Способ управления взрывной чувствительностью энергетических материалов

© А.П. Родзевич, Е.Г. Газенаур, В.И. Крашенинин, В.Г. Гритчина,

2011

УДК 544.032:546.171.8

A.П. Родзевич, Е.Г. Газенаур, В.И. Крашенинин,

B.Г. Гритчина

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЗРЫВНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Представлены результаты исследований влияния бесконтактного электрического поля на взрывную чувствительность нитевидных кристаллов азида серебра. Показана возможность использования слабого постоянного бесконтактного электрического поля в качестве ингибитора реакции твердофазного разложения азида серебра, инструмента управления взрывной чувствительностью энергетических материалов.

Ключевые слова: взрывная чувствительность, энергонасыщенные материалы, азид серебра, электрическое поле.

Задача повышения стабильности материалов к неконтролируемым внешним воздействиям и необходимость решения вопроса увеличения срока их хранения является одной из важнейших задач современного материаловедения. Особо актуальной становится эта задача для решения вопросов стабильности энергетических материалов, типичный представитель которых - азид серебра, и является объектом настоящего исследования.

Азид серебра (AgNз) - традиционный модельный объект химии твердого тела, способный под действием внешних факторов различной природы претерпевать необратимые превращения с образованием инертных конечных продуктов - молекулярного азота и металла, легко анализируемых традиционными физикохимическими методами. Под влиянием внешнего энергетического воздействия система может перейти как к стационарному состоянию, с постоянной скоростью разложения в анионной и катионной подрешетках, так и к самоускоряющемуся режиму, который завершается взрывным разложением образца. Азиды просты по химическому составу и структуре. Для AgN3 достаточно подробно исследованы физико-хими-ческие свойства, определена зонная структура и параметры кристаллической решетки [1]. Бли-

зость к галогенидам металлов дает возможность рассматривать неорганические азиды в качестве модельных для создания теории быстрых реакций в твердых телах. Практическая значимость кристаллов азида серебра определяется, прежде всего, возможностью использования их в качестве взрывчатых веществ с высокой инициирующей способностью [1], а также чувствительных датчиков измерения сверхнизких электрических и магнитных полей.

Внешнее энергетическое воздействие инициирует в кристаллах азида серебра процессы разложения, качественная модель которых включает, наряду с генерацией в объеме образца неравновесных электронов и дырок, перенос их к поверхности кристалла в реакционные области, образованные краевыми дислокациями, а также реализацию в реакционных областях цепной химической реакции [2-5]. Процессом твердофазного разложения азидов тяжелых металлов, как показали результаты наших исследований [6, 7], можно эффективно управлять с помощью бесконтактного электрического поля. Возможности применения для этих целей слабых электрических полей, моделирующих реальные условия хранения и транспортировки взрывчатых веществ, и посвящена настоящая работа.

В качестве объектов исследования использовали нитевидные кристаллы азида серебра со средними размерами 15x0,1x0,03 мм3 (рис. 1), выращенные по методике [8].

Для проведения экспериментальных исследований образцы наклеивали за оба конца на предварительно обезжиренную этиловым спиртом слюдяную подложку клеем БФ-6. Для изучения закономерностей разложения использовали схему прямого эксперимента: воздействие - отклик. Электрическое поле напряженностью 300 кВ/м (разлагающее поле) создавали при помощи источников питания постоянного тока. В качестве электрических контактов использовали галлий ^а), который наносили под микроскопом по центру образца на наиболее развитую грань (010), при этом межэлектродное расстояние составляло 1 мм. В этих условиях осуществляется режим монополярной инжекции дырок, которые, попадая в реакционную область, стимулируют протекание химической реакции. Выбранное значение напряженности электрического поля позволяет

[°1°]

Рис. 1. Кристаллографические индексы направлений и граней и общий вид нитевидных кристаллов азида серебра

наблюдать переход медленного разложения во взрывное в течение нескольких минут, не требует дорогостоящего оборудования для изучения быстропротекающих процессов.

Взрывную чувствительность определяли как время задержки взрыва (интервал времени тюр между включением разлагающего контактного электрического поля и взрывом кристалла), при котором, с достоверностью 50%, можно фиксировать факт взрыва образца, определяемого по вспышке или звуковому сигналу.

На качественном уровне данная величина может интерпретироваться как мера взрывной чувствительности наряду со временем воспламенения. Поэтому предлагается для учета всех указанных параметров принять в качестве эталонного - время задержки взрыва при напряженности контактного электрического поля 300 кВ/м (Ga-AgN3-Ga). Эта напряженность поля соответствует, при вероятности 50 %, времени задержки взрыва - 390 с.

Влияние бесконтактного электрического поля на процесс разложения изучали в ячейке, исключающей влияние посторонних факторов на ход эксперимента. Изучение взрывной чувствительности кристаллов азида серебра проводили в различных конфигурациях разлагающего и бесконтактного (управляющего) электрических полей. Схема проведения эксперимента представлена на рис. 2. Напряженность бесконтактного электрического поля варьировали в диапазоне от 10-4 до 102 В/м, используя делитель на безъиндуктивных сопротивлениях. Разлагающее и управляющее поле включали и выключали одновременно.

На рис. 3 представлены зависимости взрывной чувствительности (твзр) кристаллов азида серебра от напряженности бесконтактного электрического поля (Е0) различной конфигурации. С уменьшением напряженности управляющего бесконтактного электрического поля взрывная чувствительность кристаллов резко уменьшается (так, при напряженности бесконтактного электрического поля менее 10-2 В/м время задержки взрыва составляет более 6 103 с). Стрелка показывает, что время до взрыва превышает 4 часа (после этого эксперимент прекращали). Отметим, что независимо от взаимной конфигурации разлагающего и управляющего электрических полей кривые (особенно в области напряженностей бесконтактного электрического поля меньше 10-3 В/м) практически совпадают, проходя через экстремум.

Обнаруженный эффект управления процессом разложения нитевидных кристаллов азида серебра сохраняется и при действии на образцы переменного электрического поля частотой 50 Гц, использование которого позволяет избавиться от проблемы ионной поляризации кристалла и провести более достоверные, особенно в случае использования малых электрических полей, исследования.

ИГМО* В/м

в) г)

Рис. 2. а) принципиальная схема установки для проведения экспериментальных исследований по влиянию слабого бесконтактного электрического поля на взрывную чувствительность кристаллов азида серебра; б), в), г) схемы эксперимента в различных конфигурациях поля относительно образца: 1 - кристалл; 2 - подложка; 3 - металлические электроды; 4 - галлиевые контакты; 5 - металлический экран; 6 -источник питания; 7 - делительный блок

Таким образом, слабое бесконтактное электрическое поле можно рассматривать как ингибитор реакции разложения азида серебра, а также как способ управления процессом разложения этих материалов.

Эффект влияния управляющего электрического поля на процесс твердофазного разложения азида серебра можно объяснить влиянием бесконтактного электрического поля на дрейф реагентов реакции (дырок), с выносом носителей заряда из реакционных областей (что ведет к затуханию химической реакции). Кроме того, существует возможность поляризации и разделения пакета носителей заряда на электронный и дырочный в электрическом поле, с их последующим дрейфом к противоположным границам кристалла.

1§0д,

Рис. 3. Зависимость взрывной чувствительности азида серебра от напряженности управляющего бесконтактного: 1), 2) поперечного электрического поля, вектор напряженности которого совпадает с кристаллографическими направлениями [010] и [100] соответственно; 3) продольного электрического поля, вектор напряженности которого совпадает с кристаллографическим направлением [001]. Прямая линия - взрывная чувствительность кристаллов азида серебра в отсутствии управляющего поля

Захват носителей на ловушках приводит к уменьшению скорости поляризации исходного пакета и уменьшению скорости поступательного движения пакета в электрическом поле. Влияние электрического поля, в этом случае, сводится к дрейфу электронного очага. В слабом электрическом поле (при Е0<10-2 В/м) влияние управляющего электрического поля сказывается, по-видимому, на смещении электронной плотности реагирующих частиц, что приводит к уменьшению вероятности перекрывания электронных облаков при образовании химической связи.

На данный момент механизм влияния бесконтактного электрического поля на взрывную чувствительность нитевидных кристаллов азида серебра до конца не выяснен, высказанные выше предположения являются дискуссионными. Разработка экспериментально и теоретически обоснованного, детального механизма

влияния электрического поля на процесс разложения азида серебра на уровне элементарных стадий является важнейшей задачей дальнейших исследований.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Багал Л.И. Химия и технология инициирующих взрывчатых веществ. / Л.И. Багал. - М.: Машиностроение, 1975. - 456 с.

2. Захаров В.Ю. Медленное разложение азидов серебра и свинца. // В. Ю. Захаров, В. И. Крашенинин / Томск: НТЛ, 2006. - 168 с.

3. Крашенинин В.И. О модели фотохимического разложения нитевидных кристаллов азида серебра и свинца. / В.И. Крашенинин, Е.Г. Газенаур, Л.В. Кузьмина, Д.С. Макеев. // Вестник ТГУ. 2006. - №19. - С. 100-103.

4. Захаров, В. Ю. Медленное разложение азидов тяжелых металлов. / В. Ю. Захаров, Е. Г. Газенаур, А. И. Гасанов, В. И. Крашенинин и др. // Боеприпасы.

2001. - №4-5. - С. 57-61.

5. Крашенинин В.И. Основные стадии перехода медленного разложения в быстропротекающий процесс в кристаллах азида серебра. / В.И. Крашенинин, Л.В. Кузьмина, Е. Г. Газенаур, Д. В. Добрынин // Химическая технология. 2010. - №2. -

6. Газенаур Е.Г. Влияние электрического поля на пост-процессы разложения, инициированные облучением в азидах серебра и свинца. / Е.Г. Газенаур, В.И. Крашенинин, Н.П. Суднева // Журнал научной и прикладной фотографии.

2002. - Т.47. - №4. - С. 48-53.

7. Крашенинин В.И. Влияние слабых электрических полей на разложение кристаллов азидов серебра и свинца, инициированное действием УФ-облучения. /В.И. Крашенинин, Е.Г. Газенаур, Л.В. Кузьмина // Изв. вузов. Физика. 2009. - Т. 52. - №8/2. - 76-78.

8. Иванов Ф.И. О выращивании нитевидных кристаллов азидов серебра и свинца. / Ф.И. Иванов, Л.Б. Зуев, М.А. Лукин и др. // Кристаллография. 1983. -Т.28. - №1. - С. 194-196.

9.Heal H.G. A microgazometric procedure. / H. G. Heal. // Nature. 1953. - V.172. -Р.30.ЕШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------------------------------------------------

Родзевич А.П. - Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, е-таП: nimez@rambler.ru

Газенаур Е.Г., Крашенинин В.И., Гритчина В.Г. - Кемеровский государственный университет, е-таП: ketigaz@yandex.ru

С. 75-79.