Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №93 (май) 2021
Разделы: Физика, Химия
Размещена 05.05.2021. Последняя правка: 06.05.2021.
Просмотров - 315

РАСЧЕТ ДЕТОНАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ВЗРЫВЧАТОГО ВЕЩЕСТВА TKX-50 И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРНЫХ СВЯЗУЮЩИХ AMMO И BAMO

Голубев Владимир Константинович

Кандидат физико-математических наук, доцент

Нижний Новгород; Университет Людвига-Максимилиана, Мюнхен

Независимый эксперт; приглашенный ученый

Аннотация:
Выполнены расчеты детонационных характеристик энергетических композиционных материалов на основе взрывчатого вещества дигидроксиламмония 5,5'-бистетразол-1,1'-диолата (TKX-50) с полимерными энергетическими связующими на основе 3-азидометил-3-метилоксетана (AMMO) и 3,3-бис(азидометил)оксетана (BAMO). Рассматривалось изменение объемного содержание TKX-50 во всем его возможном диапазоне, от 100 % до 0. С использованием программы термохимических расчетов EXPLO5 определены все основные детонационные характеристики рассмотренных энергетических композиционных материалов в зависимости от объемного содержания TKX-50 и энергетических добавок. Определены химические составы образующихся в точке Жуге продуктов детонации. Получены детонационные характеристики энергетических композиционных материалов, фактически взрывчатых составов, на основе TKX-50 с 5 и 10 мас.% связующих AMMO и BAMO. Рассматривались взрывчатые составы, имеющие начальную пористость в пределах до 10 %.


Abstract:
Calculations of the detonation characteristics of energetic composite materials based on the explosive dihydroxylammonium 5,5'-bistetrazole-1,1'-diolate (TKX-50) with polymeric energetic binders based on 3-azidomethyl-3-methyloxetane (AMMO) and 3.3-bis(azidomethyl)oxetane (BAMO) have been performad. The variation in the volumetric content of TKX-50 was considered in its entire possible range, from 100% to 0. Using the program of thermochemical calculations EXPLO5, all the main detonation characteristics of the considered energetic composite materials were determined depending on the volumetric content of TKX-50 and energetic additives. The chemical compositions of the detonation products formed at the Jouguet point were determined. The detonation characteristics of energetic composite materials, in fact explosive compositions, based on TKX-50 with 5 and 10 wt% AMMO and BAMO binders have been obtained. Explosive compositions with an initial porosity of up to 10% were considered.


Ключевые слова:
композиционный энергетический материал; взрывчатое вещество TKX-50; дигидроксиламмоний 5,5'-бистетразол-1,1'-диолат; полимерные энергетические связующие AMMO и BAMO; детонационные характеристики; продукты детонации

Keywords:
compositional energetic material; high explosive TKX-50; dihydroxylammonium 5,5'-bistetrazole-1,1'-diolate; polymeric energetic binders AMMO and BAMO; detonation characteristics; detonation products


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.

Библиографический список:

1. Klapötke T.M. TKX-50: A highly promising secondary explosive // Materials Research and Applications: Select Papers from JCH8-2019. – Singapore: Springer Nature Pte Ltd., 2021. – P. 1-91.
2. Голубев В.К. Влияние заданного значения энтальпии образования на детонационные характеристики на примере энергетического материала TKX-50 [Электронный ресурс] // SCI-ARTICLE.RU. – 2021. URL: http://sci-article.ru/stat.php?i=1613592890 (дата обращения: 21.03.2021).
3. Голубев В.К. Расчет детонационных характеристик энергетического композиционного материала на основе взрывчатого вещества TKX-50 и парафина [Электронный ресурс] // SCI-ARTICLE.RU. – 2021. URL: http://sci-article.ru/stat.php?i=1615941046 (дата обращения: 21.03.2021).
4. Голубев В.К. Расчет детонационных характеристик энергетического композиционного материала на основе взрывчатого вещества TKX-50 и энергетического связующего GAP [Электронный ресурс] // SCI-ARTICLE.RU. – 2021. URL: http://sci-article.ru/stat.php?i=1617162201 (дата обращения: 21.03.2021).
5. Fisher M., Sharp M. Solid rocket propellants for improved IM response – Recent Activities in the NIMIC Nations // Paper presented at the RTO AVT Specialists’ Meeting on “Advances in Rocket Performance Life and Disposal”, RTO-MP-091. – Aalborg, Denmark: NATO S&T Organization, 2002. – P. 21-1 - 21-20.
6. Meyer R., Köhler J., Homburg A. Explosives: Seventh, Completely Revised and Updated Edition. – Weinheim, Germany: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2015. – 430 p.
7. Badgujar D.M. Advances in science and technology of modern energetic materials: An overview / D.M. Badgujar, M.B. Talawar, S.N. Asthana, P.P. Mahulikar // J. Hazard. Mater. 2008. Vol. 151. P. 289-305.
8. Xiao Z. Current trends in energetic thermoplastic elastomers as binders in high energy insensitive propellants in China / Z. Xiao, W. He, S. Ying, W. Zhou, F. Xu // Sci. Tech. Energetic Materials. – 2014. – Vol. 75, No. 2. – P. 37-43.
9. Kubota N. Propellants and Explosives. Thermochemical Aspects of Combustion: Third, Revised and Updated Edition. – Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2015. – 534 p.
10. Sućeska M. EXPLO05. Version 6.04 User's Guide. – Zagreb, Croatia, 2017. – 174 p.




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!

08.06.2021 21:21 Ответ на рецензию автора Голубев Владимир Константинович:
Уважаемый Сайфиддин Сафаралиевич, спасибо за интерес к работе и положительную оценку полученных научных результатов. Считаю, что вопросы актуальности и научной новизны кратко, но достаточно понятно изложены во введении.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх