Кандидат физико-математических наук, доцент
Нижний Новгород; Университет Людвига-Максимилиана, Мюнхен
Независимый эксперт; приглашенный ученый
УДК 662.21
Введение
Энергетический материал TKX-50 (дигидроксиламмоний 5,5'-бистетразол-1,1'-диолат) явлется одним из новых интересных и перспективных энергетических материалов, разработанных в последние годы. Материал характеризуется сочетанием низких значений чувствительности к удару и трению с высокими значениями термической стабильности, плотности и скорости детонации, а также легким, недорогим синтезом и низкой токсичностью. Это послужило причиной повышенного внимания к материалу и продолжающихся широких исследований его разнообразных свойств, что подробно описано в недавно вышедшей обзорной работе [1]. В связи с этим автором запущен цикл расчетных работ по определению возможностей создания композиционных энергетических материалов на основе TKX-50 с использованием различных связующих материалов [2-4]. Основными параметрами сравнения в данном цикле являются, прежде всего, детонационные характеристики рассматриваемых материалов. Эти характеристики, несомненно, должны быть учтены в качестве основных наряду с рассмотрением и изучением и других физико-химических и технологических свойств разрабатываемых композиционных взрывчатых составов.
В данной работе в качестве энергетических добавок рассмотрены два энергетических полимерных связующих материала близкой природы, но несколько отличающиеся структурой и физико-химическими свойствами. Эти связующие, Poly-AMMO и Poly-BAMO, получают путем полимеризации мономеров AMMO (3-азидометил-3-метилоксетан) и BAMO (3,3-бис(азидометил)оксетан). Свойства этих полимерных материалов, структура которых показана на рис. 1 и 2, .достаточно хорошо изучены и приведены в целом ряде работ, как например [5-9].
Рис. 1. Повторяющаяся структурная единица полимера Poly-AMMO.
Рис. 2. Повторяющаяся структурная единица полимера Poly-BAMO.
Необходимые для проведения термохимических расчетов значения стандартной энтальпии образования ΔfH°, приведенные в разных работах, в достаточной степени стабильны для BAMO и в гораздо меньшей степени для AMMO. Приставку Poly в дальнейшем будем просто опускать, как делается в некоторых работах по изучению этих материалов. Итак, например, для ΔfH° AMMO приводятся значения 46 кДж/моль [5, 6] и 179 кДж/моль [7, 8]. Для ΔfH° BAMO приводятся значения 413 кДж/моль [7, 8], 407 кДж/моль [6], 414 кДж/моль [9] и 440 кДж/моль [5].
Полученные результаты
Расчетное определение детонационных характеристик, состава образующихся продуктов детонации (ПД) и изэнтроп расширения ПД проводится при проведении термохимических и термодинамических расчетов, для которых используются специализированные компьютерные программы. В данной работе, как и в указанных предшествующих работах [2-4], для этих целей используется программа EXPLO5 [10]. В результате анализа имеющихся данных по свойствам рассматриваемых энергетических связующих для расчетов были выбраны следующие значения их плотностей и энтальпий образования: ρ0 =1.06 г/см3, ΔfH° =179 кДж/моль для AMMO и ρ0 =1.30 г/см3, ΔfH° =413 кДж/моль для BAMO. Их химический состав очевиден из приведенных на рис. 1, 2 структурных формул.
С целью исследования влияния добавок указанных энергетических связующих на детонационные характеристики получаемых на основе TKX-50 композиционных энергетических материалов для каждого из связующих было проведено по две серии расчетов. Используемая методология расчетов была поставлена практически так же, как и в работах [3, 4]. В первой серии с использованием программы термохимических расчетов EXPLO5 в диапазоне содержания энергетических добавок до 50 об.% получены зависимости основных детонационных характеристик материала от объемного и массового содержания AMMO и BAMO. Этими характеристиками являются, прежде всего, скорость детонации D, давление детонации P, температура детонации T, показатель адиабаты продуктов детонации (ПД) в точке Жуге k, теплота взрыва Q и объем газообразных ПД Vg. В тех же термохимических расчетах были определены составы образующихся в точке Жуге ПД и их эволюция в процессе увеличения содержания в композиционном материале энергетической добавки.
Во второй серии расчетов получены детонационные характеристики для энергетических композиционных материалов на основе TKX-50 с 5 и 10 мас.% каждого из указанных энергетических связующих. Рассматривались материалы, имеющие начальную пористость в пределах до 10 %. Используемые в термохимических расчетах свойства TKX-50, как и в предшествующих работах [2-4], были следующими: ρ0 = 1.877 г/см3, ΔfH° = 194.1 кДж/молъ, а химическая формула имела вид C2H8N10O4.
Рассчитанные детонационные характеристики для указанных условий первой серии расчетов, то есть в диапазоне содержания энергетических добавок до 50 об.%, приведены в табл. 1, 2. Объемное и массовое содержание TKX-50 обозначается здесь и в последующем как φt и ωt. Для объемных и массовых содержаний AMMO и BAMO выполняются соответствующие элементарные соотношения: φt + φa = 1, ωt + ωa = 1, φt + φb = 1 и ωt + ωb = 1.
Табл. 1. Детонационные характеристики композиционного энергетического материала в зависимости от объемного и массового содержания TKX-50 и AMMO
Табл. 2. Детонационные характеристики композиционного энергетического материала в зависимости от объемного и массового содержания TKX-50 и BAMO
Полученные сравнительные зависимости рассматриваемых композиционных энергетических материалов от объемного и массового содержания TKX-50 для таких основных детонационных характеристик, как скорость и давление детонации, показаны для AMMO и BAMO на рис. 3-6.
Рис. 3. Влияние объемного содержания TKX-50 на скорость детонации композиционных энергетических материалов с BAMO (ромбы) и AMMO (квадраты).
Рис. 4. Влияние объемного содержания TKX-50 на давление детонации композиционных энергетических материалов с BAMO (ромбы) и AMMO (квадраты).
Рис. 5. Влияние массового содержания TKX-50 на скорость детонации композиционных энергетических материалов с включением BAMO (ромбы) и AMMO (квадраты).
Рис. 6. Влияние массового содержания TKX-50 на давление детонации композиционных энергетических материалов с включением BAMO (ромбы) и AMMO (квадраты).
Рассчитанные составы образующихся в точке Жуге ПД для композиционных энергетических материалов на основе энергетического материала TKX-50 и энергетических добавок AMMO и BAMO приведены в табл. 3, 4. Зависимости молярного содержания четырех продуктов, концентрация которых во всем рассматриваемом диапазоне φt превышает 1 мол.%, показаны на рис. 7, 8.
Табл. 3. Состав продуктов детонации в точке Жуге для композиционного энергетического материала TKX-50–AMMO в зависимости от объемного содержания компонентов
Рис. 7. Влияние объемного содержания TKX-50 в композиционном энергетическом материале TKX-50–AMMO на концентрацию таких продуктов детонации, как азот (ромбы), вода (квадраты), углерод (треугольники) и аммиак (кружки).
Табл. 4. Состав продуктов детонации в точке Жуге для композиционного энергетического материала TKX-50–BAMO в зависимости от объемного содержания компонентов
Рис. 8. Влияние объемного содержания TKX-50 в композиционном энергетическом материале TKX-50–BAMO на концентрацию таких продуктов детонации, как азот (ромбы), вода (квадраты), углерод (треугольники) и аммиак (кружки).
В следующей серии расчетов все детонационные характеристики получены для энергетических композиционных материалов на основе TKX-50 с 5 и 10 мас.% AMMO и BAMO. В этом случае указанные энергетические добавки выступают уже не как энергетический наполнитель, а как энергетическое связующее для композиционных взрывчатых составов. Вот для этих составов и рассматриваются условия детонации в случаях, когда они имеют начальную пористость до 10 %. Составы с AMMO можно условно обозначить здесь, как 0.95T–0.05A и 0.90T–0.10A, а составы с BAMO, как 95T–0.05B и 0.90T–0.10B. Все рассчитанные детонационные характеристики этих составов приведены в табл. 5-8, а зависимости скорости и давления детонации от объемного содержания взрывчатого состава φс или его пористости πс показаны на рис. 9-12. Объемное содержание состава и его пористость связана элементарным соотношением φс + πс = 1.
Табл. 5. Детонационные характеристики композиционного взрывчатого состава 0.95T-0.05A в зависимости от его объемного содержания в образце (пористости)
Табл. 6. Детонационные характеристики композиционного взрывчатого состава 0.90T-0.10A в зависимости от его объемного содержания в образце (пористости)
Рис. 9. Влияние объемного содержания материала (пористости) на скорость детонации композиционных взрывчатых составов 0.95T–0.05A (ромбы) и 0.90T–0.10A (квадраты).
Рис. 10. Влияние объемного содержания материала (пористости) на давление детонации композиционных взрывчатых составов 0.95T–0.05A (ромбы) и 0.90T–0.10A (квадраты).
Табл. 7. Детонационные характеристики композиционного взрывчатого состава 0.95T-0.05B в зависимости от его объемного содержания в образце (пористости)
Табл. 8. Детонационные характеристики композиционного взрывчатого состава 0.90T-0.10B в зависимости от его объемного содержания в образце (пористости)
Рис. 11. Влияние объемного содержания материала (пористости) на скорость детонации композиционных взрывчатых составов 0.95T–0.05B (ромбы) и 0.90T–0.10B (квадраты).
Рис. 12. Влияние объемного содержания материала (пористости) на давление детонации композиционных взрывчатых составов 0.95T–0.05B (ромбы) и 0.90T–0.10B (квадраты).
Представилось интересным также сопоставить некоторые детонационные характеристики AMMO, BAMO и ранее изученного GAP [4] в полном диапазоне изменения содержания энергетического материала TKX-50. Результаты расчетов для скорости и давления детонации для всех трех энергетических добавок приведены в табл. 9 и показаны на рис. 13, 14. Здесь на зависимости P(φt) для AMMO можно наблюдать явную нерегулярность при значениях φt = 0.25 и 0.30. Для подтверждения наличия этой нерегулярности в табл. 9 также приведены результаты для температуры детонации и коэффициента адиабаты ПД. Они также показаны на рис. 15, но выяснение причины этой нерегулярности не входило в задачи данной работы.
Табл. 9. Некоторые детонационные характеристики композиционных энергетических материалов в зависимости от объемного содержания TKX-50, AMMO, BAMO и GAP
Рис. 13. Влияние объемного содержания TKX-50 на скорость детонации композиционных энергетических материалов с BAMO (ромбы), AMMO (квадраты) и GAP (треугольники).
Рис. 14. Влияние объемного содержания TKX-50 на давление детонации композиционных энергетических материалов с BAMO (ромбы), AMMO (квадраты) и GAP (треугольники).
Рис. 15. Влияние объемного содержания TKX-50 на температуру детонации (ромбы) и показатель адиабаты ПД (квадраты) композиционного энергетического материала с AMMO.
Заключение
В результате выполненных термохимических расчетов для энергетических композиционных материалов на основе взрывчатого вещества TKX-50 с различным содержанием полимерных энергетических наполнителей AMMO и BAMO для широкого ряда рассмотренных случаев получены результаты по определению фактически всех основных детонационных характеристик. Основные, имеющие определенный научно-практический смысл результаты получены в диапазоне содержания наполнителей до 50 об.%. Дополнительные, в большей степени познавательные результаты получены в диапазоне содержания указанных наполнителей вплоть до 100 об.%. Полученные таким образом результаты сопоставлены с полученными ранее таким же образом результатами для полимерного энергетического наполнителя GAP [4]. Можно отметить, что BAMO естественным образом ощутимо превосходит AMMO по своим энергетическим возможностям, но очень незначительно отличается в этом направлении от GAP. Как и ранее в случае с GAP, для композиционных энергетических материалов, фактически взрывчатых составов, с 5 и 10 мас.% AMMO и BAMO, выступающих в этом случае в качестве энергетических связующих, определено влияние начальной пористости в пределах до 10 % на детонационные характеристики. В результате выполненных таким образом расчетов можно ориентировочно оценить предельные энергетические возможности для разрабатываемых взрывчатых составов на основе энергетического материалаTKX-50.
Рецензии:
8.06.2021, 15:01 Гиёсов Сайфиддин Сафаралиевич
Рецензия: Данная статья, как и другие статьи автора, написана на высоком профессиональном уровне и содержит важные научные результаты по термохимическим расчетам энергетических композиционных материалов на основе взрывчатого вещества ТКХ-50 с различным содержанием полимерных энергетических наполнителей AMMO и BAMO. Однако было бы хорошо, если бы автор обратил внимание на требования журнала и добавил пункты актуальности и научной новизны. После исправления рекомендую опубликовать статью!