гистерезисная модель преобразования энергии при ударном

ГИСТЕРЕЗИСНАЯ МОДЕЛЬ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
ПРИ УДАРНОМ СЖАТИИ СЕГНЕТОЭЛЕКТРИКОВ
И.Г. ТОЛСТИКОВ
РФЯЦ — ВНИИ экспериментальной физики, Саров, Россия
e–mail: [email protected]
Быстродействующая взрывная автоматика (ВА) находит все более широкое применение в различных областях науки и техники, где требуется мгновенная адекватная реакция на поступление команды или внешнего
(несанкционированного) воздействия. В настоящее время прогресс в данной области в значительной степени
связан с внедрением разработанных ранее во ВНИИЭФ систем электрического инициирования (СЭИ), повышенная безопасность которых обеспечивается за счет использования так называемых электродетонаторов
“мгновенного” действия, основанных на инициировании бризантного взрывчатого вещества (ВВ), взрывающимся проволочным мостиком [1—3]. Осуществляя комплексный подход к разработкам систем инициирования, во ВНИИЭФ отработаны и совершенствуются конструкции различных элементов взрывной автоматики
[3—8]. Основное направление связано с использованием модернизированных функциональных систем электрического инициирования, базовыми элементами которых являются электродетонаторы и генераторы подрывных электрических импульсов. Помимо традиционных генераторов конденсаторного типа во ВНИИЭФ
разработаны взрывомагнитные генераторы (ВМГ), в которых энергия взрыва ВВ преобразуется в магнитную
энергию, и взрывные пьезо–, сегнетоэлектрические преобразователи (ВПЭ) на эффектах ударной поляризации
и деполяризации сегнетопьезоэлектрических материалов в ударных волнах и волнах сжатия, возникающих при
взрыве ВВ, высокоскоростном соударении, импульсном облучении и т.п. [5, 6, 8]. Более мощные ВМГ требуют
предварительной запитки первичного контура (катушки индуктивности) от внешнего источника тока (например, ВПЭ) и могут быть использованы в качестве усилителей тока (энергии, мощности) при необходимости
синхронного подрыва большого количества (десятки и сотни штук) ЭД или непосредственного задействования
исполнительных устройств ВА [3, 8, 9]. Более простые по конструкции и не требующие предварительной запитки ВПЭ [5,10] с твердотельными пьезоблоками, изготовленными по специальной технологии заливки пьезоэлементов эпоксидными компаундами с наполнителями, обладают оптимальными характеристиками как
генераторы токовых импульсов для инициирования мостиковых ЭД в количестве до нескольких десятков штук
[5, 6, 11—16].
Сегнетоэлектрические ВПЭ являются взрывными устройствами одноразового использования, отличаются
максимальной простотой конструкции, отсутствием источников питания и элементов радиоэлектроники, постоянной готовностью к работе, высокой радиационной стойкостью. Во взрывных системах электрического
инициирования безопасных электродетонаторов ВПЭ могут служить как исполнительными (генераторы (ВПГ)
подрывных импульсов), так и командными (генераторные датчики (ГД) внешних воздействий) устройствами.
В общем случае ВПЭ могут использоваться для запитки любых нагрузок: активных, емкостных (конденсаторов
с номинальной емкостью до десятков микрофарад), индуктивных (катушек с номинальной индуктивностью до
сотен микрогенри) и смешанных. Значение мощности генерируемых ВПЭ импульсов могут достигать единиц
мегаватт, значения энергии – десятков джоулей [8—10].
Основным недостатком ВПЭ является их чувствительность к внешним воздействиям, обусловленная проявлением пиро– и пьезоэффектов. Это обстоятельство приводит к необходимости использования пороговых
или переключающих устройств с целью исключения несанкционированного срабатывания и оптимального
перераспределения генерируемой энергии в нагрузках. В работах [15—21] показана возможность и целесообразность выполнения целого ряда пороговых и переключающих устройств из тех же сегнетоматериалов, которые обычно используются для изготовления пьезопреобразователя ВПЭ. В этом случае удается сохранить все
перечисленные выше положительные качества сегнетоэлектрических ВПЭ, использовать одну технологию
изготовления, конструктивно объединить пьзопреобразователь и пороговое (переключающее) устройство
в один твердотельный пьезоблок.
Результаты отработки за последние два десятилетия сегнетоэлектрических пороговых, переключающих
и вспомогательных устройств (СПУ) для взрывных систем автоматики на основе взрывных пьезогенераторов
подтвердили их работоспособность и перспективы дальнейшего применения. Особое внимание при этом уделялось вопросам безопасности эксплуатации ВПГ в случае несанкционированного инициирования содержащегося в нем ВВ, стойкости ВПЭ и их элементной базы при внешних воздействиях, проблеме обеспечения порога
срабатывания ГД.
2
Снежинск, 5⎯9 сентября 2005 г.
Большой объем проведенных экспериментальных и теоретических исследований в названном направлении способствовал развитию физических представлений о сложной картине сегнетоэлектрических явлений при
импульсных воздействиях и созданию непротиворечивых феноменологических моделей. Показано, что принципы создания СПУ и ВПЭ базируются на одной и той же физической основе: свойствах сегнетоэлектриков,
проявляемых при воздействии ударных волн (УВ) и быстронарастающего сильного электрического поля
(БСП), в частности при импульсном переключении поляризации. Предложена гистерезисная модель ударно–
сжатого сегнетоэлектрика, основанная на аналогии физических явлений, происходящих при импульсном переключении поляризации и ударной деполяризации сегнетоэлектрика, по крайней мере, в нано– и микросекундном временных диапазонах. В соответствии с моделью решающее влияние на процессы генерации энергии и
развития пробоя в ударно–сжатом сегнетоэлектрике так же, как и при импульсном переключении поляризации
оказывают гистерезисные явления. Согласно [22] переход ударно–сжатого поликристаллического сегнетоэлектрика в новое равновесное состояние имеет характер фазовых структурных превращений (изменение симметрии кристалла) и квазифазовых переходов сегнетоэлектрической субструктуры (изменение величины и направления поляризации) отдельных мезообластей (кристаллитов, доменов) дискретным образом. Механизм
перехода и процесс преобразования энергии на мезоуровне определяются динамикой движения межфазных
и доменных границ, несущих нескомпенсированные связанные заряды, в локальных электрических полях запаздывающих экранирующих зарядов и заряженных дефектов. При этом направления движения указанных
границ, вообще говоря, не совпадают с направлением распространения ударной волны. Увеличение давления
сжатия и скорости деформации приводит к увеличению концентрации ударно–индуцированных дефектов в
микрообъеме сегнетоэлектрика, являющихся потенциальными центрами зарождения новой фазы, и, таким образом, к изменению кинетики фазового превращения от преобладания процессов периферийного прорастания
имевшихся априори зародышей новой (несегнетоэлектрической, парафазы) фазы к все большему влиянию
процессов зарождения на дефектах и роста очагов новой фазы по всему объему кристаллита (домена). При
этом переходные процессы экранирования изменяющейся (исчезающей сегнетоэлектрической) доменной
структуры могут существенным образом влиять на развитие пред– и пробойных процессов вплоть до смены
механизма пробоя с электрического (мгновенного) на инерционный – стимулированный ударной деполяризацией пробой. Последний характеризуется сильно убывающей зависимостью величины критического электрического поля от времени, что в реальных конструкциях приводит к масштабному эффекту, связанному со снижением эффективности преобразования энергии при стремлении к увеличению длительности генерируемого
импульса. Смена механизма пробоя является частным случаем проявления эффектов, описываемых в более
общей модели локального усиления электрического поля при импульсном энергетическом (механическом,
электрическом, тепловом и т.п.) воздействии на поликристаллический сегнетоэлектрик [23]. Примерами других эффектов являются импульсная поляризация сегнетоэлектрической пьезокерамики при комнатной температуре в микросекундном диапазоне и многократное изменение электрической прочности многослойного сегнетоэлектрика в зависимости от величины и направления остаточной поляризации отдельных слоев. Во всех
трех случаях локальное усиление электрического поля при импульсном внешнем воздействии приводит к изменению электрофизического состояния (фазы, направления и степени поляризованности, диэлектрической
проницаемости, проводимости, электропрочности и т.п.) отдельных относительно однородных локальных мезообластей в различной степени (относительно состояния локального термодинамического равновесия) с образованием так называемой мозаичной (возбужденной) мезоструктуры, релаксация которой проявляется в виде
названных выше электрофизических макроэффектов. На основе последних разработаны: способ [24] и поляризующая установка для импульсной поляризации до заданного уровня пьезоэлементов и пьезоблоков ВПЭ непосредственно (за несколько микросекунд) перед применением, что повышает безопасность эксплуатации
ВПЭ; способ регистрации параметров выходных сигналов ВПЭ с помощью пассивных сегнетоэлектрических
запоминающих элементов [25, 26]; высоковольтный сегнетоэлектрический разрядник с управляемой с помощью низковольтных импульсов электропрочностью для коммутации цепей СЭИ [17]; универсальный ВПЭ
в виде многослойной металлодиэлектрической структуры с регулируемым уровнем локальных электрических
полей, расчетная мощность которого при использовании пьезополимерных тонких пленок из поливинилиденфторида достигает единиц гигаватт [21, 27].
Развитие представлений о характере физических процессов в сегнетоэлектриках при импульсных воздействиях привело к разработке обобщенной модели функционального ВПЭ, включающего в себя СПУ, необходимой для проведения инженерных расчетов[21]. Показано, что в качестве интегральной характеристики как
характера ударно–волнового нагружения ВПЭ, так и процесса импульсного переключения СПУ можно выбрать одну и ту же легко контролируемую физическую величину — скорость нарастания электрического поля
в пьезопреобразователе или в СПУ. Показано также, что в реальных конструкциях ВПЭ имеются все необходимые для построения порогового устройства функциональные элементы, исключая пороговый элемент (электрический разрядник). Разработаны конструкции пороговых ВПГ и ГД на основе пьезокерамики ЦТС, в которых
основными определяющими пороговый уровень срабатывания элементами являются пьезопреобразователь или
блок компенсации СПУ, при этом неуправляемый электрический твердотельный разрядник используется
VIII Забабахинские научные чтения
3
в качестве дополнительного порогового элемента–коммутатора [15—20]. Проведена экспериментальная апробация разработанных СПУ в опытах с использованием высоковольтной установки и во взрывных опытах с
ВПГ и ГД. Результаты экспериментальной апробации подтвердили правильность заложенных при создании
СПУ физических принципов.
Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что использование СПУ приводит к расширению функциональных возможностей ВПЭ, повышению эффективности и безопасности их эксплуатации, а также к повышению информативности экспериментальных исследований при их
отработке.
Внедрение в последние годы безопасных электродетонаторов мостикового типа в различных областях
техники и расширение их номенклатуры предопределяет дальнейшее развитие и совершенствование функциональных ВПЭ в системах взрывной автоматики [28].
Ссылки
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
Файков Ю.И. Проблемы совершенствования ракетно–артиллерийского вооружения в современных условиях.// В сб.
докл. «Современные методы проектирования и отработки ракетно–артиллерийского вооружения». – Саров, ВНИИЭФ, 2002, с.12 – 15.
Гущин Н.И., Кашин В.М. Комплексы активной защиты – перспективное направление развития РАВ. Там же, с.316 –
319.
Лобанов В.Н., Климов С.А., Киселев А.В., Ленский Р.Г., Лашков В.Н., Бугров В.Г., Рудько М.Л. Современные средства инициирования: быстродействие и безопасность. Там же, с.389.
Киселев А.В., Климов С.А., Лобанов В.Н., Силкин В.В., Василенко В.Г. К вопросу проектирования авиационных систем на элементах взрывной автоматики. // В сб. тез. «Экстремальные состояния вещества. Детонация. Ударные волны». – Саров, ВНИИЭФ, 2001, с.280.
Климов С.А., Котов В.А., Садунов В.Д., Свирский О.В., Трищенко Т.В., Юртов И.В. Взрывной пьезогенератор для
системы пьезоэлектрического инициирования тандемной боевой части ракеты «Малютка–2М». // В сб. тез. «Современные методы проектирования и отработки ракетно–артиллерийского вооружения». – Саров, ВНИИЭФ, 2001, с.98.
Блинов А.В., Михайлов А.Л., Рудько М.Л., Садунов В.Д., Трищенко Т.В. Адаптивная система электрического инициирования зарядов ВВ на основе взрывного пьезогенератора для осколочно–фугасных БЧ. Там же, с.99.
Павловский А.И., Людаев Р.З. Магнитная кумуляция. // В книге «Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики». – Л: Наука, 1984, с.206 – 270.
Новицкий Е.З., Садунов В.Д., Борисенок В.А. Ударно–волновые преобразователи энергии на основе объемных и пленочных сегнетоэлектриков. Известия РАН. Серия физическая, 1993, т. 57, № 3, с.191 – 193.
Новицкий Е.З., Садунов В.Д. Энергетические характеристики сегнетоэлектриков как рабочего тела преобразователей
энергии УВ. ФГВ, 1985, т. 21, № 5, с.104.
Novitskii E.Z., Sadunov V.D., Borissenok V.A. Converters of Mechanical Energy of Shock Wave to an Electric One through
Film or Bulk Ferroelectrics. – Proc. TFPA, 1991, D–93.
Садунов В.Д., Новицкий Е.З. Пьезогенератор. А. с. № 661660, БИ №17, 1979.
Садунов В.Д., Новицкий Е.З. Взрывной пьезогенератор. Патент РФ №1119564, БИ №8, 1997.
Блинов А.В., Коротченко М.В., Садунов В.Д., Трищенко Т.В. Взрывной пьезогенератор. Патент РФ №2154887, БИ
№23, 2000.
Блинов А.В., Коротченко М.В., Садунов В.Д., Трищенко Т.В. Взрывной пьезогенератор. Патент РФ №2154888, БИ
№23, 2000.
Толстиков И.Г., Садунов В.Д., Новицкий Е.З. Взрывной пьезогенератор. А.с. № 1533612, БИ №15, 2002.
Толстиков И.Г., Садунов В.Д., Новицкий Е.З. Устройство для последовательного формирования импульсов в нагрузках. А.с. № 1551029, БИ №15, 2002.
Толстиков И.Г., Садунов В.Д., Пучкова З.М. Устройство для формирования управляющего воздействия. А.с. №
1596879, БИ №15, 2002.
Толстиков И.Г., Борисенок В.А., Новицкий Е.З. Пьезоэлектрический генератор. А.с. № 1600597, БИ №15, 2002.
Толстиков И.Г., Садунов В.Д., Новицкий Е.З., Трищенко Т.В. Пьезоэлектрический генератор. А.с. № 1777532, БИ
№15, 2002.
Толстиков И.Г., Симаков В.Г., Пучкова З.М. Пьезоэлектрический генератор. А.с. № 1835977, БИ №15, 2002.
Мартынов А.П., Погодин Е.П., Толстиков И.Г., Фомченко В.Н. Сегнетоэлектрические элементы и устройства взрывной автоматики. // В сб. тез. «Современные методы проектирования и отработки ракетно–артиллерийского вооружения». – Саров, ВНИИЭФ, 2003, с.176.
Толстиков И.Г., Мартынов А.П., Фомченко В.Н., Ярулин Р.Р. О механизме преобразования энергии при ударном сжатии сегнетоэлектрика. // В сб. тез. Международной конференции «V Харитоновские научные чтения». Саров, изд.
РФЯЦ–ВНИИЭФ, 2003, с.214.
Толстиков И.Г., Садунов В.Д., Новицкий Е.З., Кручинин В.А. О взаимосвязи критических и пробивных электрических
полей при ударном разрушении сегнетоэлектрической пьезокерамики. // В сб. докл. «Пьезоэлектрические материалы и
преобразователи», Ростов–на–Дону, РГПИ, 1991, вып.9, с. 71–74.
Толстиков И.Г., Садунов В.Д., Новицкий Е.З., Садыков С.А., Агаларов А.Ш. Способ импульсной поляризации сегнетокерамики. А. с. № 1814465, БИ №1, 1993.
4
25.
26.
27.
28.
Снежинск, 5⎯9 сентября 2005 г.
Толстиков И.Г. Способ регистрации параметров одиночного прямоугольного электрического импульса тока. Патент
РФ RU № 2029311, БИ №5, 1995.
Tolstikov I.G., Novitskii E.Z. On the Possibility of Amplitude and Duration of Electric Pulse Registration by means of Ferroelectrics. Ferroelectrics, 1992, Vol. 133, pp.259–264.
Толстиков И.Г., Бухаров В.Ф.,Мартынова С.Ю. Импульсные генераторы на основе пьезополимерных пленок. // Proc.
International Conference “Shock waves in condensed matter”, St. Petersburg, High pressure Center, 2002, pp.211, 212.
Садунов В.Д., Блинов А.В., Быстров Е.С., Гельманов Р.А., Лобанов В.Н., Михайлов А.Л., Рудько М.Л. Система точечного группового подрыва скважинных зарядов.// В сб. материалов VIII Российско–Китайского семинара по конверсии
ДРЯБП и КАИФ. Москва. Октябрь 2001.