КРИТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ВЗРЫВНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ PETN- Ni

Аннотация: В работе рассчитаны критические параметры взрывного разложения композитов PETN-наночастицы никеля при инициировании лазерным импульсом различной длительности (ti). Увеличение ti приводит к росту плотности энергии импульса, приводящей к взрыву. Обратная зависимость наблюдается для температуры очага (Тв), рассчитанной без вклада химической экзотермической реакции. Учет реакции делает зависимость Tв(ti) моноэкстремальной с минимумом в районе 150 нс. Эти характеристики позволят оптимизировать источник излучения оптического детонатора.

Ключевые слова: Тепловой взрыв, наночастицы никеля, лазерный импульс, длительность импульса, тетранитропентаэритрит, оптический детонатор.

Необходимое условие для перехода к использованию оптических детонаторов вместо электрических – оптимизация составов оптически активных энергетических материалов и инициирующего излучения (длина волны, длительность импульса) . В качестве состава капсюля оптического детонатора в настоящей работе предлагается композит на основе тетранитропентаэритрита (PETN) и наночастиц никеля. Выбор матрицы композиционного материала (взрывчатого вещества) обусловлен его прозрачностью в широком спектральном диапазоне, а также изученностью его свойств, так как PETN давно является штатным взрывчатым веществом [2-4]. В качестве армирующей добавки предлагаются наночастицы никеля. Подробно изученные оптические свойства металлов подгруппы железа и разработанные методы синтеза наночастиц с достаточно узким распределением по размерам делает их перспективными светопоглощающими добавками . Таким образом, проектирование оптических детонаторов на основе вторичных взрывчатых веществ вступило в завершающую стадию: оптимизирована (относительно форм-размерных, и концентрационных параметров, технологических способов синтеза) плотность энергии инициирования (H) взрывного разложения PETN и гексогена с добавками наночастиц алюминия , металлов подгруппы железа [7-9], олова , ванадия , меди [12-14], благородных металлов . Показано, что основные закономерности взрывного разложения композитов на основе вторичных взрывчатых веществ зависят от оптических свойств металла: повышение как поглощающих, так и рассеивающих свойств наночастиц уменьшает необходимую для перехода в самоускоряющийся режим плотность энергии [2-16]. Основной массив экспериментальных и теоретических работ проведен на лазерных комплексах с длительностью импульса на полувысоте (ti) 12 нс , 14 нс , 20 нс [20 - 22] и 30 нс . Считается, что H слабо зависит от длительности импульса. Так в работе  эксперимент проведен на длительности импульса 12 нс, а обработка эксперимента – на длительности 20 нс. Однако еще десять лет назад показано, что закономерности инициирования взрывного разложения азида серебра существенно зависят от длительности импульса . Целью настоящей работы является расчет зависимостей критической плотности энергии и температуры вспышки композитов PETN-наночастицы никеля от длительности лазерного импульса.

Расчет критических параметров инициирования проведен в рамках модели теплового взрыва в микроочаговом варианте. Предположение о том, что композит PETN с наночастицами металлов разлагается по тепловому механизму. подтверждается тем, что при лазерном инициировании прессованных образцов PETN-металл излучением с недостаточной плотностью энергии взрывного разложения не происходит, а образуется каверна на фронтальной поверхности образца с выбросом вещества , а также существенной зависимостью (более чем в сто раз) критерия взрыва от введения светопоглощающих наночастиц [2-4]. Оптимизация состава капсюлей оптических детонаторов происходит в соответствии с предсказаниями модернизированной модели теплового взрыва с учетом оптических свойств индивидуальных наночастиц  и композита в целом . В тоже время учет фазовых переходов и зависимости теплоемкости от температуры слабо сказываются на закономерностях взрывного разложения и для оптимизации оптического детонатора эти особенности процесса взрывного разложения можно опустить .

Система дифференциальных уравнений, описывающая процессы передачи тепла от поглощающей наночастицы никеля в матрице PETN, выгорания вещества матрицы и разогрева очага реакции взрывного разложения за счет сопутствующего выделения теплоты обоснована в работах [2-4, 6, 8].

Результат расчетов зависимости критической плотности энергии, необходимой для запуска самоподдерживающейся экзотермической реакции, от длительности инициирующего импульса, представляет собой массив данных, графически приведенный на рисунке 1. Расчет проводился для наночастиц с радиусом 95 нм. Выбор значения R обусловлен разработанными методиками синтеза наночастиц данного радиуса и тем фактом, что наночастицы такого радиуса металлов никель, кобальт, алюминий, олово, ванадий, хром, медь, серебри и золото [5, 9-18] в PETN максимально поглощают излучение основной гармоники неодимового лазера. Для определения минимальной плотности энергии инициирования взрывного разложения (H) численно решалась система уравнений модели на сетке с переменным шагом по координате в лицензионном (№ 824977) математическом пакете MatLab. Методика расчета приведена в работах [24-26]. В работе использованы базисные длительности импульса ti на полувысоте 10 нс, 12 нс, 14 нс, 20 нс, 24 нс, 33 нс, 40 нс, 50 нс, 70 нс, 100 нс, 150 нс, 200 нс, 250 нс, 300 нс, 400 нс, 500 нс, 750 нс и 1 мкс. Для каждой длительности импульса рассчитывалось значение минимальной плотности энергии инициирования взрывного разложения с относительной точностью расчета 10-12, обеспечивая надежность полученных результатов. Предложенная ранее нами  методика оптимизации времени расчета при достижении данной относительной точности позволила достигать корректного результата за приемлемое (менее двенадцати часов) время расчета.

Результаты расчета критической плотности энергии композитов PETN-Ni радиуса 95 нм от длительности импульса представлена на рисунке 1. При увеличении длительности импульса с 10 нс до 1 мкс H монотонно увеличивается почти в 12 раз с 70.6 до 838.1 мДж/см2. Рассчитанная зависимость H(ti) возрастающая, не имеющая экстремумов. Это достаточно понятно: увеличение ti приводит к интенсификации процессов тепловой разгрузки очага реакции и поэтому сопровождается ростом энергетического порога реакции.

Для поиска путей оптимизации капсюля оптического детонатора и понимания процессов, проходящих в образце, при инициировании лазерным импульсом различной длительности, рассчитаны кинетические зависимости температуры очага. В качестве очага в работе понимается граница наночастица – матрица PETN, изменяющая свою температуру за счет поглощения излучения и преобразования световой энергии в тепловую. Результаты приведены на рисунке 2. Расчет без химической реакции дает убывающую функцию на всем диапазоне длительностей импульса.

В актуальном интервале длительностей (0.01 – 1 мкм) температура нагретой только за счет энергии импульса поверхности наночастицы радиуса 95 нм уменьшается с 1055 до 891 К. Расчет проводился при соответствующем каждой длительности импульса пороговом значении плотностей энергии H. Таким образом, короткие импульсы ti&lt;100 нс, обладая меньшей плотностью энергии (по абсолютной величине), нагревают наночастицы одинаковых размеров до больших температур, чем более длинные импульсы с большей величиной H. Рассчитанные параметры в цифровом формате для возможности дальнейшего использования рассчитанных величин представлены в таблице 1.