WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Сверхбыстрая химическая реакция в смеси Al-S происходит при превышении в компонентах смеси температурой или давлением критических значений T и p, равных 392.5 К и 2 ГПа. Химическая реакция начинается при выполнении критерия по температуре (данный критерий соответствует температуре плавления серы) и не прерывается вплоть до полного завершения синтеза сульфида алюминия. Скорость химических превращений К0 = ГДж/(кг*с). Энтальпия химической реакции H = 4816 кДж/кг.

На рис. 9 и 10 представлены графики изменений давлений для инертной и реагирующей смеси Al-S и температур для инертных компонентов смеси (Al, S) и Al2S3 в центре ампулы с пористостью - 0.4 и v0 = 2000 м/с.

P, ГПа T, K 1 2 10 0 2 4 6 8 10 12 t, мкс 0 2 4 6 8 10 12 14 t, мкс Рис. 9. Изменение давления во Рис. 10. Изменение температуры:

времени: кривая 1 – химически актив- кривая 1 – образующийся в результате ная смесь; 2 – инертная смесь. реакции Al2S3; 2, 3 – инертные S и Al.

Пиковое давление реагирующих пористых компонентов смеси превышает пиковое давление инертных пористых компонентов смеси (рис. 9). Рис.

10 демонстрирует, что температура ударно сжатых реагирующих компонентов существенно превышает температуры инертных компонентов, что связано с вкладом химической реакции в процесс.

На рис. 11 представлены графики изменения массовых долей пористых 1,Al2S3 реагирующих компонентов смеси Al-S 0,в центре нагружаемого образца, при S 0,6 начальном значении пористости 0.4 и v0 = 2000 м/с. Анализ численных ре0,4 Al зультатов показывает, что химические 0,превращения между Al и S иницииру0,0 ются в проходящей ударной волне и завершаются образованием Al2S3 за 0 2 4 6 8 10 12 t, мкс Рис. 11. Изменение массовых до- времена ударно-волнового нагружелей компонентов во времени.

ния.

Рис. 12 демонстрирует изолинии степени превращения в результате реакции между пористыми компонентами Al и S в цилиндрической ампуле, в разные моменты времени, характеризуя процесс ударно-волнового синтеза.

Начальная скорость ударника – 2000 м/с.

4 мкс 6 мкс 10 мкс Рис. 12. Распределение изолиний степени превращения в осевом сечении ампулы.

На начальном этапе синтеза Al2S3 химическая реакция инициируется в боковых слоях смеси, так как фронтом ударной волны, прежде всего, спрессовываются слои смеси, прилегающие к боковым стенкам ампулы (рис. 12).

К моменту времени 10 мкс химическая реакция протекла полностью во всем образце с образованием Al2S3, а в верхней части прореагировавшего образца в осевой области отчетливо видно образование небольшого полого канала.

Рис. 12 иллюстрирует, что большие скорости ударника и скорости детонации могут привести к образованию полостей в материалах.

В подразделе 4.2 рассмотрено влияние скорости ударника на процесс ударно-волнового синтеза сульфида алюминия. Скорость ударника изменялась в пределах 1000 - 2000 м/с.

Анализ результатов показал, что увеличение скорости ударника приводит к более высоким давлениям в реагирующих компонентах, а также влияет на время начала химической реакции синтеза сульфида алюминия. Кроме того, увеличение скорости ударника приводит к повышению температуры в реагирующих компонентах смеси.

На рис. 13 и 14 представлены графики изменения массовых долей и истинных плотностей образующегося в результате химической реакции сульфида алюминия при варьировании скоростей ударника и начальном значении пористости компонентов 0.4.

, г/см3,1,2,1 0,2,0,1,0,1,0,2 0,0,0,0 5 10 15 20 t, мкс 0 5 10 15 t, мкс Рис. 13. Изменение массовых долей Рис. 14. Изменение истинных плотAl2S3 в центре ампулы. ностей Al2S3 в центре ампулы.

Номера кривых на рис. 13 и 14 соответствуют следующим вариантам: – скорость ударника v0 = 2000 м/с; 2 - v0 = 1800 м/с; 3 - v0 = 1000 м/с; 4 – плотность монолитного Al2S3 (2.02 г/см3). Начальная скорость соударения существенным образом влияет на время начала химической реакции синтеза в смеси (рис. 13). Реагирующие компоненты вступают в реакцию при превышении температурой критического значения T = 392.5 К и завершаются образованием Al2S3 за времена ударно-волнового нагружения. Пиковые значения плотностей Al2S3 практически совпадают при разных исследуемых скоростях ударника (рис. 14). Но после протекания химической реакции и завершения процесса ударно-волнового синтеза, значение плотности, достаточно близкой к значению плотности Al2S3 в беспористом состоянии (линия 4 на рис. 14), наблюдаются у Al2S3 при меньшей скорости ударника v0 = 1000 м/с (кривая 3). Увеличение скоростей ударника и, соответственно, давлений и температур при ударно-волновом нагружении реагирующих компонентов смеси может привести к получению конечных продуктов с достаточно низкой плотностью.

В пятом разделе представлены результаты численного моделирования процессов взрывного компактирования и синтеза в пористых смесях на основе многокомпонентной модели среды и проведены сравнения с экспериментами.

В подразделе 5.1 проведено экспериментально-теоретическое определение параметров взрывного нагружения цилиндрической ампулы и рассчитаны параметры процесса взрывного нагружения для дальнейшего их использования в численном моделировании.

В качестве нагружаемого материала бралась смесь алюминиевого порошка (размер частиц <100 мкм) и порошка серы (размер частиц мкм). Порошки перемешивались в массовой пропорции 35/65 (Al/S), после чего спрессовывались в восемь таблеток диаметром 14.2 мм, высотой 7.5 мм каждая, с пористостью 0.15 (15% пор от общего объема). Таблетки помещались в стальную цилиндрическую ампулу с внешним диаметром 20 мм. Нагружение смеси в ампуле производилось ударом стальной трубы с внешним диаметром 37 мм и толщиной стенки 3 мм, разогнанной продуктами детонации взрывчатого вещества (ВВ). В качестве ВВ бралась смесь аммонит 6ЖВ/аммиачная селитра в пропорции 1/1 с плотностью 1.07 г/см3. Внешний диаметр заряда был 64 мм. Сборка помещалась в поле двух рентгеновских трубок «Орион 600», с помощью которых было произведено фотографирование процесса нагружения ампулы.

Схема эксперимента приведена на рис. 15. На рис. 16 приведены рентгеновские снимки экспериментальной сборки до и в процессе взрывного нагружения.

Рис. 15. Схема экспериментальной сборки:

1 - детонатор; 2 - поле рентгеновской съемки; 3 - заряд аммонита 6ЖВ; 4 - заряд из смеси аммонита 6ЖВ и аммиачной селитры 1/1; 5 - метаемая труба; 6 - ампула; 7 - нагружаемая смесь Al-S. а б Рис. 16. Рентгеновские снимки экспериментальной сборки до (а) и в процессе (б) взрывного нагружения.

После анализа рентгеновских снимков было установлено, что скорость детонации смесевого ВВ составила 3.3 км/с; угол поворота метаемой трубы - 4.70; расчетное давление Чепмена-Жуге 3.33.6 ГПа. Расстояние, пройден ное детонационной волной со скоростью 3.3 км/с, от верхнего торца ударника (без учета конической крышки ампулы) к 19 мкс процесса составило 63.6 мм.

Для определения параметров взрывного нагружения численно в осесимметричной постановке была рассмотрена задача взрывного нагружения стального цилиндрического ударника, метаемого скользящей детонацией ВВ, с цилиндрической ампулой, содержащей пористую смесь алюминий - сера с такими же массовыми долями, как в эксперименте (рис. 17).

0.0.0.10 0.0.P 30 0.0.4.P0.0.50 0.1.t 0.t -20 -10 0 10 Рис. 17. Конфигурации тел при взрывном Рис. 18. Изменение давления нагружении в момент времени 19 мкс. продуктов взрыва во времени.

Предполагается, что процесс детонации стационарен, давление продуктов взрыва изменяется (падает) во времени прямолинейно, что графически представлено на рис. 18. Тогда окончательный вид уравнений для вычисления давления продуктов взрыва на боковую стенку ударника принимает P0 D вид: P = P0 - t при 0 t t, P = 0 при t > t, t =, c =, где t c – толщина ВВ, c – скорость волны разгрузки, D – скорость детонации.

Анализ результатов расчетов показал, что при P0 = 4 ГПа численное моделирование процесса взрывного нагружения количественно и качественно соответствует эксперименту. К моменту времени 19 мкс процесса взрывного нагружения, расстояние, пройденное детонационной волной со скоростью 3.3 км/с составило 63 мм, угол поворота метаемого ударника - 4.760.

(рис. 17). Полученные численные результаты количественно согласуются с результатами, полученными в эксперименте (рис. 16б), а динамика воздействия продуктов взрыва на ударник в эксперименте качественно и количественно соответствует численному моделированию действия продуктов взрыва на цилиндрические ударник и ампулу со смесью Al-S.

В подразделе 5.2 представлены экспериментальные и численные результаты по взрывному компактированию пористой смеси алюминий-сераграфит. Смесь алюминий - сера разбавлялась инертом (графитом) в пропорции 2/1, где две массовые доли приходятся на графит, а одна – на смесь AlS, для снижения последствий реакционного взаимодействия алюминия с серой и реализации в эксперименте процессов компактирования.

Массовые доли компонентов в образце (смеси) были следующие: Al - 11.5, S - 21.5, C - 67; объемные доли: Al -9.55, S - 23.35, C - 67.1. Смешивание компонентов производилось в планетарной мельнице АГО-2У, затем смесь прессовалась в таблетки диаметром 14 мм, толщиной 8 мм. Измеренная пористость - 0.393±0.005. Таблетки в количестве 8 штук помещались в стальную ампулу с внутренним диаметром 14 мм, внешним 20 мм, длиной 84 мм. С краев ампула закрывалась пробками (рис. 19а). Нагружение производилось зарядом - 6ЖВ+NaCl в пропорции 1/1 по массе. Измеренная плотность ВВ - 1.2 г/см3. Внешний диаметр заряда 50 мм. Измеренная скорость детонации - 2.8 км/с.

Для определения фазового состава образца ампула была распилена в месте расположения образца по высоте с интервалом в 1 сантиметр. После этого по центру каждой из отпиленной части ампулы последовательно просверливались отверстия сверлами возрастающего диаметра. Стружка после каждого прохода сверлом исследовалась на дифрактометре. Таким способом восстанавливалось распределение фаз по а б радиусу и длине образца.

Рис. 19. Ампула до (а) и после (б) эксперимента. Примерно в 15 мм от верхнего края образца наблюдалось начало образования центральной зоны, отличающейся по цвету и, соответственно, по фазовому составу от периферийной части (рис. 20).

При приближении к нижней части образца диаметр центральной зоны увеличился. Фазовый анализ материала из центральной зоны показал, что она состоит из смеси графита и продукта взаимодействия алюминия и серы - сульфида алюминия. Степень компактирования образца 97%.

Для сравнения с результатами экспериментов, Рис. 20. Средняя часть численно в осесимметричной постановке была образца.

рассмотрена задача взрывного нагружения стальной цилиндрической ампулы, содержащей инерт ную пористую смесь алюминий-сера-графит в таких же массовых и объемных долях, как в эксперименте. Действие продуктов взрыва на торцевую часть ампулы и на ее боковые стенки моделировалось с учетом результатов, представленных в подразделе 5.1. На рис. 21 представлены расчетные конфигурации в разные моменты времени, характеризующие процесс компактирования инертной пористой смеси.

-20 0 20 0 а б с Рис. 21. Стадии взрывного компактирования в различные моменты времени процесса: а - t = 0 мкс, б – 20 мкс, с – 40 мкс.

Результаты численных расчетов показали, что степень компактирования пористого образца составила почти 100%. Ампула после взрывного компактирования сжата достаточно однородно по всей высоте, а ее форма качественно и количественно совпадает с формой ампулы в эксперименте.

В подразделе 5.3 представлены экспериментальные и численные результаты по взрывному нагружению реагентной пористой смеси алюминийсера. Массовые доли компонентов в образце были следующие: Al - 35, S - 65; объемные доли: Al - 29, S - 71. Технология смешивания и прессования смеси Al-S в таблетки, а также нагружение ампулы были такими же, как в эксперименте со смесью Al-S-C.

В процессе нагружения ампула вскрылась (рис. 22). Детонация ВВ шла со стороны не вылетевшей пробки. Ампула сначала вскрылась в нижней части, после чего вскрылась по всей длине.

После проведения эксперимента на внутренней поверхности ампулы было обнаружено много застывших капель размером до Рис. 22. Вид ампулы Рис. 23. Застывшие капли 4 мм (рис. 23). Рентгенофазопосле эксперимента. сульфида алюминия.

вый анализ собранного из ампулы материала показал, что это сульфид алюминия Al2S3.

Для сравнения с данным экспериментом, численно в осесимметричной постановке была рассмотрена задача взрывного нагружения стальной цилиндрической ампулы, содержащей реагирующую пористую смесь Al-S.

Химическая реакция может начинаться при выполнении критерия либо по температуре T = 392.5 К (температура плавления серы), либо по давлению P = 2 ГПа. Скорость химических превращений К0 была задана в первом случае 240.8 ГДж/(кг*с), во втором – 4816 ГДж/(кг*с).

Рис. 24 демонстрирует распределение изолиний согласованного давления в смеси реагирующих пористых компонентов Al-S, характеризуя динамику ударно-волнового процесса при взрывном синтезе Al2S3.

Рис. 24. Распределение изолиний согласованно-0.0.0.-0.го давления (ГПа) в смеси реагирующих пористых 0.0.компонентов Al-S в осевом сечении ампулы (слева - -t = 20 мкс), справа - t = 31 мкс).

-0.1.На рис. 25 представлены графики измене-1.3.ния массовой доли продукта реакции сульфи0.0.34 да алюминия в центральной и нижней части 0.-ампулы в зависимости от времени, что харак2.55 теризует полноту реакции в смеси.

3.3.-80 В центральной части образца к 14 мкс про0.2.1.цесса взрывного нагружения выполняется 0 критерий по давлению, химическая реакция протекает с высокой скоростью (рис. 25а). Степень полноты реакции достигает значение 0.4 до момента спада давления. После спада давления в смеси продолжает выполняться критерий по температуре, скорость реакции падает и реакция завершается полностью к примерно 27 мкс процесса.

1,0 1,0,8 0,Al2SAl2S0,6 0,0,4 0,0,2 0,0,0 0,0 10 20 30 40 t, мкс 0 10 20 30 40 t, мкс а б Рис. 25. Изменение массовых долей продукта реакции в центральной (а) и нижней (б) части ампулы.

В нижней части ампулы (рис. 25б) реакция протекает за 1 мкс процесса вследствие отражения ударной волны от дна ампулы и резкого повышения давления (рис. 24, t = 31 мкс). Реакция в этой части ампулы инициируется и протекает именно в отраженной ударной волне, т.к. в проходящей ударной волне в этой области ампулы критерии как по давлению, так и по температуре, не выполнялись. В отличие от остальной области ампулы, реакция в нижней части ампулы протекает полностью в ударной волне.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»