11 марта 2016г.
В работе рассчитаны зависимости критической плотности энергии инициирования взрывного разложения композитов на основе PENT от радиусов наночастиц железа, меди, ванадия, золота и олова. Показано, что при уменьшении радиуса критическая плотность энергии инициирования взрывного разложения импульсом лазера перестает зависеть от природы включения.
Ключевые слова: наночастицы железа, наночастицы меди, наночастицы золота, наночастицы ванадия, микроочаговая модель
THE REGULARITIES OF THE EXPLOSIVE DECOMPOSITION OF PENT COMPOSITES – METAL NANOPARTICLES
Nikitin A.P., Galkina E.V., Radchenko K.A., Ivashenko G.E.
FGBOU VPO "Kemerovo state University", Kemerovo
In the work calculated the dependence of the critical density of initiation energy of explosive decomposition of composites based on PENT from the radii of the nanoparticles of iron, copper, vanadium, gold and tin. It is shown that with decreasing radius of the critical initiation energy density of explosive decomposition by laser pulse ceases to depend on the nature of the inclusion.
Key words: iron nanoparticles, copper nanoparticles, gold nanoparticles, the nanoparticles of vanadium, the hot-spot model.
Необходимость разработки оптических детонаторов для уменьшения рисков техногенных катастроф показана в работах [3-7]. Уже созданы оптические детонаторы на основе азида серебра [5, 7, 17]. Необходимыми условиями результативности прикладных исследований явились разработка кинетической модели процесса [5, 14], оценка констант скоростей элементарных стадий процесса [14], экспериментальное исследование кинетических закономерностей допорогового и взрывного разложения [2-12]. Однако оптические детонаторы на основе азида серебра отличаются не только высокой чувствительность к лазерному импульсному воздействию, но и к удару, нагреванию, электрическим наводкам [7]. Ни выращивание центров обрыва цепи, ни использование мелкодисперсной формы образцов не смогло исправить ситуацию. В работах [1-4, 10-13, 18-19] предложено использовать в качестве энергетического материала капсюля не инициирующее а бризантное взрывчатое вещество. Добавки наночастиц алюминия, никеля, кобальта, хрома, меди, серебра, золота в прессованные таблетки пентаэритриттетранитрата (PENT) в незначительных массовых концентрациях приводят к увеличению чувствительности PENT к лазерному импульсному излучению более чем в 100 раз [3-4, 6, 10-12, 18-19]. Возможность создания капсюля оптического детонатора на основе вторичных взрывчатых веществ с наночастицами металлов вызвало новую волну интереса к модели теплового взрыва в микроочаговом варианте [2]. В последнее время появились работы [2, 13, 18] посвященные разработке и модернизации модели. Целью настоящей работы является разработка микроочаговой модели теплового взрыва: расчет зависимостей критической плотности энергии инициирования взрывного разложения нанокомпозитов на основе PENT от размеров наночастиц железа, меди, ванадия, золота и олова, установление особенностей процесса взрывного разложения исследуемых объектов.
Численный эксперимент в двадцатом веке начал существенно ускорять решение научных задач [1-19], и на сегодняшний день натурный эксперимент привлекается на последней (оптимизационной) стадии научного исследования. Взрывное разложение инициирующих и бризантных взрывчатых веществ, инициированное импульсом лазера протекает через достаточно общие стадии, незначительно отличающиеся в этих классах энергетических материалов [1-15, 17-19]. К таковым относятся физические процессы распространения энергии лазера в образце, теплопереноса, диффузии и др. Комплексному исследованию этих и сопутствующим им процессам посвящены работы [1-19]. Поглощение энергии приводит к повышению температуры наночастицы, и ближайших к ней слоев взрывчатых веществ. Начинаемая химическая реакция разложения (и не только) может привести к взрывному разложению, либо несколько отсрочить охлаждение системы до комнатной температуры [1- 4, 6, 10, 12, 15, 18]. В настоящей работе в рамках микроочаговой модели теплового взрыва [4] композитов на основе PENT с наночастицами различных металлов рассчитаны минимальные плотности энергии импульса, приводящие к взрывному разложению (H). Моделирующий импульс аппроксимировался функцией ошибок (как в работах [2- 15]). Однако ширина импульса на полувысоте принималась в этих работах на уровне 20 нс. В современных экспериментальных стендах длительность импульса на полувысоте составляет 12 нс [3, 12], как и в настоящей работе. В работе использованы существенно различные металлы: железо, медь, ванадий, золото и олово.
Рассчитаем зависимости H прессованных таблеток
PENT с наночастицами исследуемых металлов с радиусами (R) от 10 нм до 120 нм. Методика решения данной задачи разработана в работах [2-15]. Модель не учитывает усиление освещенности внутри образца
за счет многократного рассеяния света. Теоретическое и экспериментальное исследование этих процессов в энергетических материалах только начато [1, 8-9, 11, 15, 19].
Численному моделированию процесса взрывного разложения PENT с наночастицами металлов
посвящены недавние работы [2-4, 6, 12, 18]. Система дифференциальных уравнений (ДУ) в частных
производных с заданными начальными и граничными условиями
решалась через создание пространственной сетки с переменным шагом по координате.
Таблица 1 Рассчитанные при радиусах
наночастиц железа, меди, ванадия, золота
и олова минимальные значения плотности энергии лазерного импульса длительностью на полувысоте 12 нс, при которых
реализуется взрывной режим.
R, нм
|
H, Fe
мДж/см2
|
H, Cu
мДж/см2
|
H, V
мДж/см2
|
H, Au
мДж/см2
|
H, Sn
мДж/см2
|
10
|
135.852553
|
135.672901
|
134.984849
|
134.204486
|
132.946908
|
15
|
97.554841
|
97.343721
|
96.537573
|
95.623471
|
94.154862
|
20
|
81.012294
|
80.744626
|
79.724899
|
78.568252
|
76.715203
|
25
|
72.326486
|
71.996792
|
70.742568
|
69.318061
|
67.038783
|
30
|
67.418538
|
67.025937
|
65.533863
|
63.836073
|
61.120138
|
35
|
64.547798
|
64.092218
|
62.361961
|
60.388929
|
57.230825
|
40
|
62.913899
|
62.395805
|
60.429173
|
58.181701
|
54.580678
|
45
|
62.084571
|
61.504593
|
59.304108
|
56.784104
|
52.741611
|
50
|
61.806379
|
61.165169
|
58.733478
|
55.943231
|
51.461724
|
55
|
61.921226
|
61.219398
|
58.559038
|
55.500888
|
50.583243
|
60
|
62.325566
|
61.563676
|
58.676985
|
55.353174
|
50.002375
|
65
|
62.948844
|
62.127387
|
59.016485
|
55.429099
|
49.648088
|
70
|
63.741395
|
62.860812
|
59.527607
|
55.678561
|
49.470158
|
75
|
64.667282
|
63.727966
|
60.174174
|
56.065212
|
49.432079
|
80
|
65.699889
|
64.702187
|
60.929354
|
56.562065
|
49.506699
|
85
|
66.819092
|
65.763317
|
61.772844
|
57.148674
|
49.673404
|
90
|
68.009413
|
66.895845
|
62.689004
|
57.809275
|
49.916272
|
95
|
69.258752
|
68.087646
|
63.665598
|
58.531523
|
50.222811
|
100
|
70.557525
|
69.329112
|
64.692924
|
59.305619
|
50.583086
|
105
|
71.980396
|
70.612533
|
65.763189
|
60.123689
|
50.9890997
|
110
|
73.740586
|
71.931654
|
66.870068
|
60.979333
|
51.434341
|
115
|
74.804707
|
73.281351
|
68.008373
|
61.867301
|
51.913459
|
120
|
76.137409
|
74.657518
|
69.175374
|
62.783366
|
52.422375
|
При
этом возможно свести
систему ДУ в частных производных к большой системе
обыкновенных жестких ДУ. Полученная система обыкновенных ДУ решалась методом
Рунге-Кутты 1-5 порядка с переменным
шагом по времени при относительной погрешности на шаге интегрирования не хуже 10-14. Погрешность по точности выполнения закона сохранения энергии поглощаемого импульса – 2.5∙10-10.
В настоящей
работе методика расчета изменена
в сторону максимального повышения точности расчета H до величины 10-8. На Рисунке
1 приведены рассчитанные зависимости критической (минимальной) плотности энергии инициирования взрывного разложения прессованных таблеток PENT c наночастицами железа, меди, ванадия, золота и олова (см. легенду)
от радиуса наночастиц при длительности лазерного
импульса на полувысоте 12 нс.
Точками
отображаются
положения
глобальных
минимумов
каждой
зависимости,
рассчитанные
с относительной точностью 10-8 по H и абсолютной точностью 0.1 нм по R.
Сравнивая полученные значения
H в первой строчке (при радиусах наночастиц 10 нм) и положения зависимостей H(R) можно сделать вывод
о совпадении (с точностью до 1 %) значений H для относительно небольших размеров наночастиц 5 металлов.
Полученный результат свидетельствует о существовании универсальной (независимой от природы металла) для данной длительности импульса зависимости H(R) (при значении коэффициента эффективности поглощения наночастиц равном 1).
Координаты минимума зависимостей H(R) для металлов
Fe, Cu, V, Au и Sn составили 61.8015474
мДж/см2, 61.1454617 мДж/см2, 58.558699
мДж/см2, 55.351620 мДж/см2 и 49.429910 мДж/см2 соответственно. Рассчитанные значения H получены
при следующих значениях радиусов
наночастиц металлов 50.8 нм, 51.6 нм, 55.2 нм, 60.6 нм и 74.0 нм.
Авторы выражают благодарность научному
руководителю профессору, доктору физико-математических
наук А.В. Каленскому. Работа выполнена
при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований
(№ 14-03-00534 А) и гранта
президента РФ (МК-4331.2015.2).
Список литературы
1.
Адуев Б.П. и др. Исследование оптических свойств наночастиц алюминия
в тетранитропентаэритрите с использованием фотометрического шара//
ЖТФ. 2014. Т. 84. № 9. С. 126-131.
2.
Адуев Б.П. и др. Микроочаговая модель лазерного инициирования взрывного разложения энергетических материалов
с учетом плавления // ФГВ. 2014. Т. 50. № 6. С. 92-99.
3.
Адуев Б.П. и др. Взрывчатое разложение тэна с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения
различной длины волны // ХФ. 2013. Т. 32. № 8. С. 39-42.
4.
Ананьева М.В. и др. Перспективные составы для капсюля оптического детонатора // Перспективные материалы. 2014. №7. С. 5-12.
5.
Ананьева М.В. и др. Инициирование взрывного разложения микрокристаллов азида серебра //Молодой ученый. 2014.
№ 19. С. 52-55.
6.
Ананьева М.В. и др. Кинетические закономерности взрывного разложения ТЭНа, содержащего наноразмерные включения алюминия, кобальта
и никеля // Вестник КемГУ.
2014. № 1-1(57). С. 194-200.
7.
Боровикова А.П. и др. Пространственно-временные характеристики волны горения в азиде серебра // Аспирант. 2014. №3. С. 37-42.
8.
Газенаур Н.В. и др. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны // Аспирант. 2014. № 5. С. 89- 93.
9.
Звеков А.А. и др. Моделирование распределения интенсивности в прозрачной среде с Френелевскими границами,
содержащей наночастицы алюминия// Компьютерная оптика. 2014. Т. 38. № 4. С. 749-756.
10. Зыков И.Ю. Критическая плотность энергии инициирования тэна с добавками наночастиц алюминия// Международное научное издание Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2013. Т. 1.
№ 1(8). С. 79-84.
11. Каленский А.В. и др. Оптические характеристики наночастиц никеля в прозрачных матрицах
// Современные научные исследования и инновации. 2014. № 11-1(43). С. 5-13.
12. Каленский А.В. и др. Влияние
длины волны лазерного излучения на критическую плотность энергии инициирования энергетических материалов // ФГВ. 2014. Т. 50. № 3. С. 98-104.
13. Кригер В.Г. и др. Процессы
теплопереноса при лазерном
разогреве включений
в инертной матрице
// Теплофизика
и аэромеханика. 2013. Т.20. № 3. С.375-382.
14. Кригер В.Г. и др. Релаксация электронно-возбужденных продуктов твердофазной реакции в кристаллической решетке // ХФ. 2012. Т.31. №1. С. 18-22.
15. Лукатова
С.Г. Спектральные закономерности коэффициентов эффективности поглощения композитов золото-тэн // Международное научное
издание Современные фундаментальные и прикладные исследования. 2014. № 2(13).
С. 54 - 58.
16. Халиков Р.М. Технологические схемы решения экологических проблем производства материалов// Nauka- Rastudent.ru. 2014. № 3(03).
С.
10.
17. Ananyeva M.V. et al The size effects
and before-threshold mode of solid-state chain reaction // Журнал Сибирского федерального университета.
Серия:
Химия. 2014. Т. 7. № 4. С.
470-479.
18. Kalenskii A.V. et al Spectral
regularities of the critical energy density of the
pentaerythriol tetranitrate -aluminium nanosystems initiated
by the laser pulse //Наносистемы: физика, химия, математика. 2014. Т.5. № 6. С.803-810.
19. Zvekov A.A. и др. Regularities of light diffusion
in the composite material pentaery
thriol tetranitrate – nickel
// Наносистемы: физика, химия, математика. 2014. Т. 5. № 5. С. 685-691.