Об электрофизической природе взрывов в твердых телах при высоких давлениях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК РЕСПУБЛИКИ АРМЕНИЯ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНЫХ ПРОБЛЕМ ФИЗИКИ

РГБ ОД

/ , На правах рукописи

•' Ч 1?п>,

¿'V-. о !

АЙВАЗЯН ЛЕВОН ХАЧИКОВИЧ

ОБ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЙ ПРИРОДЕ ВЗРЫВОВ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ ПРИ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЯХ

01.04.07 - физика твердого тела

Диссертация написана на русском языке

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

ЕРЕВАН-1994

Работа выполнена в Ереванском гос.университете и Институте синтетических полимерных материалов РФ (г.Москва).

Научный руководитель доктор физико-математических наук, професоор Т.О.Караян.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук А.Ц.Саркисян

кандидат физико-математических наук,

заседании специализированного совета Д 005.20.01 при Институте прикладных проблем физики HAH РА по адресу: 375014, Ереван-14, ул.Гр.Нерсесяна, 25.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладных проблем физики HAH FA.

доцент

А.В.Дкамбарянц

Ведущая организация - Научно-исследовательский центр НПП "Наирит"

Защита состоится " X* " 1994 г. в час.

час. на

Автореферат разослан

II

1994 г.

Ученый секретарь clf ¿С&г^У^^-^ специализированного совета г Саркисян Ы.А.

§ I. КраткМ вводный обзор и постановка проблемы

I. Актуальность проблемы. Первым веществом, который "детонировал" (взрывался) и стал классическим в опытах П.В.Бриджмена, был целлулоид. Эти опыты проводилась в 30-40-ые годы нашего столетия. Объект помещался между плоскостями двух усеченных конусов, названными впоследствие наковальнями Бридшена, и подвергался одноосному сжатию (высокому давлению - ВД), а иногда и деформации сдвига (ДС). В общей сложности Бридамен исследовал поведение 57 элементов и 250 неорганических веществ при давлениях 0,5-1 ГОа. Бридшен получил, в значительной мере, за сами установки для развития гигант- ' ских всесторонних или двуосных сжатий, а главные его собственно научные результаты касались полиморфных превращений.

Бридамен будучи физиком классического склада ума катастрофические явления типа упомянутых взрывов склонен был расценивать как некие побочные и не очень интересные результаты.

Как часто бывает эти "побочные результаты' приобрели самодовлеющее значение, войдя составной частью в завершащуюся "тихую" революцию в материаловедении и открыв совершенно новые путги получения материалов, практические возможности использования которых еще далеки не только от исчерпания, но и понимания.

Несмотря на наличие Института Высоких давлений АН РФ, занимающимся, преимущественно, синтезом сверхтвердых солавов или искусственных алмазов, "црорыв" был совершен в ИХФ АН РФ группой акад.Н.С.Ениколопяна, выделившийся затем в отдельный Институт синтетических полимерных материалов (ИСПМ АН РФ).

Взрывы сами по себе не очень конструктивны, но зато позволяют пояснить многие сильные эффекты в геологии или геохимии. Понимание же таких эффёктов в материаловедении или физике Зеадга вряд ли требует дополнительных обоснований актуальности.

Если кратко - цепные физические иди химические процессы, о которых дальше пойдет речь, закладывают основу новых высоких технологий на грани плазмохишш и механических воздействий.

Детальные исследования при ВД показали, что физическая природа их связана с переходом электронов с внешних оболочек на внутренние незаполненнве оболочки. Аппаратура ВД - типа наковален может быть использована дая создания условий по интенсивному воздействию на твердые тела: на установках данного, типа величину ВД можно варьировать в пределах 0,1*10 ГПа и одновременно подвергать ис-

следуемые вещества воздействии сдвиговых напряжений, приводя их в состояние пластического течения. Конструкция аппаратуры такова, что одну наковальню можно вращать практически на любой угол, не сбрасывая давления и получая при этом больше степени деформации.

Впоследствие годы исследования при ВД и ВД+ДС проводились большей частью химиками, которые также наблюдали взрывы и считали нежелательными побочные эффекты.

Монографическая, обзорная литературы и даже специальные работы по физической природе взрыва практически отсутствуют. Есть чисто описательные работы, связанные с конструкцией установки по ВД и ДС, в которых имеется резонное допущение, что взрыв при ВД хорошо имитирует в миниатюре землетрясение. Гороздовский наблюдал жесткое излучение при этих взрывах. В.й.1Ъльданский резонно называет взрыв при ВД химическим ускорителем".

Однако в стороне остались воцросы, связанные с Физической природой взрыва. К началу, данного исследования практически не был исследован, в частности; и вопрос о влиянии взрыва при ВД на широко известные промышленные полимеры.

Выяснение физической природы взрыва и различных цри атом превращений могут послужить основой для создания новых, безотходных, экологически чистых процессов получения разнообразных соединений и технологий. Как-известно, необычные химические реакции идут и в простых мельницах, где осуществляется (в миниатюре) ВД + + ДР. № их рассматриваем как серию мшфопробоев. Таким образом, взрыв цри ВД является очень интересным явлением природы и заслуживает пристального внимания физиков - как теоретиков, так и экспериментаторов с целью создания общей физической теории этого явления.

Цель и задачи исследования. Постановка проблемы. Основными целями исследования являются:

1. Коренная реконструкция экспериментальной установки, относящейся к общему классу "Бриджменовских наковален", для экспериментального исследования взрывных процессов, которые позволили делать измерения в непрерывном динамическом режиме опытов.

2. Разработка методики точного измерения критических параметров для широкого класса полимеров (критические толщины, критические давления и др.), определяющих взрыв при ВД.

3. Выяснение физической природы взрыва при ВД.

4. Измерение продолжительности химических реакций при взрыве под высокими давлениями.

5. Исследование изменения морфологии полимерных пленок под воздействием сжатия и взрыва при высоких давлениях.

6. Структурные изменения в пленках полиэтилена низкой и высокой плотности под воздействием высокого давления с помощью рент-геноетруктурного анализа.

7. Обобщение некоторых других.взрывных (катастрофических) явлений, которые могут быть полезны при создании физической теории взрывов при ВД.

8. Качественная интерпретация полученных результатов.

Новизна и научная значимость. Впервые выявлена электрофизическая природа взрыва и возможность управления взрывами при помощи электрических зондов, а также образование плазмы при взрыве при ВД. Определены критические параметр! взрыва при ВД. Проведены детальные структурные исследования влияния ВД и взрыва при ВД на большой класс промышленных полимеров на электронно-мнкроскопиче-ском и рентгеновском уровнях. Определены времена протекания химических реакций при взрывах.

Предложен также другой подход (который наверняка может быть полезен при создании общей теории взрывов при ВД) к описанию катастрофических процессов при очень сильной одноосном сжатии.

Практическая значимость определяется предложенными аппаратурными решениями для взрывных процессовизменения структуры полимеров, а также рядом перспектив использования взрывных процессов для осуществления необычных химических реакций и получения новых веществ и материалов.

Достоверность полученных данных и предложенных интерцретаций следует из критерия практики и полного согласия предложенных интерпретаций с общими принципами физики твердого тела, химической физики и физики полимеров. '

Научная новизна рабохы отражена в выводах, приводимых в конце автореферата.

Научное и практическое значение работы. Впервые экспериментально доказана сложная природа взрыва, зключапдая электрофизические , плазмохимические и иные эффекты. Взрыв можно регулировать

электрическим напряжением ускоряя и замедляя его. Взрыв при ВД - это электрический пробой вещества с образованием плазмы, где происходят саше разные реакции - такие, как деструкпия полимеров (выделение газов) и выделение чистой меди из медного купороса, (мгновенный электролиз). Причиной взрыва может быть и образование зарядов разного знака по электроэластическому эффекту при сжатии полимеров с участием явления увеличения этих зарядов и напряженности электрического поля под влиянием наковальни.

Яри взрыве поликристадяических веществ происходит разрушение кристаллов разных размеров, через наковальни протекает ток (одна из наковален электрически изолируется от станины пресса - от заземления).

Определены продолжительности химических реакций, которые равны или меньше времени взрыва, они - порядка 1-10 мксек. Хотя общая энергия "запасенная" в веществе во время ВД, в абсолютном значении, может быть, и невелика, но то, что энергия, выделяемая за время порядка мксек, по простым расчетам может достичь гигаватт, приводит к мысли, что такие реакции могут служить-не только "химическим реактором", но и физическим "микрореактором", и причиной возникновения жесткого излучения. С нашей точки зрения, взрыв при ВД мож- • но использовать для исследования различных ядерных реакций в миниатюре, что делает очень актуальным исследование спектра излучений при £Ц - от оптического диапазона до гамма излучений.

Диссертация ввполнена в Ереванском государственном университете и иСШ АН РФ (Москва). Исследования проводились согласно научно-исследовательским планам названных институтов.

Диссертация состоит из 109 страниц, 8 параграфов, 32 рисунко.), 7 формул, 6 выводов, 151 библиографических названий.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в основном депонированных (две работы находятся в печати). В настоящее время в Армении такая форма публикации стала платной и аннотации депонированных статей вкходят отдельными брошюрами при ДрмНИИНТИ и по рангу приравниваются к "печатным работам". В условиях жесточайшей блокада Армении, когда вот уже в течение последних четырех лет в республике не выходят в свет академические и университетские научные журналы, депонирование является единственно возможной формой публикации результатов научного исследования. Однако мы твердо убеждены, что большая часть этих работ содержат пионерские данные и могу! быть опубликованы в любом научном журнале самого высокого ранга. Список статей приведен в конце автореферата.

- б -

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

§ I. Краткий обзор и постановка проблемы приведены во введении автореферата.

§ 2. Взрывные процессы в гибкоцепных полимерах вызванные применением высокого давления, вводные замечания.

Сравнительно недавно Н.С.Книколопян с сотрудниками показали, что при высоких давлениях и сдвиге происходят взрывы, при которых в полимерных и неполимерных телах протекают необычные химические реакции, открывающие возможность получения новых материалов и технологий.

В середине прошлого года В.А.Жорин, который является признанным авторитетом в области химической физики, указал на возмоа-ность развития неортодоксальных новых технологий, подвергая практически любые чистые вещества и смеси одновременно воздействию высоких давлений и сдвига. Правда, .ьорин вел все опыты в условиях, позволяющих избежать взрыва.

Взрыв требует грубого оборудования и, поэтому тонкий прибор типа инстрона, даже без оптических приставок, оказался бы для подобного рода исследований слишком "дорогим удовольствием". Ввиду этого до настоящего времени здесь приходится пользоваться такими установками, которые позволяют следить за геометрическим ходом деформации в спокойных (докритических; условиях, и не разрушаются от взрыва.

Незнание физической природы самого взрыва и невозможность структурных наблюдений по ходу дела привели к тому; что физическая "твердотельная" и химико-физическая (разветвленная цепная реакция) природа взрыва толком не анализировалась. В настоящей работе предпринята попытка провести сугуоо качественный, описательный анализ причин и характера взрывов под высоким давлением о привлечением классических термофлуктуационных представлении о разрушений твердых тел под нагрузкой.

Такая сугуоо качественная проработка первичной информации, полученной непосредственно из опытов, необходима при любых попытках построения количественной теории этих интересных явлений. Мы специально подчеркиваем это оостоятельство, чтобы избежать подозрений в лженоваторстве, сверхупрощении и т.п. Никаких претенвий на теорию, в истинном смысле этого олова, диссертация не содержит. Несмотря на это, автор считает своим важным достижением § 4- об

электрофизической природе взрыва, в твердых телах при высоком давлении. В методическом плане мы считаем правильным то, что сперва приведены экспериментыьные данные о критических параметрах. Это сделано для того, чтобы у читателя создалось целостное представление о внесенных в экспериментальную установку сущеовенных усовершенствований и о методике проведения опытов.

§ 3. Взрыв полимерных пленок при Вя: методика опытов, критические параметры.

Для получения ВД между рабочими поверхностями пресса помещают наковальни. Они представляют собой стальные циливдры, заканчи- . вавщке усеченными конусами малой высоты: усеченная и полированная часть конуса является рабочей поверхностью. В зависимости от усилия пресса и площади усеченного конуса-можно получить разные максимальные давления. Часто для создания давления сдвига (ДС) одну из наковален прокручивают с помощью рычага. Образец в виде порошка (смеси) иди твердого тела помещайся между наковальнями и подвергается сжатию (ЦЦ), а иногда сжатию и.сдвигу одновременно (ВД + ДС).

Вами была усовершенствована экспериментальная установка. Это усовершенствование заключалось в том, что к наковальням приваривались два кронштейна, к одному из которых крепился микрометр (рис.1).

aro давало нам возможность измерять толщину образца с точностью ± 0.UI мм. lipa проведении опытов по электрической природе взрыва наковальни электрически были изолированы от пресса (который был заземлен) при помощи полиэтиленовых и фторопластовых пленок и бумаг, которые менялись по мере надобности (во время серии взрывов они механически разрушаются). Осциллограф подключался к проводам, которые были приварены к наковальням.

О физической природе рассматриваемых явлении почти ничего не было извес.тно. Нас интересовал, прежде всего, этот вопрос. Бели взрыв, из общих соображений, должен развиваться по механизму разветвленной цепной реакции, то "запуску" ее должны были бы соответствовать некоторые критические условия. При постановке наших опытов удоонее всего найти критические давления и толщины пленок (последнее эквивалентно критической.массе). Возможность соответствующих измерений толщины ооразца в процессе сжатия достигается с помощью измерительного микрометра.

образцы пленок Ш205и1Ь, ПП2Ю30-10, ПЭШ1Ьа, ПЭВП277, ДС, Ш, 1ШИА толщиной 1.2, 1.6, ¿.г, 3.2 и 3.8 мм изготовлялись на лабораторном прессе.

fes^", * j 4 • 'д /'S ¿ÂjÀtj&CiL,_.^jiattÉifcéii

Рис.1. Измерительное устройство наковален. I. наковальня, 2 - Рабочие поверхности, 3 - Кронштейн, к которому крепится микрометр, 4 - Микрометр для измерения толщины образцов, 5 - Крепящийся винт, б - Кронштейн для измерений, 7 - Склеенный изолятор, 8 - Сваренные провода для электрических измерений.

па рис.2 приведены кривые зависимости толщинн образца А 1в данном случае - а.^ мм) от давления Т для сени вышеуказанное полимеров в квазистатвческом режима, т.е. с остановкой в каждой измеряемой точке. Надо отметить, что в начале изиерениа, после остановки пресса, образец "течет", но нас интересовал в основном конечный результат, т.е. та конечная толщина, которую можно было бы достичь при помощи нашего пресса.

* -- Г • ПП 205016

О !ГК

д пс

Ш ПЗЬП Z77 X ПЭНП I5S V ПИП* О /7/7 2iOiO-iO

№5 Цй 5.1) (.36 0.45

гас.2. Зависимости Л

от

м Р£ГПа) дян указанных полимеров

(начальная толщина пленок 3.2 мм).

Особо надо обратить внимание на кривую полистирола (ПС). Деформация (ПС) в области больших давлений происходит медленнее, образец как-бы "накапливает" больше механической энергии и взрыв у. него сильнее. После взрывов, в отличие от всех других полимеров, у которых между наковальнями остается тонкая пленка (толщина ~ ~8 мкм), у полистирола почти ничего не остается.

В таблице I приведены основные экспериментальные данные, относящиеся к взрыву полимерных пленок.

В таблице также приведены усредненные данные из 10 опытов. На I столбце Н (мм) - это толщина образцов (пленок) - соответственно 1.2, 1.6, 2.2, 3.2 и 3.8 миллиметров.

(ГПа) - среднее критическое давление (в гигапаскалях), при котором происходит взрыв.

л?» (ГПа) - остаточное (среднее) давление после взрыва.

"А (мм) - средняя критическая толщина при взрыве в милли-метрах._

<4 /) (мм) - средняя толщина оставшихся после взрыва пленок. ■ь_ (сек) - среднее время процесса сжатия в секундах.

(сек) - разброс времени процесса сжатия. Параметр ^ (сек) указывается с целью, чтобы показать, что в зависимости от скорости сжатия могут получаться разные и А «/» .Во время опытов наблюдается следующее: чем быстрее происходит сжатие, тем при меньших Р -р и больших Л иР. происходит взрыв. При медленном сжатии или сжатии с остановками, как в случае построения графиков (см. рис.2), вообще взрыва может не быть. Отметим также, что взрываытся порошки полимера, различные соли и смеси, кристаллы, только необходимо, чтобы их электрическая проводимость была бы маленькой. Поэтому, кристаллы кремния и германия взрываытся с трудом, а металлы вообще не взрываытся.

Из таблицы видно, что для ПС отсутствуют данные для пленок толщиной 1.2 мм, 1.6 мм, 2.2 мм. При максимальном давлении Р = = 1,35 ГПа образцы следующих толщин - 1.2 им - 0,2& мм, 1.6 ш -» 05 мм, 2.2 мм -» 0,3 мм не взрывались. _

Зная критическую толщину, взрыва и диаметр накова-

лен (22 мм), можно рассчитать критический объем ( ) и шс_

су, при которой происходит взрыв.

Простота оборудования не мешает получению достаточно надежных данных. Конечно, приборы типа "Инстрон" позволяют получать более богатую информацию, но поскольку мы имеем дело с вз р ы в а-к и, следует позаботиться и о судьбе самих дорогостоящих приооров.

- У -

Таблица I

ПЭВП 277

h (ml \Ша) А/ЧГПа) ■к» А^мм) ¿¿(ш) 4 (сек) (сек)

1.2 0,711 0,043 0,31 0,03 6,4 1,3

1.6 0,653 0,02 0,39 0,02 8,3 0,99

2.2 0,617 0,038 0,25 0,03 7,2 0,8

3.2 0,550 0,075 0,27 0,04 0

3.8 0,572 0,04 0,26 0,02 5,7 0,38

ПЭШ-158

1.2 0,792 0,158 0,23 0,01 5,8 0,7

1.6 0,585 0,0297 0,26 0,02 6,8 0,79

2.2 0,428 0,028 0,29 0,06 6,8 1,2

3.2 0,27 0,104 0,29 0,02 6,8 0,42

3.8 0,225 0,04 0,42 0,04 7,1 0,4

ПММА

1.2 0,684 0,068 0,71 0,03 1,8 0,3

1.6 0,64 0,054 0,66 0,1 4,6 2,7

2.2 0,571 0,036 0,73 0,03 6 ' I

3.2 0,68 0,081 0,93 0,12 2,4 0,7

3.8 0,504 0,108 ■I.I4 0,14 3,1 1.2

Ш 20506

1.2 1,107 0,05 •0,34 0,4 3,7 0,78

1.6 0,972 0,059 0,28 0,05 5,5 0,72

2.2 0,891 0,068 0,30 0,06 5,8 1.2

3.2 0,927 0,054 0,46 0,05 5,42 0,79

3.8 . 0,972 0,063 0,56 0,07 5,9 0,8

• Продолжение таблицы I

ПП 21030-10

.1.2 1,116 0,113 0,26 0,05 5,5 1,2

1.6 1,157 0,045 0,27 0,04 5,5 0,8

2.2 0,936 0,081 0,35 0,04 5,6 1,6

3.2 Ш.062 0,027 0,34 0,05 6,7 1,4

3.8 0,981 0,108 0,68 0,04 5,3 0,8

ПК

1.2 0,968 . 0,288 0,33 0,06 4,4 1,7

1.6 0,18 0 0,73 0,1 3 1,7

2.2 0,188 0,015 . 0,85 0,06 2,2 0,4

3.2 0,207 0,023 1,23 0,04 4,2 0,54

3.8 0,203 0,032 1,64 0,09 ' 4,5 0,69

ПС

3.2 0,54 0,077 0,61 0,15 5,3 0,48

3.8 0,959 0,054 0,77 0,05 4,9 1,1

Разумеется, проведение опнвов и на нашей простой установке требует соблюдения правил техники безопасности (защита от разлетающихся про дуктов взрыва дли обломков наковален, хорошая вентиляция, т.к. выделяются газы и т.п.).

§ 4. Об электрофизической природе взрыва в твердых телах при высоких давлениях. При внимательном анализе собственных опытов и других данных о взрывах при ДД напрашивается вывод о том, что в хороших проводниках (где практически отсутствуют наружные электронные оболочки) он не наблвдается, но в неметаллических смесях с металлическими порошками или солями вярыв происходит. Это. уже служит намеком на электрофизическую природу взрыва. Выполненные в последние 15 лет фундаментальные работы В.А.Яерревского превращают этот намек в неоспоримый факт. Закревский показал, что механическое разрушение любого твердого тела представляет собой сложный электронный и ионный процесс. При разрушении рвутся кове-лентные, ионные межатомные связи, что приводит к поляризации, ионизации, появлению свободных радикалов и ион-радикалов, образованию

Г и и - центров и т.д. Но это лишь тонкие эффекты, хотя они и способны породить не только локальный разогрев, но и большие локальные электрические поля. А значит, и множественные микропробои.

Более грубые эффекты, напрямую доказанные школой С.Н.Дуркова - образованные задолго до микроскопического разрушения субмикро-трещины, которые, в свою очередь, могут играть роль шунтов, но не обычных "ответвлений от основной сети", как в электротехнике, а участков более сильного локального пробоя. Все это допускает и появление холодной плазмы - но это еще надо доказать.

С позиций .химической физики всё эти эффекты в совокупности запускают разветвленную цепную реакцию. Однако, сколь ни казались, бы логичным! приведенные выше доводы, желательно прямое и однозначное доказательство электрической природы взрыва при БД.

Поскольку это все-таки взрыв со всеми вытекающими отсюда последствиями (детонационные, мощные локальные дагревы), мы хотим обратить пристальное внимание на образование при этом плазмы, температуру- которого можно оценить двумя путями: 1.из факта испарения медной и латунной фольги при взрыве (см. рис.3):

Рис.3. Фотография медной фольги размером 4x4 см и плоского электрода из латуни (справа), помещенных в середину порошка С*50^. ¿¿¿О, после взрыва центральная часть медной фольги и большая часть плоского электрода (толщина обоих электродов I мм; рабочая поверхность наковален имеет диаметр 22 мм) испарились, а фольга к тому же разорвалась на несколько кусков.

Так как время протекания взрыва порядка мксек (см. дальше о времени протекания химических реакций), выделяемые мощности при атом могут достичь гигаватт, это приводит к образованию плазмы, температуру которой можно оценить. По нашему мнению, именно плазмы, образовавшаяся по время взрыва при ВД, а также микропробои при сдвиговых напряжениях могут быть причиной "жесткого излучения" и других эффектов. По нашему мнению заслуживает пристального внимания излучение спектра излучения при взрыве при ВД и при СД, начиная с оптического диапазона и кончая гамма-квантами, а также изучение возможности использования взрыва при ВД и просто СД для изучения элементарных ядерных процессов слияния ядер ядерной физики.

Другой'способ оценки выделяемой энергии, это расчеты, связанные с пробоем диэлектрика конденсатора при диаметре обкладок, равным 22 мм и при толщинах, приведенных в табл.1. Делая расчеты, надо исходить из данных напряжения электрического поля для пробоя диэлектрика и значении . ¿" при этих давлениях (из работ Корина В.А.).

Для проведения опытов' к "наковальням" аргоновой сваркой-были приварены два провода (см. рис.1, п.8). В этих опытах кронштейны и микрометр отсутствовали. Электрическая схема опытов для регистрации электрических импульсов при взрыве изображена на рис.4.

Показано, что механизм взрыва совершенно различен при взрывах классических диэлектриков (ПЭ, ПП) и медного купороса. Если в первом случав во время увеличения давления ток между "наковальнями" не течет и рост напряжения можно, вероятно, измерить только электростатическим вольтметром или электрометром, то в случае медного купороса - при увеличении давления возникает г.д.е., которая увеличивается с увеличением давления (см. рис.5).

Напряжение достигает 0,1В и больше не увеличивается, несмотря на то, что давление продолжает увеличиваться; между наковальнями протекает ток. После взрыва напряжение падает до нуля, а на накозальнях оседает чистая медь.

Во время опытов (при измерении осциллографом при постоянном токе) были обнаружены аномалии критического давления, и возникла идея электрического управления взрывом. Для этого бкли изготовлены ячейки с зондами (см. рис.6). Мы поступили следующим образом: через центр одной из бумажных шайб - ограничителей (наружный размер 24x24 мм, диаметр отверстия для образца - 13 мм) был протянут зонд (проволока) диаметром 0,1+0,15 мм, оба конца которого крепи-

Рис.4, а) Электрическая схема установки для регистрации электрических сигналов при взрывах. I - наковальни Бриджмена, 2 - бумажные прокладки, 3 - образец, 4 - электрическая изоляция из бумаги и пленок ГО, 5 - станина цресса, ЭО - электронный осциллограф-универсальный, запоминающий, марки С8-12.

б) Эквивалентная электрическая схема установки.

-—•-1—;-1 '■)--уф- -1-Н-;-г^-Н

Рис.5. Изменение напряжения до и во время взрыва для

медного купороса время/дел = I сек, В/дел = 0,1В.

лись к концам бумаги, а к одному из концоз припаивали многожильный изолированный провод.

Ейла собрана схема с простым пробником (рис.7), с целью определения времени ионизации (во ¿ремя ионизации, при электрическом пробое должно резко падать сопротивление между "наковальнями", или, что то же самое, резко увеличиваться проводимость). Опыты проводились следующим образом: 500 мг порошка медного купо-

роса засыпались в ограничитель из 8 бумажных шайб с отверстиями 13 мм, в середине которых помещалась еще одна такая же шайба с зондом (проволом) по схеме, изображенной на рис.6.

Таким образом, установлено, что поданное напряжение резко влияет на развитие взрыва поликристаллического медного купороса, а также на ПП и ПЭ. Фактически, напряжение, поданное на зонд, это - важный "детонатор", с помощью которого можно управлять взрывом.

I - Бумажная шайба, 2 - Отверстие, 3 - Зонд (проволока) диаметром 0,1-0,15 мм, 4 - Место пайки и изоляции, 5 - Многожильный провод.

1. При нормальных условиях порошок медного купороса взрывается при среднем давлении - 0,5 Ша.

2. При подаче на зонд - 3 Б (при этом плюсовой конец, как видно из рис.7, подключается к, заземленной ''наковальне") взрыв происходит при давлении - 0,5 Ша.

3. При подаче на зонд +ЗВ взрыв происходит при 0,88 ГПа.

В отличив от вариантов I и 2, это уже сильный, а потому бесспорный эффект.

Нестабилкзированный ПП, с размерами частиц 100 мкм, при 9 ограничительных шайбах из ватмановской бумаги взрывался при 0,714 ГЛа.

и с одни1Л зондом для управления взрывом при ВД.

I - Накональни, 2 - Ограничивающие шайбы, 3 - Порошок взрываемого вещества, 4 - Управляющий зонд (проволока), изолирующие прокладки из бумаги и пленок полиэтилена. П - переключатель, Б - источник напряжения, ЭО - электронный осциллограф - универсальный, запоминающий,типа C8-I2. "

При подаче на зонд - 50В взрыв происходит при давлении 0,35ГПа.

Это явление должно быть общим для обширного класса ледеств. Приведенные экспериментальные данные однозначно доказывают электрическую природу я.злений взрыва ВД и возможность электрофизического управления взрывом.

Для оцени времени ионизации и возбуждения ударной волны (УВ) была собрана схема (сходная с той, которая приведена на рис.7) с двумя зондами. С ее помощью бала измерена скорость УВ, она превышает 1400 м/сек, а время ионизации равно 5 мксек.

§ 5. Продолжительность химических реакций при взрывах под воздействием высокого давления. Как било показано во введении, для реализации различных химических реакций кроме использования комбинации ВД с ДЗ можно с большим успехом использовать также взрыв при ВД.

Этот параграф диссертации посвящен описанию опытов по определению времени протекания химических реакций при взрывах при ВД. Приведено множество осциллограмм, описывающих одноактные, многоразовые (каскадные) процессы. Из этих осциллограмм определено время протекания химических реакций при взрыве при ВД. Оно составляет от двух до десяти мксек, в зависимости от взрывающегося вещества.

§ 6. Изменение морфологии полимерных пленок под воздействием сжатий и взрыва при высоких давлениях. В данном параграфе оценено влияние ВД и ВД со взрывом на структуру полимерных пленок ПП и DUMA с помощью метода сканирующей электронной микроскопии.

Образцы ПИМА взрывались при давлении около 0,65 Ша, а диски Ш деформировались медленнь (с остановками пресса) до давления 1,2 Ша: аналогичные образцы подвергались дефйрмации сжатия с максимальной скоростью для данного пресса и взрывались при тек же давлениях. Нами исследовались структурные изменения трех серий образцов (с обеих сторон): I - исходные образцы, 2 - деформированные (сжатие) образцы, 3 - пленки, образовавшиеся при взрыве. На исходном образце ШША видны сферические образования диаметром от 0,2 до 1,5 мкм, а на поверхности Ш1 четко различается зернистая структура - размером образований от 0,2 до 0,4 мкм. При деформации сжатия в образце ПММА происходили следующие изменения: в центральной части деформированного образца сохраняемся изотропная структура со сферическими образованиями (диаметром 1,5*2 мкм) большего размера, чем в исходной пленке. На обратной стороне того же образца наблюдаются локальные места деполимеризации (расщепление некоторых сферических образований), сказывается механодеструкция -чем дальше от центра, тем заметнее воздействие деформации. Так, на расстоянии половины радиуса от центра имеются участки с различной степенью деформации и ориентации, а также видны трещины и разрывы в пленке.

№ ухе обсудили электронные и ионные (и вообще, электродинамические) процессы, сопутствующие взрыву. Но ато лишь тонкие аффекты, хотя они и способны породить не только локальный разо-

грев, но и мощные локальные электрические поля, а значит, и многочисленные микропробои (или разветвленный электрический прббой) с образованием плазмы. Последствия такого взрыва четко видны при электронномикроскошческом исследовании. Температура плазмы такова, что несмотря на кратковременное воздействие ( мксек), полимер успевает термодеструтировать. Взрыв при ВД в полииерах (и в других веществах) сопровождается выделением газов, световым излучением и деструкцией пленок.

Приведено много электронно-микроскопических фотографий, подвергнувшихся взрыву или ВД пленок Ш.ИА и ПП.

Приведены многочисленные фотографии, изображающие край образца ПП, выпрессовку - часть пленки, оставшуюся после взрыва вне рабочей поверхности пресса и т.д.

§ 7. Структурные изменения в пленках полиэтилена низкой и высокой плотности под действием высокого давления, выявляемые рентгеноструктурным анализом. Хорошо кристаллизующийся линейный ПЭНП очень удобен для рентгеноструктурного анализа. Структуру в пленках ПЭШТ и ПЭВП получали методом стандартного рентгенострук-турного анализа. Съемки проводились на ^икраетометре ДРОН-3 с ионизационной регистрацией и на аппарате УРС-60 в камере РКВ с фотографической регистрацией (излучение С*. ^ ^ 0 ^ -<£11ль'г-ром).

Кристалличность оценивали путем выделения интенсивности рассеяния от кристаллической фазы из общей кривой рассения. Максимум кривой рассеяния от амот^иой фазы располагался под углом 20°40' , что в пересчете на межплоскостное расстояние составляет 4,25 8 . Рзамеры кристаллов оценивали по формуле Шерера. Наложение внешнего давления в условиях расплющивания образца и его свободного вытекани^ из боковой области (схема наковален Бридаена) приводит к сильной ориентации полимерных цепей. Центральная часть образца менее ориентирована, периферийная часть - более. В центре наблюдается плоскостная текстура кристаллов, полимерные цепи расположены з плоскости пленки. Край имеет аксиально-плоскостную текстуру. Наблюдается преимущественная ориентация полимерных цепей вдоль радиуса круга по направлению деформации пленки.

Таблица 2

Структурные изменения в ПЭ в зависимости от величины давления

Давление, Ша Структу-ра^ к, % •о а *

П Э В п

0 I р 75 430

0,67 2 м 60 200

0,75 3,5 м 60 200

0,75 (взрыв) 12 м 55 180

п э н п

0 I р 40 180

0,3 3 р 37 115

0,3 (взрыв) 20 Р+Г . 30 100

0,67 3 Р+Г 34 100

2,5 6 Р+Г 26 100

§ 8. Обдее обсуждение результатов. Описываемые в диссертации эффекты сравнительно новы и, хотя по всей видимости, можно было бы уже сегодня развить даже не одну, а несколько детализированных теорий этих процессов, смысл подобной скрупулезной и достаточно сложной работы снижается несистематичностью и относительной малочисленностью опытов (особенно физических).

Теперь сформулируем краткие общие выводы диссертации.

I. С позиций физику твердого тела и химической физики обсуждена природа взрыва при высоких давлениях. Поскольку сейчас доказано, что механическое разрушение твердых тел представляет собой сложный электронный и ионный' процесс, причем интенсивность электродинамических проявлений "механического" разрушения тем выше, чем больше разрушающий (деформирующий) фактор, естественно предположить, вопреки ряду любительских гипотез, что взрыв при-высоком давлении, сопровождаемом деформацией сдвига (она играет роль дополнительного разогрева и электризации трением, и, в общем случае, не обязательна) имеет электрофивическую природу и в ряде систем может сводиться, в конечном счете, к механо-инициированному электрическому пробою.

Поэтому, в принципе, взрыв можно регулировать электрически

и использовать для технических целей. Возможность регулирования

•

взрыва при высоком давлении показана прямыми опытами, они же однозначно доказывают и его электродинамическую природу.

2. Описана экспериментальная установка, при помощи которой измерена продолжительность химических реакций в поликристаллических веществах и полинерах во время взрывов при высоких давлениях. Это время порядка от двух до десяти мксек.

3. С помощью сканирующей электронной микроскопии исследованы структурные изменения, происходящие в пленках полипропилена (ПП) и полиметилметакрилата (ПММА), подвергнутых как сжатию при высоких давлениях (ВД), так и сжатию с последующим взрывом при ВД.

Показано, что под воздействием ВД в пленках увеличиваются в размерах сферические образования, в разных частях образцов появляются дефекты: трещины, локальные места деполяризации, расщепления сферических образований, механодеструкция.

4. Деформация ПЭВП при одноосном сжатии под высоким давлением на первоначальной стадии приводит к фазовому переходу кристаллической структуры из ромбической в моноклинную сингонию с большей плотностью упаковки, хотя общая степень кристалличности и размеры кристаллитов при этом уменьшаются. Дальнейшее увеличение давления как в ПЭВП, так и в ПЭНП способствует резкому уменьшений степени кристалличности, уменьшению размеров кристаллитов

и появлению разупорядоченной гексагональной структуры.

5. Проведен, на уровне аналогий и гипотез, общий качественный анализ взаимосвязи механических, тепловых, химических и электрических факторов, приводящих при высоких давлениях к взрывам и необычным химическим реакциям в полимерах^

6. Одншмз существенных достижений автора является -впервые приведенные экспериментальные данные, кото^Эыёлнисывают полную картину взрыва (табл. I) (см. §_3 диссертации). Весьма трудоемким процессрм было определение )

и для семи очень расщзостршгеАны^промьшленшЬс образ-

цов полимеров. Полученные автором данные, наряду с данными, приведенными в диссертации, в целом, должны стать экспериментальной основой для создания точной математической теории взрывов различных веществ при ВД.

Список публикаций по теме диссертации:

1. Взрыв полимерных пленок при высоком давлении (ВД). Методика опытов, критические параметры). (Совм. с Айвазяном Х.г.). Деп. в АрмНИИНТИ, » 7-Ар92, 16.03.92.

2. Термокинетический подход к элементарная теория тепловых взрывов. (Совм. с Айвазяном Х.Г.) Деп. в АрмНИИНТИ, № 5-Ар92.

16.03.92.

3. Кристаллизационные й ориентационные катастрофы и родственные явления в простых телах и полимерных системах (Совм. с Айвазяном Х.Г.) Деп. в АрмНИИНТИ, № 6-Ар92. 16.03.92.

4. Об-электрофизической природе взрыва в твердых телах при высоких давлениях. (Совм. в Айвазяном Х.Г.) Деп. в АрмНИИНТИ, гё 3-Ар93, 12.04.93.

5. Изменения морфологии полимерных пленок под воздействием сжатия и взрыва цри высоких давлениях. Деп. в АрмНИИНТИ, № 2-Ар93,

22.03.93.

6. Продолжительность химических реакций цри взрывах под высокими давлениями. Дзп. в -АрмНИИНТИ, Л 1-АрЭЗ, 22.03.93.

7. Структурные изменения а пленках полиэтилена низкой и высокой плотности под действием высокого давления, выявляемые рент-геноструктурным анализом. (Совм. с Айвазяном Х.Г.). Деп. в АрмНйЖШ, № 4-Ар93 , 23.04.93.

Uli П S И 8 N

dbnaiqpfi tipuii|nLl<gni{

■ww iruriTttj-utrnw purar (¡■ucnwrutrh ¿uumrn st4h iiKjt-gn'i "шрзпголъгЬ tibnsrn»iisb4uumi'Fiinn3i*h uu№u 01.04.07 - "HAjT1 1ШГ1ГиЪ ShSMU

riliubp¡nimj|iui\i qpL|mb t nni.'ubpbíi ibqijmj

uns Л IH »t CU S

T-|pиЬp 1г.шэ[iш JiJiq£il{n-iJujpbJujuitil{ujl{uj\j qfiuimp jmlilibpfi P bikini)m|t qfimuiliuAi uiumfiflujlj íuijgbL"L ЬрЬиЛ) - 1994

"^иЬртшд^иЛ) piuqliuiguib t Ю9 12b9» ® «tuipiuqpuiSAibpbg > ОДар — ^bpfig, 7 pu\iiudLbpfig, 6 íuiifumnm bqpuil{uignL|}jni.Wjbptig, 151 p^Plt"1-

\ip.l ^шрб >)ЬршЬш1ца\1 uil^Wpli t» nptnbq íepgt> <lw—

(ГиЛш^шЦ^д qpijuibpp, ЬцЪЬ|_т| ш^шг^ЬьТ^Цпи "И.U.lin^пщjuitifi uinbг^ЬшЬ 14ГПЭЬ к рЬрЦшЬ bXj rf[iubp 1пшд(|шjnLiT |_rut)i{ij¡> ífiiHiui -

Ц.и>Ъ mpnpi_bil\ibp|i upijuihgp: ЯМшрЦ^шЬ hU rç|iubpiniiig|iuijni.ir |_п|.1>фаЬ mpnpLbif^b^ uijdiíbuil{iutini.pjni.\i|i, íju(iijbiiii!í{i » типы/\|иифрп|.р juiti (Лц^р-libpb, XinpiiLpjnLVi'ubpti, ц^тш^шЪ liuiplinprupjuili, i{iiuumuiqp'm.pjuAi, ш;-(иштшЪд[1 q^iuituliuiti L qnpî>\juil(.uti Ъ2ui^uilinLßjurti , q|iinujl|uAj ^puitniupiutinLiT— Vtbpji ЧшрдЬрщ

%p.2- tnjfipijiub t Ijbpiubtulituii бпЛт^т.)?jruMbptiti fllinLbuizqgui 4n~ (.[иГЬрЪЬрп iif muij|} jni.ljuij(itj bpknL jPhbp[i fioijm qui|.(iL\i pmpdp Olijnuf-libp /Pd/ litipunbLtiu:

"Чшр.З 4n¿i(nLir t*"''n|.|iJ'bpuijtilj рцщшЪрЪЬр^ u(uijPnLi/p Pd дияГшЪшЦ» cnpdbpb ifb[jnri¡il|iu1» , крьтьчтипгьтрьрдi

"liupuiqpuiJinLii рЬрфиЬ blj uijli qnpí|ipuij[i1i i(ini{inliinLpjnLbílbpp, npntoß ifmgi|uiî> bíi Pp^iíb^ti ntiqui\j\ibp|i oqíimp junf p фпр^Ьрр ^шшрЬ^Ь11 Uifnfc— jtl :íuumnipjüL^ip Ii ObjnLiIp nti1imiT|iti nbdfiiínuT ¿tu-|b[nt íuiiTuip: ftjui— qtimiuiui[ili nbdjiitniil 5или{шь btj wni^^bpfi íuumnip juAj яъ^'пиг^д 1ци[и-ijuiimiß juiij qpmt[il(\ibpd :

UrijnLUmti 1-nLif pbpi|uib Mj qt>ubpinuigbuijti ítiiíbiuliuiíi It litopUnp uipiunitig^jbptig íXblip4 l|.pt<ЮЬ чшрш^ЬтрЬр^ ЦшЩшЬт^тЪр аъ^т.-

iTfig, npn\ip ЦЦипрцпиГ ЬЪ upujPiTuiíiti U i[bpiopbpnLif b\i mprçjni.hai[ibptu-pjurtj Ifl^bS [.iiijlinpbli pnquipl{i|nti jnp ujniliiíbp'bbpfiti: Upuiíig W{uijui-buijfa^, fpPb^» Jul»uin qqni2nlPjni^ /иЛд^тиЛщпißjui\i тЬиш^Ьт^д/ щш-

i{inpdbp bli: ' v..

Чц).4-п|.|Г nii](]iiiliti фпр<5Ьр[> i/{>¿ngm|, ^пЪцЬр{1 oqbiußjiinfg, ímnriLli ifjuilnjuib Jbpnrj[ili.uiL uuip{¡bpfi tf|i£ngm|, tL')klnt"1J'iu1^ LT" ilunJp t* *ib2«luig4bL» rçdijuipuigijbi. liirnf urtilWptilj t nkipd-

i{b|, moijPjnLtip Рй rfiufuiliiult, uju(ilí|jtj4qbl{iui¡«ip4',L u(iujPjniVi|;, прд L Pd ioitfi»iliiul{ и^шjPjnLljbhpti t|.bli.inpn$tiqtiliuil¿iij\j g\im.j|i)|i ui\iSbpgb|_|i ширидnLj gli t« РЬрфиЬ bli puiq.ifuf3liil ougtu.nqpwlB'libp L ini(juii.ljbp:

Чшр.и(шр$6,7-[; Ъ|Ц>р|{иЬ bti «iiujff jmMjbpti dunfuitjuili ри^шдпг; g|iiJ|iuiliiii\i nbiul(g|iiiriibp|i mLnuriLpjuAi прпг^шЪр, Pd ü. Pd rfiuJui\il(li u|itijßiTiu\i щшшЙшпЪЬрт! ЪjnLßbpn tiT mbriji пьЪЬдпц l¿uinnigi|iiib£iuj¡i\j фпфп(итрjnLMibpmli, npn\jg [iSuijin bVi pbpifiub tLЬЦ.трпЪшjt>\j Jfilipnu-

linmtimjji к nbliinqb'ünliumni.gilii'bgui Jbgnrjlibprnj:

Рп^пр ш2(иштш\1рЪЬрс u(JinlibpuiliuAi ЬЪ, £>Лф np tTn\i¿U iuju uijtuui-пиЛфЪЬрр Pd rfunfщш jf jniMbpni) qpmrjiJbL b\i iffiuij\i g(iJ|pl|nu-Vibpp, uij\i tl "bib . тЪЬдпц pjuf|iuiltiii\j nbiulig|iiiAjbp|i ирцjnL^ißlibpp ¿2«illbi.rtijs

t\jliupliiln4 '»ujpgbpt' ilbpu'pbnJШ! щ iffi mbuni_pjriL\i ¿tj.ш: \||цвтш11 nL\ib\juiLni} luuiuiqui nibuui|iuili\ibp|0( £uijli фпр¿шршрш^шЪ \jjni.ß mui[_ni. Bju bpLiujfMibpg tiltuipuiqpnt} рЦ'шЪщ.р (ХшрЬЦшиф^ш^щЪ nbunißjiilIíq unbiibbt.nl II ujj\i тшр nibbln 1 Ъшй. »jt Цшстшипрп!^ bpIinLjptihpf ((рш^шпшрфиЬ b\i щшр.8 niunLiJWut!pni.ßjnLVi\ihpp:

^tiubpeagjiuijfi mprijnLbgXibpß iuiii(ini{ii|ab ЬVi ijbg fiuifm-

nnn bqp»¿i«igiup jni.MibpnLif j