CC BY
27УДК 621.78.067:662.2(662.1/4)
Д.А. Власов1, Т.В. Украинцева2
ТЕРМОВАКУУМНОЕ ИСПАРЕНИЕ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., 26
Факт зависимости критического диаметра детонации от дисперсности частиц взры/вчатого вещества (ВВ) общеизвестен. Однако минимизировать критический диаметр до нужны/х величин за счет использования мелкодисперсных частиц механического измельчения или частиц, полученных методами перекристаллизации весьма затруднительно и небезопасно. Кроме того, получить этими способами частицыI ВВ субмикронных размеров не удается. В статье приводятся некоторые особенности и приемы/ получения частиц ВВ субмикронного и маломикронного размера методом термовакуумного испарения, который дает возможность производить надежно детонирующие зарядыI с критической толщиной (толщина плоского заряда) 30-50 мкм. При этом размер частиц ВВ в плоском заряде составляет 1-50 мкм, а также до 15-20% частиц субмикронного размера. ЗарядыI с такой дисперсностью частиц были успешно использованыI для разработки элементов взрывной логики и детонационных разводок. В статье не приводятся подробности технологии и другие тонкие приемы/ получения ультрадисперсных микрочастиц и собственно приемов получения элементов взрывной логики. Она посвящена анализу особенностей применения вакуумных технологий в физике и химии
Ключевые слова: вакуум, испарение, критический диаметр, взрывная логика, детонация, адгезия, взрывчатые вещества.
Энергетические и прочностные свойства кристаллов
Всякий молекулярный или ионный кристалл имеет сложную энергетическую структуру. Помимо природных и дислокационных дефектов, влияющих на прочностные и иные свойства кристалла, его поверхность является зоной некомпенсированной энергии в связи с отсутствием за свободным пределом поверхности молекулярных сил, которые взаимно компенсированы внутри кристалла. Эта разнородная картина концентрации непостоянных силовых полей в кристалле определяет его прочностные, диэлектрические и иные характеристики. Существование в кристаллах разнородных силовых полей механической и электромагнитной природы приводит к образованию в целом нейтральных кристаллических систем.
Как известно, взаимодействие электронейтральных систем определяется силами Ван-дер-Ваальса. Силовые взаимодействия внутри ионных и молекулярных кристаллов весьма сложны, и их экспериментальное определение в настоящее время весьма проблематично. Впервые численный анализ взаимодействия постоянных диполей внутри дипольных кристаллов провел Кеезом [1,2].
В целом нейтральные энергетические состояния кристаллов определяются тремя составляющими сил Ван-дер-Ваальса:
1) дипольное (ориентационное) взаимодействие составляющих ориентированных частиц кристаллов определяется соотношением:
11ор =-
2 рР{
3 кТ Я6
(1)
где Р1, Р2 - моменты диполей; Т - температура кристалла, ° С; К = 1,3805- 10-16 эрг/град - постоянная
Больцмана; к - расстояние между взаимодействующими частицами, А°.
В то же время взаимодействие наведенных диполей (индукционных диполей), называемое индукционным определяется соотношением:
иинд = -аР2
_1_ Я6
(2)
где Р = £ - I - величина момента диполя; £ - заряд диполя; I - расстояние между зарядами, А°; к - расстояние между взаимодействующими частицами; а - величина наведенного момента.
Однако экспериментальные данные свидетельствовали о том, что и в отсутствие в молекуле постоянных электрических моментов между ними осуществляется наиболее сильное Ван-дер-Ваальсовское взаимодействие.
Не останавливаясь на объяснениях этого сложного взаимодействия, происходящего на квантовом уровне, приведем соотношение, полученное впервые Ф. Лондоном и В. Гейтлером [3].
3 к п 0а 2
идисп = -
Яе
(3)
где 1тп0 - характеристический квант, а - наведенный момент диполя.
Заметим, что последующие исследования показали, что более надежные данные получаются при значении к7.
Проблемы испарения
Краткое описание некоторых особенностей испарения органических кристаллов, приведенное в предыдущем разделе, было учтено при технической реализации непростых и небезопасных технологических задач.
1 Доктор химических наук, профессор кафедры химической энергетики СПбГТИ(ТУ)
2 Кандидат технических наук, доцент той же кафедры.
Дата поступления — 11 ноября 2007 года.
Вакуумная среда вокруг нагретого кристалла будет благоприятствовать выходу с поверхности кристалла элементов поверхности и вследствие разбалансированной энергетически поверхности, и вследствие природной дефектности кристалла.
Процесс термовакуумной деструкции кристалла за счет отдачи им фрагментов кристаллической решетки протекает достаточно быстро, а измеренная с помощью скоростной киносъемки скорость полета этих фрагментов для разных кристаллов лежит в пределах 1-3 м/с. При таких скоростях элементов кристаллов закрепление их на поверхности подложки (алюминиевая фольга, полимерная пленка) становится проблематичным. В этом случае нанесение на поверхность подложки тонкого слоя полиизобу-тилена в отдельных случаях решает эту проблему. Для решения задачи испарения ВВ различной природы, различающихся температурами плавления и степенью дефектности кристаллов, разработана установка термовакуумного испарителя (термогенератора), (рисунок 1). Испаритель закрепляется внутри вакуумной емкости прибора ВУП к электродам электрической цепи и помещенные в испаритель кристаллы ВВ в регулируемом режиме нагреваются вплоть до их расплавления.
Рисунок 1. Схема вакуумной универсальной установки ВУП-5. 1 -корпус прибора; 2 -вакуумный насос; 3 - диффузионный насос; 4 - клапан прямого напуска воздуха; 5 - крепление электродвигателя; б - электродвигатель для крепления подложки; 7 - испаритель ВВ; 8 - электроконтакты; 9 - сигнал перегрева электродвигателя; 10 - показатель температуры в испарителе; 11 - кнопка включения диффузионного насоса; 12 - кнопка включения фор-вакуумного насоса; 13 - кнопка включения прибора; 14 - шкала электронных блоков управления
Опыт показывает, что испарение ВВ в режиме под-плавления дает более качественные тонкослойные заряды, так как испарение фазы позволяет более точно регулировать толщину слоя на подложке и более плотно «упаковывать» макромолекулы и молекулярные группы в слое ВВ.
Однако испарение из расплавов некоторых ВВ (например, ТЭНа или бензотрифуроксана) представляет опасность в том смысле, что эти ВВ при расплавлении и последующем даже незначительном перегреве склонны к возникновению процесса детонации. Это происходит при наличии контакта их расплавов с кислородом воздуха. Многочисленные попытки вызвать детонацию под вакуумным колпаком при глубине вакуума ~10-4 мм. рт. ст. к детонации этих ВВ не приводили.
Для улучшения равномерности расположения частиц ВВ на подложке в ЛТИ им. Ленсовета (ныне Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)) был разработан принцип вращения подложки над потоком испаряющегося ВВ. Элек-троннорастровый снимок структуры слоя ВВ на подложке приведен на рисунках 2 и 3. Также был разработан способ изменения размеров частиц в слое плотности их упаковки.
Рисунок 2. Электронномикроскопический снимок ТЭНа
На рисунке 2 показан электронномикроскопический снимок частиц ТЭНа на подложке из алюминиевой фольги толщиной 50 мкм. Увеличение ~10 тысяч. На снимке показан слой, сформированный за счет потока частиц нерасплавленного ТЭНа, осевших на подложке. Участки поверхности, а затем и объема кристалла при температуре 104-106С, устремляясь в вакуумное пространство через перфорированную крышку испарителя, встречаются с поверхностью подложки, покрытой слоем полиизобутилена, и закрепляются на ней частично за счет сил Ван-дер-Ва-альса и, частично, за счет сцепления с пластичным слоем полиизобутилена (ПИБ). Это характерный вид поверхности с осевшими частицами. Вид частиц свидетельствует о термомеханическом отрыве частиц от кристалла и их оседании на поверхности подложки.
Весьма интересен тот факт, что и при испарении расплавленного ТЭНа, его слой на подложке не намного отличается от слоя, образованного осевшими жесткими частицами. По-видимому, на пути от испарителя до подложки (4-8 см), т.е. за пределами воздействия на микрокапельную систему расплавленного ТЭНа нагретой среды, частицы (микрокапли) расплава успевают закристаллизоваться с соблюдением законов кристаллизации типичных для ТЭНа. Оседая на подложку, они термодинамически завершают построение кристаллов, характерных для ТЭНа.
Весьма неожиданной является картина кристаллизации на подложке паров бензотрифуроксана (БТФ) [4] (рисунок 3). Если микрокапли ТЭНа кристаллизуются почти мгновенно после «вылета» из испарителя, то капли расплава БТФ кристаллизуются в 4-б раз медленнее, и конфигурация кристаллов БТФ на подложке мало напоминает форму исходных кристаллов БТФ, отличающихся безупречно правильной орторомбической формой.
Рисунок 3. Электронномикроскопический снимок БТФ
Если подложку искусственно охладить до 0°С и ниже (до -4°С), то кристаллизация БТФ протекает со значи-
тельным содержанием кристаллов БТФ типичной конфигурации. Следует отметить, что и фактически бесформенные частицы БТФ, и близкие по форме к исходному виду кристаллов, имеют одинаковые скорости детонации и адгезионное сцепление с подложкой.
Принципы работы взрывной логики и детонационной разводки
Отдельные технические устройства, применяемые в условиях высоких и сверхзвуковых скоростей, оснащаются блоками электронной логики, обеспечивающей формирование команд по управлению и точному исполнению назначенных объекту заданий.
Поскольку скорость передачи сигнала по транслятору достигает 8000 м/с и выше, в зависимости от скорости детонации ВВ в трансляторе, то целевые устройства взрывной логики находят применение в космических аппаратах различного назначения для оперативной трансляции импульса при разделении деталей космического аппарата, для передачи нужного импульса при разделении деталей космического аппарата или для передачи импульса с целью исполнения команд конкретной программы [5].
Например, применяемые артиллерийские обстрелы участков лавиноопасных гор часто оказываются недостаточно мощными, и они практически всегда привносят в снежную лавину, раздробленную контактным взрывом каменную породу, отчего сходящая лавина приобретает дополнительную разрушительную силу. Имеющиеся проти-волавинные бомбы снабжены радиолокационным взрывателем (головной взрыватель), а донный взрыватель по программе действует после срабатывания головного. Нужная последовательность работы взрывной логики авиабомбы обеспечивается временными сигналами и осуществляется в зависимости от запланированной высоты взрыва авиабомбы. Чем больше значение задержки в миллисекундах, тем позже сработает система отстрела парашюта и тем ближе к поверхности снежного покрова сработают взрыватели авиабомбы.
Мощная ударная волна с высоты 10-15 м обрушивается на снежный покров и, не провоцируя камнепад, дает начало схода снежной лавины по нужному направлению.
Как видно из данных таблицы 1, отклонение скорости детонации трансляторов от средней ее величины составляет примерно 0,5 %. Такое малое отклонение от средней величины (Дср = 7628 м/с) объясняется достаточно равномерным и плотноупакованным слоем ВВ, а также высокой его дисперсностью (см. таблица 1 и рисунки 2 и 3). Так, если средняя скорость составляет 7628 м/с, то среднее отклонение величиной менее 0,5 % обеспечивает точную и стабильную работу взрывной логики.
Как правило, длина трансляторов в элементах взрывной логики не превышает величины 10-14 см (каждый отдельный транслятор). Если заряд длиной 7628 м за 1 с «ошибается» на 0,5 %, т.е. на « 38 м, то при длине транслятора («10-14 см) опережение или отставание фронта детонационной волны составит около 1,2*10-8 м, а опережение или отставание фронта детонации в трансляторе
составит около 1,5*10"4 м, что свидетельствует о достаточной временной стабильности работы взрывной логики.
В различных реальных объектах блоки взрывной логики имеют суммарную массу, как правило, в пределах 50-150 г, а масса только элементов ВВ составляет величину от 1 до 1,5 г. Такие малые массы ВВ, определяющиеся малой толщиной трансляторов (60-70 мкм) из-за общего малого взрывного импульса обеспечивают сохранность окружающей приборной среды объекта, выполняющего другие задачи.
Заключение
Разработана термовакуумная технология испарения взрывчатых веществ и практическая реализация этой технологии для получения ультратонких пленок (трансляторов детонации) в разрабатываемых элементах взрывной логики. До этого времени взрывные логические схемы (скорее просто трансляторы взрывных импульсов в другие точки объекта) формировались из детонирующих шнуров, либо из лент, полученных из пластитов различных марок. Вследствие нетехнологичности производства, а также из-за большой суммарной массы ВВ создавалась угроза повреждения приборной среды. Тем не менее, эти схемы создали и теоретические и практические заделы для дальнейшей разработки взрывной логики. Создание учеными Ленинградского технологического института технологии и реальной практики в получении ультратонких пленок, состоящих из микронных и субмикронных частиц ВВ, привело в определенном смысле к научно-техническому прорыву в области создания новых изделий и новых направлений в использовании ультрадисперсных частиц ВВ в новых научных разработках.
Литература
1. Kreesom W Dipols // Ph. Ys. Z. 1922. № 22. Р. 128-225.
2. Ахматов А.С. / Молекулярная физика граничного трения. М.: Физматгиз, 1963. 472 с.
3. Лондон Ф, Гейтлер В. // Физика. 1927. № 44. С. 455.
4. Энергетические конденсированные системы: Крат. энциклопед. Словарь / Под ред. Жукова Б.П. М.: Янус-К, 1999. 595 с.
5. Физика взрыва: Учеб. пособие для вузов. В 2 т. Т.1 / Под ред. Орленко Л.П. 3-е изд. испр. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 832 с.
Рекомендовано к публикации кафедрой химической энергетики СПбГТИ(ТУ)
Таблица Экспериментальные скорости детонации трансляторов из БТФ. Длина каждого транслятора 8 см
№ Ширина транслятора 1 мм Ширина транслятора 3 мм
п/п толщина, скорость де- толщина, скорость де-
мкм тонации, м/с мкм тонации, м/с
1 60 7620 63 7646
2 61 7630 64 7650
3 63 7650 64 7648
4 61 7610 63 7641
5 60 7618 62 7636
6 61 7631 63 7642
