Влияние электрического поля на критическое давление

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА КРИТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ
ИНИЦИИРОВАНИЯ БРИЗАНТНЫХ ВВ
Куражов А.С., Вахидов Р.М., Исхаков Т.Н., Базотов В.Я
Казанский государственный технологический университет
Эффект сенсибилизации бризантных ВВ (БВВ) порошком пьезоэлектрической керамики (ПК)
был обнаружен в 70-х годах прошлого столетия. В работах ЦНИИХМ было выявлено, что порошок из
поляризованной ПК значительно увеличивает чувствительность, по сравнению с порошком из неполяризованной ПК, сенсибилизирующее влияние которого сравнимо с такими твердыми добавками как
стекло[1,2,3].
Более высокая чувствительность взрывчатых составов (ВС) с порошком из поляризованной керамики объяснялась созданием дополнительных горячих точек, возникающих при электрических разрядах. Копровые испытания ВС с порошком поляризованной ПК дают лишь качественную оценку чувствительности, так как не позволяют количественно оценить вклад электрического поля в сенсибилизацию БВВ. Для исключения эффекта твердой добавки и оценки напряженности электрического поля в
навеске БВВ, возникающего в момент удара, нами была предложена схема испытаний на чувствительность в приборчиках №1, в которых пьезоэлемент располагается непосредственно в контакте с зарядом
ВВ (рисунок 1).
1 – навеска БВВ; 2 – диск из поляризованной пьезоэлектрической керамики; 3 – ролики; 4 – муфта
Рисунок 1 − Схема экспериментальной ячейки
Напряженность электрического поля в заряде ВВ рассчитывается по следующей формуле:
d 33 ⋅ P
(1)
Е ВВ =
⎛ l BB
⎞
ε 0 ⋅ ⎜⎜
⋅ ε ПК + ε ВВ ⎟⎟
L
⎝ ПК
⎠
где ЕВВ – напряженность электрического поля в заряде ВВ, В/м; d33 – пьезоэлектрический модуль, Кл/Н;
P – динамическое давление, Па; lВВ – толщина слоя ВВ, мм; LПК – толщина пьезоэлектрического элемента, мм; ε0 – диэлектрическая постоянная, Ф/м; εПК – диэлектрическая проницаемость ПК; εВВ – диэлектрическая проницаемость ВВ
При деформации на поверхности пьезоэлемента (ПЭ) образуются связанные некомпенсированные пьезоэлектрические заряды, которые создают в окружающем пространстве электрическое поле.
Чем выше величина пьезоэлектрического модуля, тем выше плотность связанных электрических зарядов на поверхности ПЭ и соответственно тем больше напряженность электрического поля в окружающем пространстве. Таким образом, изменяя электрофизические характеристики ПК можно изменять напряженность электрического поля в навеске ВВ. В настоящей работе применялись ПЭ марок ТБ-1 из
титаната бария и ЦТС-19 в состоянии заводской поставки, а изменение пьезоэлектрических характеристик ПЭ достигалось путем их переполяризации. Нижний предел чувствительности для ТЭНа (и гексогена) при испытании с различными ПЭ представлена на рисунке 2. Испытания проводились в приборчике №1, масса навески 0,05 г, масса груза копра 0,2 кг.
1
НП, 40
см
35
30
25
20
15
10
5
0
0
40
80
120
160
200
240
280
320
, пКл/Н
360 d33
400
Рисунок 2 − График зависимости нижнего предела чувствительности (НП) ТЭНа от величины
пьезоэлектрического модуля керамики
Как следует из экспериментов нижний предел чувствительности ТЭНа уменьшается с увеличением пьезоэлектрического модуля керамики. Для оценки напряженности электрического поля в заряде
ТЭНа измерялась величина динамического давления, создаваемого падающим грузом копра на ПЭ. Для
определения величины динамического давления создаваемого грузом массой 0,2 кг была собрана экспериментальная установка, представленная на рисунке 3, которая позволяет также получать осциллограммы инициирования.
1 − диск из поляризованной пьезоэлектрической керамики; 2 − навеска БВВ; 3 − ролики;
4 –муфта; 5 − поддон; 6 –тензодатчик; 7 −корпус; 8 − дифференциальный усилитель; 9 − АЦП (L-783);
10 − ЭВМ
Рисунок 3 − Схема экспериментальной установки для регистрации осциллограмм инициирования
По измеренным значениям критического давления инициирования и рассчитанным величинам
напряженностей электрического поля построена зависимость (рисунок 4), показывающая взаимосвязь
между критическим давлением инициирования и напряженностью электрического поля.
Pкр,МПа600
500
400
300
200
100
0
0
2
4
6
8
10
12
14 6
Е×10
, В/м
Рисунок 4 − Зависимость критического давления инициирования ТЭНа от напряженности электрического поля
2
Как следует из графика, с увеличением напряженности электрического поля в навеске ТЭНа, его
критическое давление инициирования уменьшается. Так, например, согласно литературным данным
критическое давление инициирования ТЭНа составляет 480 МПа, при электромеханическом воздействии с напряженностью электрического поля 12 МВ/м, критическое давление инициирования составляет
120 МПа. Расчеты по известной формуле предложенной Болховитиновым показывают, что при таком
низком динамическом давлении взрывчатого превращения быть не должно, так как максимально возможная температура разогрева в плоскостях скольжения намного ниже температуры вспышки. В этом
случае, напрашивается вывод, что взрывчатое превращение при низком динамическом давлении происходит за счет дополнительного вклада энергии электрического разряда. Однако, расчеты показывают,
что максимально возможная энергия электрического разряда ПЭ составляет 3·10-3 Дж. В свою очередь
для зажигания ТЭНа насыпной плотности требуется энергия не менее 1 Дж. Таким образом, энергетический вклад электрического поля столь мал, что не способен обеспечить зажигание ВВ.
Введение токопроводящей добавки в состав БВВ с наложением электрического поля приводит к
увеличению чувствительности до уровня инициирующих ВВ. Так, например, состав на основе ТЭНа с
токопроводящей добавкой имеет нижний предел инициирования 3,5 см на копре К-44-1 с массой груза
0,2 кг. Таким образом, энергия инициирования состава с токопроводящей добавкой при электромеханическом воздействии уменьшается в 85 раз.
Вероятнее всего электрическое поле влияет на кинетику взрывчатого разложения БВВ. Такой
вывод можно сделать из сравнения осциллограмм инициирования гексогена при обычных копровых испытаниях и испытаниях с ПЭ (рисунок 5).
Р,МПа
1000
900
800
700
600
3
2
500
400
300
1
200
100
0
0
100
200
300
400
500
600
t,мкс
700
1 − осциллограмма "холостого" удара
2 − инициирование с пьезоэлектрическим элементом
3 − инициирование при стандартных копровых испытаниях
Рисунок 5 − Осциллограмма инициирования взрывчатого разложения гексогена при механических воздействиях
Из осциллограмм видно, что период индукции гексогена при стандартных копровых испытаниях
составляет 560 мкс и критическое давление инициирования 600 МПа, а период индукции гексогена совмещенного с ПЭ составляет уже 120 мкс при критическом давлении инициирования 120 МПа.
Для интерпретации эффекта сенсибилизации при электромеханическом воздействии за основу
была взята теория предложенная институтом Химической физики РАН [4]. Согласно ей, разложение ВВ
происходит в том случае, когда скорость диссоциации химических связей превышает скорость их восстановления. При этом скорость диссоциации связей является функцией приложенного давления. Чем
выше динамическое давление падающего груза, тем больше скорость разрыва связей, соответственно
тем выше вероятность взрывчатого превращения, что, в общем-то, и подтверждается экспериментально.
При критическом давлении инициирования скорость разрыва связей равна скорости их восстановления,
т.е. вероятность взрывчатого превращения минимальна. При давлении ниже критического взрывчатое
превращение не происходит, так как скорость восстановления связей выше скорости диссоциации.
Уравнение, описывающее скорость химической реакции, учитывающее скорости диссоциации и восстановления связей:
3
−
dc к1 ⋅ к Д
=
⋅с,
dt к 2 + к Д
(2)
где с − концентрация реагирующего вещества; к1 − константа скорости реакции распада; к2 − константа
скорости рекомбинации; кД − константа скорости диффузии фрагментов молекул.
Так как разрыв химических связей всегда сопровождается образованием ионов и радикалов, то
процесс сенсибилизации обусловлен воздействием электрического поля на заряженные частицы (ионы,
электроны). В работах Уокера показано, что введение в состав ТНТ вещества генерирующего при ударе
радикалы, приводит к значительному повышению чувствительности и наоборот, вещества являющиеся
активными поглотителями радикалов существенно понижают чувствительность.
Скорость разложения можно повысить не только введением веществ генерирующих радикалы,
но и путем подавления их рекомбинации, т.е. уменьшения скорости восстановления разорванных связей. И электрическое поле как раз позволяет подавить рекомбинацию образующихся при диссоциации
ионов. При наложении электрического поля возникает электростатическая сила, превосходящая силу
кулоновского взаимодействия, в результате чего уменьшается вероятность рекомбинации заряженных
частиц, а соответственно увеличивается вероятность развития взрывчатого превращения.
Вероятность подавления рекомбинации заряженных частиц в электрическом поле в кристаллах
органических веществ описывается законом Онзагера [5].
⎞
⎛ Å
(3)
ϕ ( Å ) = åõð⎜ − àêò ⎟ ⋅ 1 + 2 ⋅ q ⋅ β ⋅ (1 + cos θ ) + 4 ⋅ β 2 ⋅ q ⋅ (q − r )
⎝ k ⋅T ⎠
(
)
Еакт=е2/4·π·ε·ε0·r0,
k·T=e2/4·π·ε·ε0·2·q,
q = e2/8·π·ε·ε0·k·T,
β = e·E/2·k·T,
где φ – вероятность разделения зарядов или вероятность подавления рекомбинации электрона и родительского иона; 2·q – радиус действия сил электростатического притяжения между электроном и ионом,
м; r – расстояние, которое первоначально разделяет носители противоположного знака в результате ионизации молекулы, м; е – заряд электрона, Кл; Е – напряженность электрического поля, В/м; k – постоянная Больцмана, Т – температура в навеске ВВ, K; θ – угол между радиус-вектором r и вектором напряженности внешнего электрического поля Е; Еакт – энергия активации разделения зарядов в отсутствии внешнего поля, или энергия кулоновского притяжения, Дж; k·T – тепловая энергия электрона, Дж.
Объединив формулу Онзагера и уравнение разложения ВВ при механическом воздействии (2),
нами было предложено уравнение, описывающее скорость разложения в электрическом поле.
dc
(4)
−
= k1 ⋅ c ⋅ exp(−2 ⋅ q / r ) ⋅ (1 + 4 ⋅ β ⋅ q + 4 ⋅ β 2 ⋅ q ⋅ (q − r ))
dt
Как видно, уравнение скорости разложения имеет два члена, первый член описывает традиционную аррениусовскую кинетику, зависящую от энергии активации, а второй член описывает вклад электрического поля на скорость разложения. Поделив уравнение скорости реакции в электрическом поле
на уравнение скорости реакции без электрического поля, получаем уравнение относительной скорости
реакции, которая равна второму члену предложенного уравнения. Относительная скорость реакции показывает во сколько раз скорость разложения в электрическом поле, выше скорости разложения без поля. По сути, относительная скорость реакции показывает во сколько раз увеличивается вероятность подавления рекомбинации ионов в электрическом поле определенной напряженности.
ϕ (E)
(5)
n=
= 1 + 4 ⋅ β ⋅ q + 4 ⋅ β 2 ⋅ q ⋅ (q − r )
ϕ ( 0)
Таким образом, механизм сенсибилизации БВВ при электромеханическом воздействии связывается с ускорением скорости реакции разложения БВВ.
Список литературы
.
1. Пат. РФ №2067970 С 06 В 45/02, Би.№29, 20.10.96.Сенсибилизатор к взрывчатым веществам
4
2.Исхаков Т.Н., Александров А.В., Людвигов В.Ф. Влияние электрического поля на чувствительность к
удару бризантных ВВ. В сб. Детонация. Черноголовка: Институт химической физики, 1992. – С. 70-71
3. Вахидов Р.М., Исхаков Т.Н., Базотов В.Я., Кузнецов Е.П., Куражов А.С. Влияние электрического поля
на скорость разложения ЭНМ. Вестник Самарского государственного технического университета, Техническая серия, №46, Самара, СамГТУ.-2006. С.114-117
4. Манелис Г.Б. Современные проблемы кинетики химических реакций в твердой фазе // Проблемы химической кинетики. – М.: Наука, 1979. – С. 226-231.
5. Поуп М., Свенберг Ч. Электронные процессы в органических кристаллах.- М.: Мир, 1985. т.2.-462 с.
5