Д. ф-м. н. Каленский А.В., Никитин А.П., Зыков И.Ю, Лукатова С.Г.

Кемеровский государственный университет, Россия

Механизм лазерного инициирования взрывного разложения энергетических материалов

Экспериментально показано, что критическая плотность энергии лазерного инициирования (длина волны 1064 нм, длительность импульса на полувысоте 12 нс) тетранитропентаэритрита (ТЭНа) уменьшается более чем на порядок величины при введении в образец наноразмерных (~ 120 нм) примесей алюминия и кобальта. Данный эффект является серьезным доводом в пользу микроочаговой модели инициирования взрывного разложения этих смесевых составов.

Микроочаговая модель инициирования взрывного разложения энергетических материалов (ЭМ) лазерным излучением основывается на предположении, что в объеме вещества находятся включения размером порядка 100 нм, сильно поглощающие лазерное излучение. Предполагается, что вблизи включения во время действия импульса происходит значительное повышение температуры и образование очага реакции. Сечение поглощения излучения включением принимается равным геометрическому сечению частицы, то есть фактор эффективности поглощения Q_abs = 1.

Для формулирования современного варианта микроочаговой модели лазерного инициирования теплового взрыва проведен учет зависимости сечения поглощения света от радиуса включений в рамках теории Ми. Показано:

- Зависимость Q_abs от радиуса включения (r) имеет вид кривой с максимумом, положение и величина которого определяются длиной волны света, материалом включения и матрицы.

- Значения коэффициентов эффективности поглощения больше для материалов с менее выраженными металлическими свойствами.

- Уменьшение длины волны света приводит к смещению максимума эффективности поглощения в область меньших радиусов. Как правило, максимальная эффективность поглощения света при этом увеличивается.

Создан пакет прикладных программ, предназначенный для кинетического анализа взрывного разложения конденсированного энергетического материала. Основные функции программы расчет: зависимости Q_abs (r), индукционного периода взрывного разложения, пространственные и временные распределения температуры в системе ЭМ – металл, наименьшего значения критической плотности энергии.

Численное решение уравнений модели выполнялось на сетке с переменным шагом по координате. Для размеров включений R ≥ 30 нм шаг в окрестностях включения составлял не менее 1/10 толщины прогретого за время импульса вещества энергетического материала, далее размер ячейки увеличивался по закону геометрической прогрессии таким образом, чтобы слой окружающего материала имел суммарную толщину не менее 8R. Ячейка с границей раздела металл – ТЭН содержала как слой материалов ТЭНа, так и металла толщиной в половину шага сетки для каждого вещества. При использованных параметрах размер ячейки в металле составлял ~ 10 нм, что близко к толщине слоя поглощения света (для большинства металлов около 10 нм). Для размеров наночастиц 20≥R>10 нм использовалась одна ячейка (10 нм) внутри металла и вторая ячейка с границей раздела металл-ТЭН. Для размеров R ≤ 10 нм ячейка внутри наночастицы не формировалась. Первой была ячейка, в которую полностью входила наночастица металла, граница раздела металл-ТЭН и слой ТЭНа.

Полученная после разбиения пространства на ячейки система обыкновенных дифференциальных уравнений решалась методом Рунге-Кутты 1-5 порядка с переменным шагом по времени. Относительная погрешность на шаге интегрирования не превышала 10^-9, при этом интегральная относительная погрешность, оцениваемая по точности выполнения закона сохранения энергии, не превышала 2.5∙10^-5.

В модернизированной микроочаговой модели в рамках теории Ми рассчитана зависимость коэффициента эффективности поглощения от радиусов сферических включений алюминия и кобальта в матрице ТЭНа на первой гармонике неодимового лазера. Максимальный коэффициент эффективности поглощения алюминия составляет Q_{abs max Al}= 0.28 при радиусе включения r=100 нм и Q_{abs max Co}= 1.30 при r=97 нм – для кобальта.

С учетом рассчитанной зависимости Q_abs(r) в рамках модели рассчитали наименьшее значение плотности энергии (1064 нм,  12 нс), необходимой для инициирования взрывного разложения ТЭНа с наночастицами алюминия (H_c = 0.24 Дж/см²) и кобальта (H_c = 0.06 Дж/см²).

Теоретические расчеты показали возможность значительного снижения критической плотности энергии инициирования взрывного разложения композитов на основе ТЭНа и включений алюминия и металлов подгруппы железа по сравнению с чистыми прессованными таблетками ТЭНа, имеющими критическую плотность энергии инициирования ~100 Дж/см².

Заключение

Cформулирована методика расчета критических параметров инициирования взрывного разложения за счет нагрева металлических включений. Рассчитаны: радиусы частицы с максимальным коэффициентом эффективности поглощения, максимальный коэффициент эффективности поглощения, критический радиус частицы, температура вспышки, критическая плотность энергии инициирования взрывного разложения ТЭНа с добавками наночастиц серебра, золота, меди, алюминия, кобальта, хрома, железа, никеля, свинца, палладия, олова и ванадия. Определены перспективные составы для капсюля оптического детонатора на основе ТЭНа с добавками наночастиц металлов.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ (№ 14-03-00534 А).

Авторы выражают благодарность чл.-корр. РАН Захарову Ю. А., профессорам Адуеву Б.П., Кригеру В.Г. и Ципилеву В. П. за полезные дискуссии.