Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2024 номер 5

Выполнен критический обзор экспериментальных результатов и теоретических моделей по влиянию механического активирования на зажигание порошковых смесей в процессах безгазового и фильтрационного горения, а также на зажигание составов термитного типа. Показано, что все имеющиеся данные однозначно указывают на повышение чувствительности порошковых составов к термическому инициированию, но в случае ударного инициирования чувствительность увеличивается не всегда. Изменение чувствительности обусловлено совокупным действием двух факторов - улучшением контакта реагентов и снижением энергии активации химической реакции. В обзоре предложено использовать фактор механического активирования, учитывающий изменение площади контакта и энергии активации, для описания чувствительности активированных составов.

Рассмотрено влияние предварительного механического активирования порошковых составов на закономерности горения - скорость распространения и максимальную температуру. Скорость горения может увеличиваться, уменьшаться или проходить через экстремум при возрастании времени активации. Утверждается, что такое сложное поведение наиболее полно описывает микрогетерогенная модель горения; рассмотрены также гомогенная и конвективно-кондуктивная модели. Обсуждается вопрос о том, накапливается ли дополнительная энергия в порошковых смесях при механической обработке и почему не наблюдаются сверхадиабатические температуры горения в активированных составах.

Представлены расчетные данные о химически равновесных параметрах детонации стехиометрической водородно-воздушной смеси и этой же смеси с частично диссоциированными компонентами. Установлено сильное влияние диссоциированных компонентов (атомы водорода, кислорода, азота) на параметры системы, особенно на снижение критической энергии инициирования детонации. При увеличении доли атомарного азота в водородно-воздушной системе ее взрывоопасность повышается, энергия инициирования становится даже меньше критической энергии инициирования детонации водородно-кислородной смеси. Проанализированы параметры системы при использовании подогретого воздуха.

Проведено экспериментальное изучение распространения пламени над пленкой жидкого топлива на поверхности твердой фазы в условиях, когда давление паров жидкости ниже бедного предела, а твердая фаза представлена в виде гранул пористой среды. Пламя распространялось со скоростями порядка нормальной скорости гомогенной стехиометрической смеси. Выполнено экспериментальное исследование влияния размера характерного элемента пористой среды и концентрации кислорода в газовой фазе на скорость распространения пламени в пористых средах, смоченных н-бутанолом.

Проведено исследование воспламенения и термического разложения твердых отходов нефтяной промышленности с использованием разных методик термогравиметрического анализа. Эксперименты проводились на предварительно высушенных, измельченных и разделенных по фракциям (от 40 до 100 мкм) образцах. Воспламенение осуществлялось в вертикальной трубчатой печи. Показано влияние механоактивации на процессы воспламенения и разложения. Результаты анализа разными методиками коррелируют между собой. Определены кинетические параметры процесса термического разложения в зависимости от размера частиц и степени разложения коксового остатка.

Методами термогравиметрии, дифференциальной сканирующей калориметрии, рентгенофазового анализа и электронной микроскопии исследованы особенности окисления порошков аморфного бора, модифицированных пентоксидом ванадия. Модифицирование осуществляли путем смешения порошков с ванадийсодержащими гелями - гидрогелем состава V₂O₅ · nH₂O и олеогелем состава V(OCH₂)₂·n(HOCH₂)₂. Установлено, что добавление к порошку аморфного бора 2 % (мас.) V₂O₅ на 200 °C снижает температуру начала его интенсивного окисления и на 25 % повышает удельное тепловыделение в процессе взаимодействия при нагревании на воздухе со скоростью 10 °C /мин. Взаимодействие бора с пентоксидом ванадия рассмотрено в рамках модели бортермального процесса.

Исследовано горение в азоте прессованных из смесей порошков гафния с сажей цилиндрических образцов состава Hf + 0.5 C. Изучались неактивированные смеси и составы, прошедшие предварительную механическую активацию в планетарной мельнице. Давление азота в экспериментах составляло 0.2 ÷ 4 МПа. Установлено, что режим горения образцов из неактивированной смеси зависит от давления азота. При давлении ниже 2 МПа распространение фронта происходит в автоколебательном режиме, при больших давлениях - в стационарном. Горение образцов из механоактивированной смеси протекает стационарно во всем интервале исследованных давлений, при этом скорость горения в 50 ÷ 100 раз превышает скорость горения образцов из неактивированной смеси. Это связано с различием микроструктур этих смесей и, соответственно, с различными механизмами протекания реакции. При механической активации смеси образуются композитные частицы, площадь контакта углерода и гафния в которых на порядки превышает площадь контакта между ними в случае неактивированной смеси. В результате ведущую роль в горении образцов из механоактивированных смесей играет взаимодействие гафния с углеродом, которое приводит к улучшению газопроницаемости образца и последующему азотированию. В образцах из неактивированной смеси ведущую роль играет азотирование гафния, протекающее с небольшой скоростью из-за фильтрационных затруднений.

Проведено исследование горения порошковых и гранулированных смесей (1 - X)(Ti + C) + X (5Ti + 3Si), 0≤X≤1. Экспериментальные значения скорости горения порошковых смесей зависели от доли X бинарной смеси 5Ti + 3Si, от характерного размера частиц титана d(Ti) в шихте и от величины свободного объема над шихтой в реакторе. Для объяснения результатов использована конвективно-кондуктивная модель горения. Показано, что характер изменения скорости горения порошковых смесей при возрастании X связан с выполнением или невыполнением условий прогрева частиц шихты и десорбции примесного газа перед фронтом горения. Большое количество жидкой фазы при 0.4<X<0.6 препятствует выравниванию давления газа перед и за слоем расплава, что обеспечивает максимальные скорости горения тройной смеси при d(Ti) = 120 мкм (или минимальные при d(Ti) = 20 мкм по данным других авторов). По экспериментальным скоростям горения смесей с гранулами размером 0.6 ÷ 1.7 мм рассчитаны время передачи горения между гранулами и скорость горения вещества внутри гранул, т. е. скорость горения порошковых смесей при нивелировании влияния газовыделения. Зависимость скорости горения вещества гранул от X близка к линейной. Для состава 5Ti + 3Si показано, что, в отличие от смеси Ti + C, благодаря выделению примесных газов за слоем расплава, скорость фронта горения в порошковой смеси превышает скорость горения гранулированных смесей и скорость горения вещества внутри гранул.

Проведены модельные эксперименты по ударно-волновому синтезу в механокомпозитах состава 64 % Ti + 36 % Al в разработанном проточном реакторе импульсного действия. Экстремальному термическому воздействию подвергались композиты после 3, 5 и 7 мин механоактивации, разделенные на четыре фракции. Для активации смеси применялась планетарная шаровая мельница «Активатор-2SL». Экспериментально установлено, что разное время механоактивационного воздействия и разная гранулометрия порошков не влияют на качественный фазовый состав продуктов синтеза. В состав продуктов реакции входят аморфизированный Al, недореагировавший Ti, интерметаллические соединения ТiAl, TiAl₃ и Ti₃Al, а также зародыши метастабильных фаз или твердых растворов на основе Ti, находящихся в неравновесном слабоупорядоченном состоянии. Выявлено, что при варьировании времени механоактивации и гранулометрического состава меняется количественное содержание фазового состава конечных продуктов синтеза. Микроструктуры полученных образцов подтверждают формирование многофазного продукта с частично упорядоченной структурой, имеющего аморфную и кристаллическую составляющие.

Рентгенографическим методом исследован процесс распространения детонации в полукольцевых зарядах из пластифицированного ТАТБ со стальной оболочкой внутри при инициировании нормальной детонации по линии на наружной поверхности заряда. В экспериментах определена форма фронта детонационной волны рентгенографическим методом в разные моменты времени. В опытах зафиксировано влияние на форму детонационного фронта слоя из пластического взрывчатого вещества на основе гексогена, расположенного на поверхности основного заряда и имеющего скорость детонации на ≈10 % выше, чем у ТАТБ. Экспериментальное положение и форма фронта детонационной волны в заряде ТАТБ цилиндрической формы не описываются законами геометрической оптики (принцип Гюйгенса) из-за особенностей инициирования детонации на начальном участке и наличия стальной оболочки. Проведено численное моделирование экспериментов по методике ЛЭГАК с использованием макроскопической кинетики детонации. Получена схожая с экспериментом картина инициирования и распространения детонации в заряде ТАТБ. Проведен расчетно-теоретический анализ особенностей распространения детонационной волны.

Измерена скорость детонации эмульсионного взрывчатого вещества с добавлением алюминиевых порошков ПАП-2 и АСД-4 в зарядах разной толщины с разной начальной плотностью. Показано, что добавление алюминиевого порошка ПАП-2 уменьшает критическую толщину эмульсионного взрывчатого вещества. При больших толщинах заряда и плотности алюминизированного эмульсионного взрывчатого вещества более 1.0 г/см³ влияние порошков ПАП-2 и АСД-4 на скорость детонации эквивалентно. Замена алюминиевого порошка на порошок талька заметно ухудшает детонационные характеристики эмульсионного взрывчатого вещества. Результаты работы позволяют предположить, что алюминиевые порошки ПАП-2 и АСД-4 в составе эмульсионного взрывчатого вещества плотностью более 1.0 г/см³ полностью реагируют при детонации до поверхности Чепмена - Жуге.

Рассмотрен случай удара по тонкому кольцевому слою несжимаемого вязкопластического материала с полостью, заполненной газом. Слой помещен в жесткую сборку типа пресс-формы и сдавливается поршнем с постоянной скоростью. Решение соответствующей прочностной задачи выполнено полуобратным методом с заданием стержневого типа течения среды и определяющих уравнений вязкопластического вещества. Полученные данные об ускоренном движении стенок полости рассматриваются как пример фокусировки (кумуляции энергии) в сходящемся потоке. Сведения о распределении температур при нагрузке на слой использованы для расчета параметров инициирования взрыва ударом по кольцевому заряду твердого взрывчатого вещества. Обсуждается возможность теплового воспламенения реакционноспособных веществ без участия саморазогрева и только вследствие диссипативного нагревания за счет энергии механического воздействия.

Эмульсионные взрывчатые вещества демонстрируют сильное неидеальное поведение при детонации. Их взрывное действие обычно увеличивается при добавлении алюминиевого порошка. Была проведена серия испытаний эмульсионных взрывчатых веществ с добавкой 5 % алюминиевого порошка в оболочке из цемента. Определялись скорость детонации и профиль фронта детонации зарядов различных диаметров. С использованием результатов этих экспериментов проведено численное исследование детонационных свойств алюминизированных эмульсионных взрывчатых веществ по модели воспламенения и роста очагов (I&G). Впервые разработана процедура, объединяющая программу оптимизации LS-OPT с гидрокодом LS-DYNA, для определения параметров модели I&G. Рассчитаны детонационные давление и температура для зарядов разного диаметра. Результаты согласуются с опубликованными данными.

Высокоэнтропийные сплавы обладают заметно лучшими механическими и физическими характеристиками по сравнению с традиционными сплавами и находят широкое применение в таких отраслях промышленности, как национальная оборона, авиакосмическая техника, физика высокого давления и т. п. Получение высокоэнтропийных сплавов по большей части осуществляется методом электродуговой плавки, характеризующимся сегрегацией химических элементов и низкой продуктивностью. В настоящей работе для получения тугоплавких высокоэнтропийных сплавов (ТВЭС) применяется метод детонационного спекания механически легированных порошковых смесей тугоплавких металлов. По результатам численных расчетов были определены условия формирования твердорастворной фазы ТВЭС и минимальное детонационное давление, необходимые для детонационного спекания, а также проведены эксперименты, в которых в качестве переменной характеристики использовалось соотношение массы взрывчатого вещества к суммарной массе порошка и трубки, в которую он помещался. В результате детонационного спекания получен объемный материал, содержащий ТВЭС на основе Mo-Nb-Re-Ta-W. Спеченные материалы анализировались методами рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии и т. д. Результаты показали, что полученные продукты содержат ОЦК-фазы и металлический Re, распределение химических элементов неравномерное, а ТВЭС сформировались только в некоторых частях материала, что тем не менее демонстрирует применимость используемого метода для изготовления ТВЭС.

Чувствительность твердых топлив к удару является важным фактором при их производстве, применении и хранении. Для исследования чувствительности и последующей реакции топлив на основе сополимера 3,3-бис(азидометил)оксетана (BAMO) и тетрагидрофурана (THF) (PBT-топлива) при ударе с низкой скоростью проведено 20 Susan-тестов и разработана математическая модель. Результаты показывают, что реакция при ударе инициируется экструзионным пиролизом PBT-топлив. При скоростях удара 120 ÷ 300 м/с относительная выделяющаяся энергия в Susan-тестах больше 20 %, она увеличивается с ростом скорости удара и достигает в максимуме 57.67 %. PBT-топлива демонстрируют сильную реакцию на удар с низкой скоростью и чувствительны к условиям разрушения при ударе. Согласно результатам моделирования протекание реакции экструдированного топлива в снаряде Susan-теста зависит как от скорости удара, так и от характеристик оболочки. Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными и показывают, что частичная детонация инициируется при начальной скорости удара около 260 м/с.