислотой, следовательно, формула эфира - С(СН2ОЖ)2)4. Тэн является одним из самых мощных взрывчатых веществ (ВВ) и широко применяется в промышленности. Широкое использование тэна обусловлено его мощными взрывчатыми свойствами, неплохой стабильностью, а также относительной простотой и доступностью производства. Пентаэритриттетранитрат также используется в медицине в качестве вазодилататора (сосудорасширяющего средства) и выпускается в продажу в виде таблеток "Эринит".

В настоящее время разработка смесевых составов на основе бризантных взрывчатых веществ (ВВ) и включений различных нано и ультрадисперсных материалов актуальна для создания конструкций детонаторов штатных ВВ, инициируемых лазерными импульсами для применения в промышленности и специальной технике. Светодетонаторы имеют ряд преимуществ перед, применяемыми в настоящее время, электро детонаторами. Одна из основных проблем - исключить инициирующее взрывчатое вещество из состава детонатора, заменив его модифицированным бризантным ВВ, которое сохраняло бы все свои основные свойства, но имело бы высокую чувствительность к лазерным импульсам. Последнее необходимо для того, чтобы имелась возможность применения относительно недорогих компактных источников лазерного излучения, что откроет путь такому изделию к широкому промышленному применению.

Фундаментальный аспект проблемы - исследование механизма лазерного инициирования ВВ, которое представляет собой сложную

междисциплинарную задачу, не нашедшую еще окончательного решения. В соответствии с литературными данными инициирование взрыва ВВ при воздействии лазерных импульсов может происходить в результате оптического пробоя, за счет теплового взрыва в микроочагах. В последнее время предложен механизм фоторезонансного инициирования для повышения эффективности которого необходимо введение светорассеивающих включений в ВВ для увеличения пробега фотонов в материале.

Цели и задачи работы

Целью работы является исследование вкладов в инициирование взрывчатого разложения смесевых составов на основе тэна и включений ряда частиц ультрадисперсных размеров процессов оптического пробоя, светорассеяния, поглощения света при импульсном лазерном воздействии, исследование чувствительности наиболее перспективных материалов для светодетонаторов к удару.

Для достижения цели решались следующие конкретные задачи:

1. Исследование порогов взрывчатого разложения смесевых составов на основе тэна с включениями А1, Ш, Со, А1-С, наноструктурированного углеродного материала «КетегН®» в зависимости от концентрации включений.

4. Исследование оптических характеристик смесевых составов.

5. Исследование чувствительности наиболее перспективного материала для светодетонаторов к удару.

Научная новизна

- Впервые показано, что в исследованных смесевыхо составах инициирование взрывчатого разложения не связано с оптическим пробоем.

- Впервые измерены коэффициенты поглощения света включениями алюминия в тэне.

Научная значимость работы

Практическая значимость

Основные положения, выносимые на защиту: 1. Экспериментальные зависимости критической плотности энергии лазерного инициирования смесевых составов на основе тэна и ультрадисперсных частиц А1, М, Со, А1-С, наноструктурированного углеродного материала «КетегИ®» при плотности образцов

р = 1,73 ± 0,03 г/см имеют вид кривой с минимумом. Оптимальная

концентрация включений, при которой достигается минимальный порог инициирования импульсами УАС:Мс13+ лазера, составляет 0,1- 0,3 % по массе.

2. Результаты измерений порога лазерного инициирования смесевых составов (р = 1,73 ± 0,03 г/см ) с включениями алюминия первой и второй гармониками исключают механизм оптического пробоя.

3. Обнаруженный эффект увеличения порога лазерного инициирования смесевых составов (р = 1,73 ±0,03 г/см3) на основе тэна и включений А1 с оксидной оболочкой с уменьшением массового соотношения А1/А12Оз в частице связан с поглощением энергии лазерных импульсов металлическим ядром включения.

Личный вклад автора

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных и российских конференциях: XIII международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово 2011); Всероссийской конференции «Химия, технология и применение высокоэнергетических соединений» (Бийск, 2011); XI Международной конференции Забабахинские научные чтения (Снежинск, 2012); Конференции молодых ученых «Актуальные вопросы углехимии и химического материаловедения» (Кемерово, 2012); Международной

конференция по люминесценции и лазерной физике, посвященная 110-летию со дня рождения заслуженного деятеля науки Российской Федерации профессора И.А. Парфиановича (Иркутск, 2012); 3rd International Congress on Radiation Physics and Chemistry of Condensed Matter, High Current Electronics and Modification of Materials with Particle Beams and Plasma Flows (Tomsk, 2012); VIII международная научная конференция "Радиационно-термические эффекты и процессы в неорганических материалах" (Томск, 2012); Международная конференция XV Харитоновские тематические научные чтения «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны» (Саров, 2013); VIII всероссийская научная конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (Томск, 2013)

Публикации По теме диссертации опубликованы 20 работ, из них 8 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Работа состоит из 4 глав. В первой главе приведен литературный обзор по инициированию бризантных ВВ при различных способах инициирования. Рассмотрены способы инициирования ВВ: при прямом воздействии лазерного излучения; с помощью взрываемой светом металлической пленки на его поверхности, инициирование и зажигание флаером, а также ВВ с включениями микронных и ультрадисперсных частиц различных типов. Описаны теоретические расчеты оценки эффективности поглощения лазерного излучения включениями металлов в прозрачных средах.

Во второй главе приведены методики экспериментов на базе YAG:Ncf+ лазера, работающего в режиме модулированной добротности (длительность импульса 14 не, длина волны на основной частоте 1,064 мкм, максимальная энергия в импульсе на основной частоте 1,54 Дж, вторая гармоника 0,532 нм, энергия в импульсе 0,82 Дж). Описана методика изготовления экспериментальных образцов.

В третьей главе описаны результаты экспериментального исследования взрывчатых характеристик смесевых составов: пороговых, оптических характеристик, чувствительности к механическим воздействиям.

Четвертая глава посвящена анализу полученных экспериментальных результатов.

Диссертация заканчивается заключением, где формулируются основные результаты работы и списком литературы.

ГЛАВА I. ВЗРЫВЧАТОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ БРИЗАНТНЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

В настоящее время достаточно активно ведутся экспериментальные исследования взрывного разложения бризантных взрывчатых веществ (ВВ) с использованием лазерного инициирования, поскольку бризантные ВВ имеют широкое практическое применение. Несмотря на то, что число публикаций по проблеме чувствительности ВВ к лазерному воздействию увеличивается, этот вопрос все же далек от решения. Это связано с многочисленностью взаимосвязанных факторов, определяющих процесс. В настоящем разделе рассматриваются экспериментальные работы, которые в той или иной степени необходимы для объяснения наших результатов, описанных в следующих главах.

Лазерное зажигание можно использовать для инициирования взрывчатых веществ, приводящего к их быстрому разложению с выделением большого количества энергии. Поэтому имеется необходимость детального исследования протекающих при этом процессов, вызванная потребностью в быстросрабатывающих и надежных взрывателях.

Согласно [1, 2] выделяют несколько способов лазерного инициирования бризантных ВВ:

— прямое лазерное инициирование, когда лазерный импульс направляется непосредственно на поверхность или внутрь заряда ВВ [3-5] (этот способ подробно рассмотрен в разделе 1.1).

— инициирование ВВ с помощью взрываемой светом металлической пленки на его поверхности [6].

— инициирование ВВ микролайнером (фольгой), разогнанным продуктами светового взрыва тонкого слоя вещества - аблятора [7].

— инициирование ВВ с примесями, сильно поглощающими лазерное излучение [8, 9].

В следующих разделах рассмотрены эти способы.

1.1. Прямое лазерное инициирование взрывчатых веществ

При инициировании взрывчатого разложения при импульсном лазерном воздействии выделяют три группы факторов, определяющих интенсивность ввода энергии и быстрого нагрева вещества [10].

Первая группа - это параметры лазерного импульса: длина волны, длительность импульса, распределение плотности энергии по сечению пучка.

Вторая группа - параметры ВВ: его формула, плотность монокристалла и исследуемого заряда, дисперсность, оптические характеристики, химические константы.

Третья группа - параметры определяющие геометрию воздействия на ВВ и его окружение: диаметр пучка, и его форма, прозрачная оболочка или ее