Статья опубликована в №93 (май) 2021
Разделы: Физика, Химия
Размещена 05.05.2021. Последняя правка: 06.05.2021.
Просмотров - 1733

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

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 Δ_fH°, 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 Δ_fH° AMMO приводятся значения 46 кДж/моль [5, 6] и 179 кДж/моль [7, 8]. Для Δ_fH° 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, Δ_fH° =179 кДж/моль для AMMO и ρ₀ =1.30 г/см³, Δ_fH° =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 V_g. 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, Δ_fH° = 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 φ_t и ω_t. Для объемных и массовых содержаний AMMO и BAMO выполняются соответствующие элементарные соотношения: φ_t + φ_a = 1, ω_t + ω_a = 1, φ_t + φ_b = 1 и ω_t + ω_b = 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 φ_t 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 φ_с или его пористости π_с показаны на рис. 9-12. Объемное содержание состава и его пористость связана элементарным соотношением φ_с + π_с = 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(φ_t) для AMMO можно наблюдать явную нерегулярность при значениях φ_t = 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.

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!

Комментарии пользователей:

Оставить комментарий