Статья опубликована в №93 (май) 2021
Разделы: Физика, Химия
Размещена 19.05.2021. Последняя правка: 02.06.2021.
Просмотров - 1519

АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО СКОРОСТИ ДЕТОНАЦИИ ВЗРЫВЧАТЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ TKX-50

Голубев Владимир Константинович

Кандидат физико-математических наук, доцент

Нижний Новгород; Университет Людвига-Максимилиана, Мюнхен

Независимый эксперт; приглашенный ученый

УДК 662.215.121

Введение

Энергетический материал TKX-50 (дигидроксиламмоний 5,5'-бистетразол-1,1'-диолат), полученный и первоначально исследованный в работе [1], вызвал широкий интерес и послужил причиной очень большого числа последующих исследовательских работ по изучению его разнообразных физико-химических свойств [2]. Однако основные свойства, необходимые для создания реальных взрывчатых составов на его основе, не вызвали столь же широкого интереса и остались практически очень мало изученными. Таким образом, достаточно достоверной экспериментальной информации для создания конкретных взрывчатых составов на сегодняшний день чрезвычайно мало и практически недостаточно для продвижения практической работы в данном направлении. Что имеется в наличии, так это, например, отрывочные ограниченные данные по скорости детонации и по предельным возможностям компактирования для нескольких взрывчатых составов [3-5].

Чтобы попытаться как-то сдвинуть проблему разработки взрывчатых составов, автором запущена серия расчетных работ по определению детонационных характеристик некоторых возможных композиционных составов с различными связующими, как инертными, так и энергетическими [6-10]. В проводимых расчетах в основном используется программа для термохимических и термодинамических расчетов Explo5 [11]. Выбранные для расчетов параметры программы Explo5 приведены в первой работе указанной серии [6] и в последующем используются во всех остальных работах. Уже полученные результаты являются, по мнению автора, вполне приемлемыми и обнадеживающими, что обусловлено прежде всего выбором для расчетов достаточно реалистичного значения энтальпии образования энергетического материала TKX-50, полученного и перепроверенного в работах [12-14].

Для перехода к возможным экспериментальным исследованиям в этом направлении необходим анализ имеющихся экспериментальных данных по детонационным характеристикам и, прежде всего, по скорости детонации каких-либо взрывчатых составов на основе TKX-50, и тщательное сопоставление их с результатами подобного рода расчетных исследований. Такого рода экспериментальные данные по измерению скорости детонации приведены в уже упомянутых работах [3-5]. Сразу можно отметить, что полученные для одного из изучаемых взрывчатых составов экспериментальные результаты оказались, по мнению автора, достаточно точными, многообещающими и полезными для дальнейшей работы. Таким образом, в данной работе будет проведено краткое рассмотрение и анализ приведенных в указанных работах экспериментальных результатов, а также, с целью сравнения, выполнено расчетное определение детонационных характеристик этих взрывчатых составов.

Результаты анализа и расчетов

В работе [3] изучался взрывчатый состав из 97% TKX-50 и 3% парафина. Условно обозначим его как состав 1. В работе [4] были приведены дополнительные данные для состава 1 и изучался другой взрывчатый состав из 95.5% TKX-50, 3% связующего ETPE и 1.5% графита. Условно обозначим этот состав как состав 2. В работе [5] изучался взрывчатый состав из 94.5% TKX-50, 4.5% парафина и 1% графита. Условно обозначим его как состав 3. Отметим также, что вместо принятого названия TKX-50, данного энергетическому материалу его разработчиком, в работах китайских исследователей для него используется название HATO.

В работе [3] 5 образцов из состава 1 размерами ø30×30 мм, скомпактированные до разной плотности ρ, использовались для измерения скорости детонации D. Эти результаты показаны на рис. 1, скопированным из работы [3].

 

Рис. 1. Влияние плотности состава 1 на скорость детонации [3].

Отмечалось, что измерения скорости детонации проводили по методу, рекомендованному к использованию в китайском военном стандарту GJB772A- 97 702.1. Схема измерения скорости детонации с использованием этого стандартного метода была обнаружена в работе [15] и показана на рис. 2. Важным условием измерения скорости детонация, указанным в этом методе, как, впрочем, и во всех используемых для этих целей нормальных методах измерения, является довольно значительное отнесение первого измерительного контакта от места инициирования испытываемого образца бустерным зарядом.

 

Рис. 2. Схема измерения скорости детонации в соответствии со стандартом GJB772A- 97 702.1 [15].

В работе [3] указывались значения плотности испытанных образцов и приводилась линейная регрессионная зависимость скорости детонации от плотности образцов в виде D = 499 + 4814ρ, R² = 0.9925. При экстраполяции авторами полученной линейной зависимости к теоретическому значению плотности для компактного взрывчатого состава они получили значение скорости детонации, равное 9260 м/с. При последующей операции с использованием формулы Уризара [16] они определили значение скорости детонации для чистого компактного TKX-50, которое по их расчетам оказалось равным 9432 м/с.

В следующей работе [4] приведены некоторые дополнительные результаты для состава 1. Это значения плотностей всех пяти испытанных образцов из состава 1 [3] и значения зарегистрированных для них скоростей детонации. Эти результаты представлены в табл. 1.

Табл. 1. Результаты опытов по измерению скорости детонации в составе 1 [4].

Построенная в данной работе по этим данным линейная регрессионная зависимость D = 149.7 + 5034.8ρ, R² = 0.9975 немного отличается от приведенной в работах [3, 4] и показанной выше в данной статье зависимости.

С целью расчетного изучения влияния плотности на детонационные характеристики состава 1 были проведены расчеты с использованием термохимической программы EXPLO5 [11]. Для TKX-50 и парафина были использованы соответствующие, используемые ранее химические формулы, плотности и энтальпии образования: C₂H₈N₁₀O₄, 1.877 г/см³, 194.1 кДж/моль и CH₂, 0.90 г/см³, -30.6 кДж/моль. Полученные результаты приведены в табл. 2. Это такие детонационные характеристики как 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. Они приведены в зависимости от плотности образцов ρ₀ либо от такой обобщенной, не зависящей от максимальной плотности, характеристики как относительное объемное содержание материала в образце φ_c, однозначно связанное с пористостью π_с (φ_c + π_с = 1). Результаты просчитывались как для плотностей образцов, испытанных в выполненных экспериментах, так и для ряда дополнительных значений плотности, что необходимо для получения более полной картины изучаемого явления. Полученные таким образом расчетные результаты по влиянию плотности состава 1 на скорость детонации показаны на рис. 3.

Табл. 2. Детонационные характеристики состава 1 в зависимости от его плотности

 

 

Рис. 3. Влияние плотности состава 1 на скорость детонации: ромбы – расчет, квадраты – эксперимент [3].

Относительно приведенных на рис. 3 данных можно отметить, что наблюдается фактически полное согласие расчетных и экспериментальных результатов для взрывчатого состава 1 по скорости детонации. Из этого следует вполне закономерный вывод, что и другие детонационные характеристики взрывчатого состава были определены в расчете достаточно точно. Более того, следует и более общий вывод о том, что используемый расчетный метод является достаточно надежным, а используемые в расчете свойства энергетического материала TKX-50, прежде всего, энтальпия образования, являются качественными и достоверными.

В работе [4] основным новым изучаемым объектом являлся взрывчатый состав 2, состоящий из 95.5% TKX-50, 3% связующего ETPE и 1.5% графита. Серьезное внимание в работе уделялось подготовке полученного порошка TKX-50 путем его размалывания и последующему изготовлению образцов. Размалывание порошка проводилось на том естественном основании, что более мелкий порошок лучше подвергается компактированию. На рис. 4 показана морфология порошка в его исходном состоянии, а на рис. 6 приведено распределение по размерам частиц после различного времени размалывания.

 

Рис. 4. Морфология порошка TKX-50 в его исходном состоянии [4].

 

Рис. 5. Распределение по размерам частиц порошка TKX-50 после различного времени размалывания [4].

Из приведенного на рис. 5 распределения можно определить, что в исходном состоянии средний размер частиц порошка равнялся 218.9 мкм, а объемное содержание этой фракции составляло 7.18%. После размалывания порошка в течение 4 часов средний размер частиц и объемное содержание изменились до значений 136.9 мкм и 6.54%.

Образцы из состава 2 компактировали при давлении 300 МПа. Плотность образцов при этом составляла 1.79-1.81 г/см³ и в какой-то степени коррелировала с размерами образцов. Образцы имели разные размеры, от ø20×20 мм до ø60×60 мм. Размеры всех образцов, их плотности и измеренные скорости детонации приведены в табл. 3. Можно отметить, что корреляция измеренной скорости детонации с размерами образцов проявляется даже в несколько большей степени, хотя ограниченное число опытов и различия на уровне экспериментальной погрешности не дают возможности делать какие-то окончательные выводы.

Табл. 3. Результаты опытов по измерению скорости детонации в образцах состава 2

Результаты выполненных термохимических расчетов детонационных характеристик состава 2 приведены в табл. 4. Два наиболее популярных энергетических термопластичных эластомера (ETPE) это GAP и BAMO. Как было показано в работе [9], они очень незначительно отличаются друг от друга по своим энергетическим возможностям в качестве связующих для взрывчатых составов на основе TKX-50. Поэтому в качестве энергетического термопластичного связующего ETPE в расчетах использовали энергетический глицидилазидный полимер GAP с химической формулой C₃H₅N₃O, плотностью 1.29 г/см³ и энтальпией образования 142.3 кДж/моль. Для плотности углерода использовали указанное в программе EXPLO5 значение 2.1 г/см³, про формулу углерода говорить не будем, ну а энтальпия образования простого вещества по определению равна нулю. Результаты просчитывали как для плотностей образцов, испытанных в выполненных экспериментах, так и для ряда дополнительных значений плотности. Полученные расчетные результаты по влиянию плотности состава 2 на скорость детонации показаны на рис. 6.

Табл. 4. Детонационные характеристики состава 2 в зависимости от его плотности

 

 

Рис. 6. Влияние плотности состава 2 на скорость детонации: ромбы – расчет, квадраты – эксперимент [4].

Относительно приведенных на рис. 6 данных можно отметить, что для трех испытанных образцов большего размера наблюдается практически полное (с учетом реальной погрешности измерений) согласие расчетных и экспериментальных результатов для взрывчатого состава 2 по скорости детонации. Для образцов размерами 20 и 30 мм действительно наблюдается определенный масштабный эффект, как называют его авторы статьи. Однако чтобы понять природу этого эффекта необходимо хотя бы поточнее знать схему проведения опытов. В частности, использовался ли при измерении метод, соответствующий указанному в работе [3] стандарту GJB772A- 97 702.1, или какой-либо другой.

В работе [5] изучали взрывчатый состав 3, состоящий из 94.5% TKX-50, 4.5% парафина и 1.0% графита. Рассматривали морфологию порошка TKX-50, и для среднего размера частиц было получено значение 331 мкм. Образцы состава диаметром 21 мм и высотой 12 мм прессовали усилием 58 кН до плотности 1.725 г/см³. В результате нескольких выполненных опытов по измерению скорости детонации было получено ее среднее значение 8234 м/с с очень малым разбросом.

Результаты расчета детонационных характеристик состава 3 были получены как для компактного материала, так и для пористого, вплоть до плотности 1.68 г/см³. Они приведены в табл. 5, а для скорости детонации показаны на рис. 7. 

Табл. 5. Детонационные характеристики состава 3 в зависимости от его плотности

 

 

Рис. 7. Влияние плотности на скорость детонации состава 3: квадрат – эксперимент, ромбы – расчет.

Чем можно объяснить столь значительное различие расчетного и экспериментального значений скорости детонации, тогда как в других случаях, в частности в работе [3], согласие этих результатов было очень хорошим. По-видимому, основным возможным объяснением здесь может служить не очень продуманная постановка опытов по измерению скорости детонации в работе [5]. Скорее всего, автор просто не знаком с методами измерения взрывных процессов и устанавливал измерительные контакты на граничные поверхности образцов, с одной стороны между бустерным зарядом и образцом, а с другой стороны между образцом и какой-то подпирающей преградой. Однако, как известно, при переходе детонационной волны из бустера в образец при наличии неизбежных тонких зазоров или прослоек возможны некоторые неустановившиеся явления, связанные с локальными срывами детонации и ее последующим  восстановлением.

Чтобы избежать влияния этих эффектов и используются схемы измерения, подобные приведенной на рис. 2. И это делается при регистрации скорости детонации в нормальных взрывчатых веществах, содержащих кислород, и не проявляющих особых чудес при инициировании детонации. Однако TKX-50 не относится к такого рода нормальным кислородосодержащим взрывчатым веществам, а наоборот относится к бескислородным солям. А в этих без сомнения энергетических веществах процессы инициирования детонации зачастую существенно затруднены, а иногда даже и невозможны, как показано в работах [17, 18]. Термохимия хорошо описывает установившийся процесс детонации энергетического вещества, но не в состоянии указать на возможность инициирования или на какого-то рода сложные кинетические явления в нем.

Итак, в работе [5] автор, по-видимому, столкнулся с явлением процесса задержки детонации при ее инициировании на границе заряда. При указанной плотности заряда 1.725 г/см³ расчетная скорость детонации равняется 8.675 м/с, а полученное в нескольких экспериментах значение составило 8234 м/с. Таким образом, наиболее вероятной причиной этого существенного различия, по всей видимости, оказалась задержка на границе образца выхода процесса на нормальный детонационный режим. Легко оцениваемое время этой задержки составляет 74 нс.

В рассмотренных работах [3-5] скорости детонации измерялись во взрывчатых составах, образцы которых компактировались до разных значений относительной плотности, либо, что то же самое, до разных значений относительного объемного содержания материала в образце φ_c. В работах [3, 4] предельные условия компактирования характеризовались давлением компактирования P_c = 300 МПа. В работе [5] образцы компактировали при P_c = 167.5 МПа. С целью выявить какую-то общую тенденцию попробуем сопоставить эти результаты с результатами работы [19], в которой изучалось компактирование двух взрывчатых составов на основе TKX-50 с двумя различными связующими: ETPE (энергетическое термопластичное азидное связующее) и фторкаучук. Условно обозначим их как состав 4 и состав 5. Массовое содержание связующего в обоих этих составах составляло 5%. При различных приложенных давлениях компактировали образцы размерами ø20×20 мм. Результаты проведенных в работе [19] опытов показаны на рис. 8 в координатах давление компактирования – относительная плотность. Отметим также, что в работе [19] приведены также результаты по влиянию температуры на компактирование указанных взрывчатых составов при давлении 200 МПа.

 

Рис. 8. Влияние давления компактирования на относительную плотность образцов составов 4 и 5 [19].

А теперь нанесем на приведенный а работе [19] график для взрывчатого состава основе TKX-50 с 5% ETPE результаты по компактированию образцов в работах [3-5] при соответствующих давлениях. Изображенные таким образом результаты показаны на рис. 9.

 

Рис. 9. Влияние давления компактирования на относительную плотность образцов составов 4 (кружки) 1 (ромб) 2 (квадраты) и 3 (треугольник).

На основании рассмотрения этих не столь обильных и высокоточных результатов можно все же почувствовать тенденцию влияния относительного массового содержания TKX-50 в образцах на расположение экспериментальных точек на рис. 9. Более определенно эта тенденция просматривается на рис. 10. Здесь для состава 2 взято основное значение ρ₀ = 1.80 г/см³, полученное при Pc = 300 МПа для трех образцов. Для состава 1 взято значение плотности для максимально скомпактированного образца, а для состава 3 единственное приведенное в работе значение плотности. Таким образом, количественно прорисовывается интуитивно очевидный факт влияния относительного содержания жесткого и прочного порошка TKX-50 на компактирование взрывчатых составов на его основе.

 

Рис. 10. Отклонение результатов по относительной плотности для составов 1-3 от соотношения φ_c(P_c)для состава 4 в зависимости от массового содержания TKX-50 во взрывчатом составе.

Заключение

Выполнен анализ ограниченных экспериментальных данных по скорости детонации трех взрывчатых составов на основе энергетического материала TKX-50. Проведены соответствующие расчеты скорости детонации для более широких, по сравнению с экспериментами, условий испытаний. В целом отмечено хорошее согласие экспериментальных и расчетных результатов, что может указывать на достаточно высокое качество полученных в одной из работ экспериментальных результатов и на вполне приемлемую точность используемого метода расчета. Также отмечена тенденция влияния относительного массового содержания TKX-50 в образцах взрывчатых составов на предельные возможности их компактирования

1. Fischer N. Pushing the limits of energetic materials – the synthesis and characterization of dihydroxylammonium 5,5'-bistetrazole- 1,1'-diolate / N. Fischer, D. Fischer, T.M. Klapötke, D.G Piercey, J. Stierstorfer // J. Mater. Chem. – 2012. – Vol. 22, Iss. 38. – P. 20418-20422.
2. 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.
3. Zhang W.P. Calculation of theory detonation velocity of dihydroxylammonium 5,5'-bistetrazole-1,1'-diolate / W.P. Zhang, F.Q. Bi, Y.S. Wang, Y.F. Huang, W.X. Li, C.L. Wang, S.X. Zhao // Chinese Journal of Explosives & Propellants. – 2015. – Vol. 38, No. 06. – P. 67-71.
4. Xing X.L. The detonation properties research on TKX-50 in high explosive / X.L. Xing, S.X. Zhao, X.F. Wang, W.P. Zhang, X.Q. Diao, W. Fang, W.X. Li // Propellants Explos. Pyrotech. – 2019. – Vol. 44, Iss. 4. – P. 408-412.
5. Gerber P. Properties of explosive charges based on TKX-50 // Applied to 16th International Detonation Symposium. – Cambridge, MD, USA, July 15–20, 2018.
6. 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).
7. 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).
8. 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).
9. Голубев В.К. Расчет детонационных характеристик энергетических композиционных материалов на основе взрывчатого вещества TKX-50 и энергетических полимерных связующих AMMO И BAMO [Электронный ресурс] // SCI-ARTICLE.RU. – 2021. URL: http://sci-article.ru/stat.php?i=1619906382 (дата обращения: 06.05.2021).
10. Голубев В.К. Расчет детонационных характеристик энергетического композиционного материала на основе взрывчатого вещества TKX-50 и полимерного связующего HTPB [Электронный ресурс] // Международный научно-образовательный центр "МОЯ ПРОФЕССИОНАЛЬНАЯ КАРЬЕРА". – 2021. URL: https://www.mpcareer.ru/publikaciya-materialov-v-smi/A4/32c5a72f-bee1-4ecb-bf8a-77650e64b36a (дата обращения: 02.06.2021).
11. Sućeska M. EXPLO05. Version 6.04 User's Guide. – Zagreb, Croatia, 2017. – 174 p.
12. Конькова Т.С. Термохимические свойства ТКХ-50 (дигидроксиламмоний-5,5'-бистетразолат-1,1'-диолат) / Т.С. Конькова, Ю.Н. Матюшин, А.И. Вахтина, Е.А. Мирошниченко, А.Ф. Асаченко, П.Б. Джеваков, Н.И. Шишов // Успехи в специальной химии и химической технологии. – М.: ДеЛи плюс, 2015. – C. 167-168.
13. Konkova T. S. Thermochemical properties TKX-50 (Dihidroxylammonium-5,5-bistetrazole-1,1-diolate) / T.S. Konkova, J.N. Matjushin, E.A. Miroshnichenko, A.F. Asachenko, P.B. Dzhevakov // 47th Annual Conference (International) of ICT. – Karlsruhe, Germany, 2016. – P. 90/1-90/8.
14. Конькова Т.С. Энергетические свойства производных 1,2,4-триазола / Т.С. Конькова, Ю.Н. Матюшин, Е.А. Мирошниченко, М.Н. Махов, А.Б. Воробьев, А.В. Иноземцев // Горение и взрыв. – 2018. – Т. 11, № 4. – С. 90-99.
15. Xiang D.L., Rong J.L., He X. Detonation performance of four groups of aluminized explosives // Cent. Eur. J. Energ. Mater. – 2016. – Vol. 13, No. 4. – P. 903-915.
16. Dobratz B.M., Crawford P.C. LLNL Explosives Handbook. Properties of Chemical Explosives and Explosive Simulants. – Livermore, California: LLNL, 1985. – 522 p.
17. Astachov A.M., Antishin D.V., Tamashkov V.O. On the calculated detonation parameters of some oxygen-free explosives // Proc. XXI Int. Seminar "New Trends in Research of Energetic Materials". Pardubice, Czech Republic, 2019. – P. 291-299.
18. Astachov A.M., Tamashkov V.O., Antishin D.V. Studies of the detonation ability of the hydrazine salt of 5-aminotetrazole // Proc. XXII Int. Seminar "New Trends in Research of Energetic Materials". Pardubice, Czech Republic, 2020. – P. 288-295.
19. Yao L.N. Effects of binder on molding properties of HATO-based explosives / L.N. Yao, Zh.X. Han, C.L. Wang, Sh.X. Zhao, Zh.X. Dai // J. Phys.: Conf. Ser. – 2020. – Vol. 1507, 022032. – 8 p. Doi:10.1088/1742-6596/1507/2/022032.

Рецензии:

20.05.2021, 9:52 Манин Константин Владимирович
Рецензия: Данная статья написана хорошим научным языком и может быть опубликована в журнале. С уважением Манин К. В.

21.05.2021, 12:25 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: Уважаемый Владимир Константинович, работа полностью соответствует требованиям предъявляемым к научным статьям, т.к. результаты работы описаны в 5 таблицах и 10 рисунках. Однако, рекомендую описать актуальность, цель и задачи исследования. Статья может быть опубликована в журнале.



Комментарии пользователей:

21.05.2021, 20:09 Голубев Владимир Константинович Отзыв: Благодарю обоих рецензентов за интерес к работе и положительные отзывы. Что касается вопросов актуальности, цели и поставленных задач, то они в достаточной степени отражены во введении.

Оставить комментарий