Особенности горения нанотермитов на основе наноалюминия при лазерном инициировании

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Приведены результаты исследования процесса лазерного инициирования термитных смесей наноразмерных порошков Al с оксидами меди, висмута, молибдена и никеля. Получены новые данные о минимальной энергии инициирования и скорости горения в зависимости от плотности и соотношения компонентов. Инициирование осуществлялось импульсом лазерного диода с длиной волны 808 нм, плотность мощности излучения до 700 Вт/см2. Параметры процесса регистрировались с помощью многоканального пирометра и высокоскоростной видеокамеры. Проведено измерение яркостной температуры продуктов горения нанотермитов (НТ). Изучено влияние инертных светопоглощающих наноразмерных добавок на пороговые параметры лазерного импульса и скорость горения. На основании полученных результатов выдвинуты предположения о механизме инициирования и протекании реакции при воздействии лазерного излучения.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Владимир Григорьевич Кириленко

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: vladkiril@gmail.com

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Россия, 119991, Москва

Леонид Игоревич Гришин

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук; Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Email: lenya-grishin@mail.ru

младший научный сотрудник, аспирант

Россия, 125412, Москва; 115409, Москва

Александр Юрьевич Долгобородов

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук; Объединенный институт высоких температур Российской академии наук; Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Email: aldol@ihed.ras.ru

доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией, главный научный сотрудник, преподаватель

Россия, 119991, Москва; 125412, Москва; 115409, Москва

Михаил Александрович Бражников

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук

Email: birze@inbox.ru

кандидат педагогических наук, старший научный сотрудник

Россия, 119991, Москва

Михаил Леонидович Кусков

Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н. Н. Семёнова Российской академии наук

Email: mkuskov72@gmail.com

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Россия, 119991, Москва

Георгий Евгеньевич Вальяно

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук

Email: gev06@bk.ru

старший научный сотрудник

Россия, 125412, Москва

Список литературы

  1. Бриш А. А., Галеев И. А., Зайцев Б. Н., Сбитнев Е. А., Татаринцев Л. В. Возбуждение детонации конденсированных ВВ излучением оптического квантового генератора // Физика горения и взрыва, 1966. Т. 2. № 3. С. 132–133.
  2. Sivan J., Haas Y., Grinstein D., Kochav Sh., Yegudayev G., Kalontarov L. Boron particle size effect on B/KNO3 ignition by a diode laser // Combust. Flame. 2015. Vol. 162. Iss. 2. P. 516–527.
  3. Herreros D. N., Fang X. Laser ignition of elastomer-modified cast double-base (EMCDB) propellant using a diode laser // Opt. Laser Technol., 2017. Vol. 89. P. 21–26.
  4. Kim Ji Hoon, Cho Myung Hoon, Kim Kyung Ju, Kim Soo Hyung. Laser ignition and controlled explosion of nanoenergetic materials: The role of multi-walled carbon nanotubes // Carbon, 2017. Vol. 118. P. 268–277. doi: 10.1016/j.carbon.2017.03.050.
  5. Korotkikh A. G., Sorokin I. V., Selikhova E. A., Arkhipov V. A. Effect of B, Fe, Ti, Cu nanopowders on the laser ignition of Al-based high-energy materials // Combust. Flame, 2020. Vol. 222. P. 103–110.
  6. Hu Peng, Xian Mingchun, Wu Lizhi, Zhang Haonan, Ye Yinghua, Shen Ruiqi. Laser ignition of a laser-thermal differential composite system based on non-uniform absorption // Chem. Eng. J., 2021. Vol. 421. Part 2. doi: 10.1016/j.cej.2020.127869.
  7. Uhlenhake K. E., Olsen D., Gomez M., rnek M., Zhou M., Son S. F. Photoflash and laser ignition of full density nano-aluminum PVDF films // Combust. Flame, 2021. Vol. 233. doi: 10.1016/j.combustflame.2021.111570.
  8. Energetic nanomaterials: Synthesis, characterization, and application / Eds. V. E. Zarko, A. A. Gromov. — Amsterdam: Elsevier, 2016. 485 p.
  9. Pantoya M., Granier J. The effect of slow heating rates on the reaction mechanisms of nano and micron composite thermite reactions // J. Therm. Anal. Calorim., 2006. Vol. 85. P. 37–43.
  10. Nano-energetic materials: Energy, Environment and sustainability / Eds. S. Bhattacharya, A. K. Agarwal, T. Rajagopalan, V. K. Patel. — Springer, Singapore, 2019. 305 p.
  11. Pantoya M., Granier J. Laser ignition of nanocomposite thermites // Combust. Flame, 2004. Vol. 138(4). P. 373–383.
  12. Sanders V., Asay B., Foley T., Tappan B., Pacheco A., Son S. Reaction propagation of four nanoscale energetic composites (Al/MoO3, Al/WO3, Al/CuO, and Bi2O3) // J. Propul. Power, 2007. Vol. 23. P. 707–714.
  13. Egorshev V. Y., Sinditskii V. P., Yartsev K. K. Combustion of high-density CuO/Al nanothermites at elevated pressures // 10th Autumn Seminar (International) on Propellants, Explosives and Pyrotechnics Proceedings, 2013. P. 287–290.
  14. Petre C., Chamberland D., Ringuette T., Ringuette S., Paradis S., Stowe R. Low-power laser ignition of aluminum/metal oxide nanothermites // Int. J. Energetic Materials Chemical Propulsion, 2014. Vol. 13. P. 479–494.
  15. Адуев Б. П., Ананьева М. В., Звеков А. А., Каленский А. В., Кригер В. Г., Никитин А. П. Микроочаговая модель лазерного инициирования взрывного разложения энергетических материалов с учетом плавления // Физика горения и взрыва, 2014. Т. 50. № 6. С. 92–99.
  16. Колесов В. И., Патрикеев Д. И. Горение нанотермитов в вакууме // Горение и взрыв, 2017. Т. 10. № 1. С. 69–72.
  17. Saceleanu F., Idir M., Chaumeix N., Wen J. Z. Combustion characteristics of physically mixed 40 nm aluminum/copper oxide nanothermites using laser ignition // Front. Chem., 2018. Vol. 6. Article 465. doi: 10.3389/fchem.2018.00465.
  18. Гордеев В. В., Казутин М. В., Козырев Н. В., Кашкаров А. О., Рубцов И. А., Тен К. А., Рафейчик С. И. Исследование механизма горения нанотермитных систем // Ползуновский вестник, 2018. № 2. С. 96–101.
  19. Кириленко В. Г., Гришин Л. И., Долгобородов А. Ю., Бражников М. А. Лазерное инициирование нанотермитов Al/CuO и Al/Bi2O3 // Горение и взрыв, 2020. Т. 13. № 1. С. 145–155.
  20. Dolgoborodov A. Yu., Kirilenko V. G., Brazhnikov M. A., Grishin L. I., Kuskov M. L., Valyano G. E. Ignition of nanothermites by a laser diode pulse // Defence Technology, 2022. Vol. 18. Iss. 2. P. 194–204. doi: 10.1016/j.dt.2021.01.006.
  21. Guen M. Y., Miller A. V. Method for production of metal aerosols. SU Patent 814432, 1961.
  22. Kuskov M. L., Zhigach A. N., Leipunskii I.O., Gorbachev A. N., Afanasenkova E. S., Safronova O. A. Combined equipment for synthesis of ultrafine metals and metal compounds powders via flow-levitation and crucible methods // IOP Conf. Ser. — Mat. Sci., 2019. Vol. 558. P. 012022.
  23. Долгобородов А. Ю., Кириленко В. Г., Стрелецкий А. Н., Колбанев И. В., Шевченко А. А., Янковский Б. Д., Ананьев С. Ю., Вальяно Г. Е. Механоактивированный термитный состав Al/CuO // Горение и взрыв, 2018. Т. 11. № 3. С. 117–124.
  24. Streletskii A. N., Kolbanev I. V., Vorobieva G. A., Dolgoborodov A. Y., Kirilenko V. G., Yankovskii B. D. Kinetics of mechanical activation of Al/CuO thermite // J. Mater. Sci., 2018. Vol. 53. No. 19. P. 13550–13559.
  25. Yankovsky B. D., Dolgoborodov A. Yu., Grishin L. I., Ananev S. Yu. Study of combustion wave propagation in linear charges from mechanically activated thermite mixtures // J. Phys. Conf. Ser., 2021. Vol. 1787. P. 012017. doi: 10.1088/1742-6596/1787/1/012017.
  26. Гогуля М. Ф. Температуры ударного сжатия конденсированных сред. — М.: МИФИ, 1988. 68 с.
  27. Гришенин С. Г., Солодовников А. А., Старцев Г. П. Фотографический метод измерения температуры источников света // Труды Комиссии по пирометрии при ВНИИМ. — М.: Стандартгиз, 1958. Сб. 1.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1 Фотографии nAl (а), nBi2O3 (б), nMoO3 (в) и НТ: Al/CuO 19/81 (г), Al/Bi2O3 15/85 (д) и Al/MoO3 30/70 (е), сделанные с помощью SEM

Скачать (354KB)
Метаданные
3. Рис. 2 Структура поверхности образцов Al/CuO (Ψ = 1,1) разной плотности: (а) ε = 90%; (б) ε = 78%

Скачать (249KB)
Метаданные
4. Рис. 3 Схема экспериментальной установки: 1 — управляющий компьютер; 2 — блок питания и управления; 3 — лазерный диод; 4 — фокусирующие линзы; 5 — видеокамера Phantom Miro LC-310; 6 — защитные стекла; 7 — мишень с образцом; 8 — световоды; 9 — пирометр; 10 — осциллограф

Скачать (62KB)
Метаданные
5. Рис. 4 Осциллограммы лазерного импульса (timp = 1820 мкс) (1) и TTL импульса (1900 мкс) (2)

Скачать (68KB)
Метаданные
6. Рис. 5 Характерные записи излучения при воспламенении НТ: сигналы с тыльной (1) и фронтальной (2) поверхностей

Скачать (77KB)
Метаданные
7. Рис. 6 Критическая плотность энергии инициирования НТ Al/CuO (Ψ = 1,1) в зависимости от пористости: 1 — 207 Вт/см2; 2 — 650 Вт/см2

Скачать (69KB)
Метаданные
8. Рис. 7 Зависимость скорости горения от пористости НТ Al/CuO (Ψ = 1,1): 1 — данные авторов; 2 — данные [12]; 3 — данные [18]

Скачать (70KB)
Метаданные
9. Рис. 8 Влияние содержания сажи на задержку и критическую энергию инициирования НТ Al/CuO (Ψ = 1,1, ε = 89%)

Скачать (71KB)
Метаданные
10. Рис. 9 Яркостная температура продуктов: 1 — Al/CuO (Ψ = 1,1); 2 — Al/CuO (Ψ = 1,1) +1% сажи; 3 — Al/MoO3 (Ψ = 1,2); 4 —Al/Bi2O3 (Ψ = 1,6)

Скачать (284KB)
Метаданные
11. Рис. 10 Начальная стадия лазерного инициирования НТ

Скачать (68KB)
Метаданные
12. Рис. 11 Развитие реакции после завершения лазерного импульса: сигналы с фронтальной (1) и тыльной (2) поверхностей

Скачать (120KB)
Метаданные
13. Рис. 12 Кадры распространения реакции по поверхности образца НТ при ε = 89%

Скачать (311KB)
Метаданные
14. Рис. 13 Распространение горения по поверхности образца НТ при ε = 52%

Скачать (104KB)
Метаданные
15. Рис. 14 Зависимость скорости горения НТ Al/CuO (Ψ = 1,1, ε = 87%) от длины трубки

Скачать (66KB)
Метаданные
16. Рис. 15 Кинограмма горения НТ Al/CuO (Ψ = 1,1, ε = 87%) в стеклянной трубке 45 мм

Скачать (170KB)
Метаданные
17. Рис. 16 Изменение скорости горения НТ Al/CuO (Ψ = 1,1, ε = 87%) по оси трубки 45 мм

Скачать (69KB)
Метаданные

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».