Влияние физико-химических превращений на распространение ударных волн в конденсированных веществах

Исследования поведения конденсированных веществ при ударном сжатии и детонации имеют большое значение для решения задач по прогнозированию взрывных воздействий на различные объекты, создают научные основы новых технологий в оборонной технике и промышленности. Ударно-волновые и детонационные явления имеют общие теоретические основы, а также экспериментальные и расчетные методы изучения этих процессов. В обоих случаях одной из основных целей исследований является прогнози-руемость действия взрыва, высокоскоростного удара и других интенсивных импульсных воздействий на материалы и конструкции. Изучению состояния веществ при высоких давлениях и температурах посвящено достаточно большое количество исследований. Накопленный объем измерений основных параметров ударного сжатия и детонации позволяет проводить расчетное моделирование различных процессов для широкого круга наиболее распространенных материалов. Однако в ряде случаев ударное сжатие вызывает в веществах различные физико-химические превращения, закономерности которых невозможно предсказать без проведения специальных исследований. Актуальной задачей в настоящее время является переход от простой фиксации основных кинематических параметров к углубленному изучению свойств и закономерностей физико-химических превращений веществ при высоких давлениях и температурах, что невозможно без развития современной экспериментальной техники.

Целью данной работы было решение двух взаимосвязанных актуальных задач: 1) разработка методов генерации ударных волн и диагностики состояния конденсированных веществ при ударном сжатии и детонации в диапазоне давлений 0,1−100 ГПа, позволяющих изучать различные физико-химические превращения, протекающие при высоких давлениях и температурах- 2) изучение влияния физико-химических превращений и химических реакций в конденсированных веществах на закономерности распространения и затухания ударных и детонационных волн, поиск путей получения детонационно-подобных режимов в твердофазных смесях.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Результаты оптимизации взрывных генераторов для разгона металлических ударников до скоростей от 2 до 8 км/с, в том числе взрывной трубчатый ускоритель с метанием ударников продуктами взрыва пересжатой детонации нитрометана, детонирующего в. трубчатой оболочке из состава на основе октогена.

2. Результаты разработки конструкции фотоэлектрического пирометра и оптимизации пирометрических методов для определения параметров состояния веществ при детонации и ударном сжатии (индикаторная и оконная методики).

3. Экспериментальный метод исследования горения твердого топлива при ударно-волновом воздействии.

4. Результаты измерений температуры и скорости звука в ударносжатых галогенпроизводных метана, получены доказательства протекания диссоциации за фронтом ударной волны в тетрахлорметане и бромоформе при достижении определенных температур (2600 °К и 2000 °К).

5. Результаты измерений ударных адиабат, температуры и скорости звука для ацетонитрила и растворов тетрахлорметана с гексаном.

6. Результаты комплексного исследования по измерениям скоростей звука и затухания ударных волн в твердых веществах и смесях. Показано существенное увеличение эффективности ослабления амплитуды ударных волн при использовании веществ или смесей, претерпевающих полиморфные превращения или химические реакции с уменьшением удельного объема. Обнаружено размывание ударных фронтов в смесях компонентов с сильно различающимися сжимаемостями.

7. Способ механохимической активации смесей окислитель-горючеедля получения механоактивированных энергетических нанокомпозитов с повышенной реакционной способностью. 6.

8. Результаты изучения ударно-индуцированных химических реакций и детонации в механоактивированных смесях окислитель-горючее с твердыми конечными продуктами. Механизм распространения детонации в таких смесях развивается эстафетным способом за счет передачи реакции высокоскоростными потоками продуктов взрыва от одного очага к другому.

Основные результаты, выносимые на защиту, обладают научной новизной и имеют существенное практическое значение: — разработанные методы генерации и диагностики ударного сжатия позволяют проводить лабораторные исследования в широком диапазоне динамических давлений- - разработанный метод исследования горения твердого топлива при ударно-волновом воздействии рекомендован в качестве лабораторного экспресс-метода для проведения испытаний устойчивости горения новых ТРТ при импульсных нагрузках- - результаты исследований по измерениям скоростей звука и затухания ударных волн в конденсированных веществах и смесях показали существенное увеличение эффективности ослабления амплитуды ударных волн при использовании веществ или смесей, претерпевающих полиморфные превращения или химические реакции с уменьшением удельного объема, что может быть использовании при создании конструкций, предназначенных для защиты объектов от взрывных и ударно-волновых воздействий- - разработанный способ механохимической активации смесей окислитель-горючее позволяет получать механоактивированные энергетические нано-композиты с повышенными скоростями энерговыделения, которые могут использоваться в качестве компонентов быстрогорящих пиротехнических смесей и взрывчатых составов с высокотемпературными продуктами.

I. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ГЕНЕРАЦИИ И ДИАГНОСТИКИ УДАРНЫХ ВОЛН В КОНДЕНСИРОВАННЫХ.

ВЕЩЕСТВАХ.

1.1.

Введение

.

Ударное сжатие веществ широко используется в фундаментальных научных исследованиях для изучения термодинамических свойств вещества в области высоких и сверхвысоких давлений, реологических свойств материалов в условиях высокоскоростного деформирования, исследований химических превращений веществ в ударных и детонационных волнах. С практической точки зрения определение параметров физико-химических процессов при воздействии на материалы интенсивных динамических нагрузок, понимание физической сущности и последующее построение математических моделей необходимы для решения разнообразных задач прикладной физики взрыва.

Целенаправленные исследования свойств конденсированных веществ в экстремальных состояниях активно развиваются в России и за рубежом с конца 40-х годов 20 века. К настоящему времени накоплена обширная экспериментальная информация по состоянию веществ при высоких давлениях и температурах, что стало возможным благодаря существенному прогрессу в разработке и применении техники создания высокоинтенсивных нагрузок и целого ряда дискретных и непрерывных методов диагностики быстропротекающих ударно-волновых процессов. Существенное повышение амплитудного и временного разрешения в результате разработки современных методов диагностики позволяет исследовать свойства веществ в условиях небольших лабораторных установок.

В настоящее время для генерации ударных волн в лабораториях наибольшее распространение получили метательные устройства пушечного типа (пороховые пушки, легкогазовые ускорители ударников (ЛГУ), баллистические ударные трубы) и взрывные устройства на основе зарядов мощных взрывчатых веществ (ВВ). Помимо указанных устройств в последнее время все чаще стали использоваться также такие генераторы импульсных нагрузок, как электрические и электромагнитные ускорители, лазеры, ускорители электронных и ионных пучков, а также различные комбинированные типы ускорителей, использующие несколько источников энергии.

В зависимости от конкретной задачи исследования может использоваться тот или иной тип генератора, обеспечивающий необходимый диапазон параметров давления, скоростей и длительности импульса. Кроме того, немаловажным параметром, определяющим использование ускорителя, является стоимость эксперимента, поскольку, например, стоимость хорошего ЛГУ, обеспечивающего скорость ударника массой 20 г на уровне 8−10 км/с, вместе с необходимым диагностическим оборудованием может превышать несколько миллионов долларов.

Существенной особенностью экспериментальной диагностики ударных волн в конденсированных средах является кратковременность пребывания вещества в ударно-сжатом состоянии, а также необратимость процессов с невозможностью возврата в исходное состояние. Так, характерные времена некоторых процессов.

С о например, химических реакций в детонационных волнах) составляют 10−10″ ° с при изменении давления и температуры от комнатных в исходном состоянии до нескольких сотен тысяч атмосфер и нескольких тысяч градусов в конечном состоянии. Кратковременность регистрируемых процессов и их импульсный характер накладывает повышенные требования к используемой регистрирующей аппаратуре и применяемым методам измерения по временному и амплитудному разрешению, помехоустойчивости и др. Для измерений кинематических (массовой и волновой скоростей, скорости звука) и физических параметров (давления, плотности и температуры) используются специально разработанные оптические, электрические и рентгенографические методы.

Методы возбуждения и регистрации ударно-волновых импульсов в конденсированных средах, используемые для получения информации о сжимаемости вещества, его механических и кинетических свойствах достаточно подробно описаны в большом количестве оригинальных работ, обзорах [1−3] и монографиях [49]. В данной главе описаны взрывные способы генерации ударных волн и методы диагностики состояния ударно-сжатых веществ, которые используются в исследованиях лаборатории физики взрыва конденсированных систем ИХФ РАН, некоторые из них были разработаны либо усовершенствованы автором в процессе работы.

Основные результаты, полученные в ходе выполнения работы:

1. Разработаны новые лабораторные методы генерации и диагностики состояния конденсированных веществ при ударном сжатии, в том числе: взрывной трубчатый ускоритель для метания до скоростей более 8 км/сусовершенствованы пирометрические методы диагностики (индикаторная и оконная методики), обоснована методика использования ПВДФ-датчиков для исследований процессов ударно-волнового инициирования. Разработана методика исследования горения твердого ракетного топлива при ударно-волновом воздействии.

2. На основе разработанных методов получены новые данные по температуре и скоростям звука при ударном сжатии галогенпроизводных метана, получены доказательства протекания диссоциации четыреххлористого углерода и бромоформа при достижении определенных температур. Впервые определены ударные адиабаты и зависимости температуры и скорости звука от давления для ацетонитрила и растворов четыреххлористого углерода и гексана. При исследовании детонационных волн в смесях различных ВВ с алюминием обнаружено появление двухпиковой структуры профилей давления в смесях алюминия и октогена.

3. Проведен комплекс исследований по измерениям скоростей звука и затухания ударных волн в твердых веществах и смесях. Показано существенное увеличение эффективности ослабления амплитуды ударных волн при использовании веществ или смесей, претерпевающих полиморфные превращения или химические реакции с уменьшением удельного объема.

Впервые обнаружено размывание ударных фронтов в смесях компонентов с сильно различающимися сжимаемостями.

4. Методами оптической пирометрии изучено ударно-волновое инициирование химических реакций в смесях металлов с окислителями. Выявлена определяющая роль эффективной поверхности контакта реагентов при распространении детонационно-подобных процессов. Для повышения реакционной способности смесей разработан способ механохимической активации, позволяющий получать механоактивированные энергетические композиты (МАЭК), состоящие субмикронных слоев окислитель-горючее. Реакционная способность МАЕК значительно возрастает по сравнению с обычными смесями, что приводит к существенному увеличению скоростей распространения как детонационно-подобных ударно-волновых процессов, так и скоростей горения.

5. При изучении ударно-индуцированных химических реакций в смесях окислитель-горючее с твердыми конечными продуктами впервые получен детонационный режим в смесях металл-фторопласт. Механизм распространения детонации в таких смесях имеет эстафетный характер за счет передачи реакции высокоскоростными потоками продуктов взрыва от одного очага к другому. Конечные продукты представляют собой твердые вещества, однако на промежуточных стадиях не исключено образование газообразных и жидких полупродуктов.

6. На основании результатов работы может быть сделан практически важный вывод — механохимическая активация смесей окислитель-горючее позволяет получать механоактивированные энергетические композиты, которые могут рассматриваться как новые энергетические материалы широкого круга применения.

В заключение автор считает своим долгом выразить благодарность доктору физ.-мат. наук, профессору Игорю Михайловичу Воскобойникову, доктору хим. наук Стрелецкому Андрею Николаевичу, кандидатам физ.-мат. наук Гогуле Михаилу Федоровичу и Махову Михаилу Николаевичу за помощь в организации исследований и обсуждение результатов работы, а также научному сотруднику ИХФ РАН Колбаневу Игорю Владимировичу за проведение ряда экспериментов по механоактивации смесей.