книги / Химическая физика энергонасыщенных материалов
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
Д.Д. Талин
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2018
УДК 662 Т16
Рецензенты:
канд. техн. наук Ю.Т. Одинцов (НИИ полимерных материалов);
канд. техн. наук, доцент С.А. Котельников (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
|
Талин, Д.Д. |
|
|
Т16 |
Химическая |
физика энергонасыщенных материалов |
|
|
учеб, пособие / |
Д.Д. Талин. - |
Пермь Изд-во Перм. нац. |
|
исслед. политехи, ун-та, 2018. - |
158 с. |
|
ISBN 978-5-398-01999-5
Представлены различные классы энергонасыщенных конденсирован ных материалов и специфические для данных материалов процессы (горение, детонация, переход горения в детонацию). Рассмотрены физико-химические, энергетические и баллистические свойства ВВ, порохов и твердых ракетных топлив, их чувствительность к внешним воздействиям, работоспособность, а также методы определения и регулирования вышеуказанных характери стик. Приведены принципы математического моделирования процесса горе ния и термодинамического проектирования порохов и ТРТ.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности 18.05.01 «Химическая технология энергонасыщенных материалов и изделий» со спе циализацией № 2 «Химическая технология полимерных композиций, поро хов и твердых ракетных топлив», а также для специалистов в области созда ния порохов, твердых ракетных топлив и зарядов из них.
УДК 662
ISBN 978-5-398-01999-5 |
© ПНИПУ, 2018 |
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ........................................................................................ |
5 |
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................. |
6 |
1. ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫЕ КОНДЕНСИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ...... |
9 |
1.1. Метательные ЭКМ.................................................................................................. |
10 |
1.2. Взрывчатые ЭКМ.................................................................................................... |
14 |
1.3. Пиротехнические составы ................................................................................... |
16 |
Контрольные вопросы................................................................................................... |
18 |
2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ВЗРЬЮНОМ ПРЕВРАЩЕНИИ............................... |
19 |
2.1. Общее понятие взрыва.......................................................................................... |
19 |
2.2. Формы взрывного превращения....................................................................... |
21 |
2.3. Виды самораспространяющегося взрывного превращения.................. |
22 |
2.4. Стадии взрыва.......................................................................................................... |
26 |
2.5. Условия химического взрыва............................................................................ |
26 |
2.5.1. Экзотермичность реакции........................................................................... |
27 |
2.5.2. Наличие газообразных веществ в продуктах |
|
химического превращения...................................................................................... |
27 |
2.5.3. Большая скорость химической реакции................................................ |
28 |
2.5.4. Способность к самораспространеншо................................................... |
29 |
Контрольные вопросы................................................................................................... |
32 |
3. МЕХАНИЗМЫ ВЗРЫВНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В Э К М ............................... |
33 |
3.1. Механизм горения гомогенных (нитроцеллюлозных) |
|
порохов и ТРТ................................................................................................................... |
34 |
3.2. Механизм горения гетерогенных (смесевых) |
|
твердых ракетных топлив............................................................................................ |
37 |
3.3. Механизм детонации взрывчатых веществ.................................................. |
39 |
3.4. Переход горения в детонацию........................................................................... |
46 |
Контрольные вопросы................................................................................................... |
51 |
4. СВОЙСТВА ЭКМ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ.................................... |
52 |
4.1. Структура и плотность ЭКМ .............................................................................. |
52 |
4.2. Кислородный баланс............................................................................................. |
56 |
4.3. Теплота взрывного превращения..................................................................... |
60 |
4.4. Температура взрывного превращения............................................................ |
63 |
4.5. Удельный объем газообразных продуктов взрывного |
|
превращения...................................................................................................................... |
66 |
4.6. Скорость горения порохов и твердых ракетных топлив........................ |
68 |
4.6.1. Зависимость скорости горения от давления....................................... |
71 |
4.6.2. Зависимость скорости горения от начальной |
|
температуры заряда................................................................................................... |
74 |
4.6.3.Зависимость скорости горения от скорости обтекания
горящей поверхности продуктами горения...................................................... |
75 |
4.7. Скорость детонации............................................................................................. |
7 7 |
Контрольные вопросы..................................................................................................... |
80 |
5. ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ЭК М .................................................................................... |
81 |
5.1. Чувствительность к механическим воздействиям..................................... |
81 |
5.2. Чувствительность к тепловым воздействиям |
|
(тепловой начальный импульс)................................................................................... |
89 |
5.2.1. Огневой начальный импульс....................................................................... |
89 |
5.2.2. Нагрев ЭКМ источником тепла без пламени...................................... |
90 |
5.3. Чувствительность ЭКМ к электрическому импульсу.............................. |
97 |
5.4. Детонация через влияние.................................................................................... |
100 |
5.5. Факторы, влияющие на чувствительность ЭКМ ....................................... |
101 |
Контрольные вопросы................................................................................................... |
105 |
6. РАБОТОСПОСОБНОСТЬ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКМ .............................. |
107 |
6.1. Работоспособность порохов.............................................................................. |
108 |
6.1.1. Сила пороха..................................................................................................... |
108 |
6.1.2. Баллистическая эффективность порохов............................................. |
111 |
6.2. Работоспособность твердых ракетных топлив.......................................... |
115 |
6.2.1. Удельный импульс тяги.............................................................................. |
115 |
6.2.2. Баллистическая эффективность ракетных топлив.......................... |
119 |
6.3. Работоспособность взрывчатых веществ..................................................... |
122 |
6.3.1. Действие взрыва на окружающую среду............................................. |
122 |
6.3.1.1. Поле взрыва................................................................................................. |
122 |
6.3.1.2. Бризантное действие взрыва................................................................. |
124 |
6.3.1.3. Фугасное действие взрыва...................................................................... |
128 |
6.3.2. Тротиловый эквивалент.............................................................................. |
133 |
6.3.3. Безопасные расстояния............................................................................... |
134 |
Контрольные вопросы.................................................................................................. |
137 |
7. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ................. |
139 |
7.1. Факторы, определяющие состав продуктов горения.............................. |
139 |
7.2. Математическая модель процесса горения порохов и Т Р Т ................. |
144 |
7.3. Термодинамическое проектирование порохов и Т Р Т ............................ |
151 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................ |
154 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Теплота образования ряда индивидуальных ВВ, |
|
компонентов ВВ и продуктов взрыва......................................................................... |
155 |
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Характеристики широко распространенных В В .......... |
157 |
|
|
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ |
ЭКМ |
- |
энергонасыщенный конденсированный материал |
ТРТ |
- |
твердое ракетное топливо |
БТРТ |
- |
баллиститное твердое ракетное топливо |
СТРТ |
- смесевое твердое ракетное топливо |
|
ДРП |
- |
дымный ружейный порох |
ПП- пироксилиновый порох
БП |
- |
баллиститный порох |
ТНГ |
- |
тринитрат глицерина |
НЦ |
- |
нитрат целлюлозы |
ВВ- взрывчатое вещество
р- плотность
у- гравиметрическая плотность Д - плотность заряжания
Q - теплота взрывного превращения
Т\ - температура взрывного превращения
W\ |
- удельный объем продуктов взрыва |
и- скорость горения
щ- единичная скорость горения
/- сила пороха
а- коволюм газов
Р - тяга реактивного двигателя /у Д - удельный импульс тяги
Ii - единичный импульс
о- прочность
8- разрывные удлинения
Т- температура
р- давление
R - универсальная газовая постоянная
Химическая физика - наука о физических законах, управляю щих строением и превращением химических веществ.
Рождение химической физики как самостоятельной науки обус ловлено появлением в начале XX в. квантовой механики, законы ко торой стали базой теории химической связи, межмолекулярных взаимодействий и реакционной способности молекул. Термин «хи мическая физика» ввел Арнольд Эйкен в 1930 г., озаглавив изданное им руководство по физической химии как «Учебник химической физики».
Крупный вклад в становление и развитие химической физики внесли:
• Н.Н. Семенов, создавший в 1920-30-х гг. одновременно
сСирилом Хиншелвудом теорию цепных реакций;
•Г. Эйринг, М. Полани и М. Эванс, разработавшие в 1935 г. теорию абсолютных скоростей реакций;
•Лайнус Полинг, Джон Слэтер (Слэйтер), Роберт Малликен, Джон Эдвард Леннард-Джонс и Фридрих Хунд, развившие в начале 1930-х гг. методы квантовой химии.
Одним из достижений химической физики следует считать тео рию разветвленных цепных реакций.
Химическая физика относится к междисциплинарным наукам. На Западе к химической физике относят два главных направле
ния: определение электронной и атомно-молекулярной структуры химических частиц и образованных ими веществ и исследования, свя занные с решением проблем химической динамики, т.е. изменений во времени энергетических и структурных характеристик частиц.
В России школа химической физики была основана Н.Н. Семе новым, создавшим в 1931 г. Институт химической физики и долгое время бывшим его директором. Этот институт был одним из ведущих научных центров в СССР, и многие практические задачи,
создавать как ЭКМ с заданными свойствами, так и технологию их изготовления.
В процессе прохождения курса «Химическая физика энергона сыщенных материалов» студент должен освоить части следующих компетенций:
1)способность синтезировать и исследовать физико-химиче ские, взрывчатые и физико-механические свойства энергонасыщен ных компонентов порохов и твердых ракетных топлив;
2)способность проводить стандартные и сертификационные испытания порохов, твердых ракетных топлив (ТРТ), полимерных композиционных материалов и изделий на их основе.
Врезультате изучения данной дисциплины обучающийся
должен:
• знать:
химические, физико-химические и энергетические характери стики основных рецептур порохов, ТРТ и их компонентов;
основные физико-химические процессы, протекающие при из готовлении и хранении порохов и ТРТ;
механизмы термического распада, горения и детонации энерго насыщенных материалов, методы ингибирования и катализа самоускоряющихся реакции;
• уметь:
теоретически рассчитывать и экспериментально определять термодинамические и взрывчатые характеристики порохов и ТРТ;
• владеть:
приемами оценки физико-химических и специальных свойств порохов и ТРТ.
Настоящее учебное пособие предназначено для помощи в овла дении всех вышеперечисленных компонентов знать, уметь, вла деть заявленных дисциплинарных компетенций.
1. ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫЕ КОНДЕНСИРОВАННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ
Энергонасыщенные конденсированные материалы (ЭКМ) - твердотельные источники концентрированной энергии, выделяю щейся в режиме самораспространяющейся быстропротекающей хи мической реакции (взрывного превращения).
В зависимости от характерной формы химического превраще ния и назначения ЭКМ подразделяются на три класса: метательные, к которым относятся пороха и твердые ракетные топлива (ТРТ); взрывчатые вещества (ВВ) и пиротехнические составы.
Кпорохам и ТРТ относят ЭКМ, способные к нормальному по слойному горению. Именно это свойство позволяет использовать их
вкачестве метательных средств в ствольных и ракетных системах, а также в огнепроводных шнурах, замедлителях и т.п.
КВВ относят ЭКМ, способные к устойчивой детонации и ис пользуемые во взрывной технике как средство дробления, разруше ния горных пород, сооружений, конструкций и др. Из ВВ выделяют подкласс инициирующих ВВ, применяемых только для возбуждения (инициирования) взрывного превращения в форме горения или де тонации.
Кпиротехническим составам относят составы, которые в усло виях применения, как правило, срабатывают в режиме взрывного горения и обеспечивают специальные эффекты (осветительные, сиг нальные, дымовые, шумовые и т.п., фейерверки).
Приведенное деление ЭКМ на три класса в некоторой степени условно, так как исходит не только из свойств, но и от назначения.
Могут быть случаи, когда ЭКМ одного и того же химического состава без каких-либо структурных изменений используется и как метательное, и как взрывчатое в зависимости от способа иницииро вания. К таким ЭКМ могут быть отнесены бездымные пороха, кото рые при поджигании нормально горят, а при возбуждении мощным детонационным импульсом детонируют. Именно поэтому неконди ционные бездымные пороха не уничтожают (сжиганиём), а исполь
зуют на взрывных работах (они особенно эффективны при взрыва нии в воде). Однако бездымные пороха все же относят к метатель ным ЭКМ согласно их основному назначению. Напротив, имеются вещества и составы, которые в силу своих химических или физиче ских свойств не способны одновременно к нескольким режимам превращения. Например, инициирующие ВВ не способны к стацио нарному горению, дымный порох и многие пиротехнические соста вы (термиты и др.) - к устойчивой детонации.
Способность к той или иной форме превращения в сильной степени зависит от структуры ЭКМ, его пористости, вязкости, агре гатного состояния. Одни и те же вещества или смеси при струк турных изменениях приобретают характерные свойства ЭКМ того или иного класса. Так, например, пироксилин (нитроклетчатка) сам по себе является типичным бризантным ВВ, а обработанный лету чей спиртоэфирной смесью приобретает малопористую структуру и типичные свойства пороха (пироксилиновый порох). Та же нитро клетчатка, пластифицированная нитроглицерином (в весовом соот ношении примерно 2:1), также имеет свойства пороха (баллиститные пороха), а смесь нитроглицерина с меньшим количеством нитроклетчатки (7-8 %) отличается студенистой структурой и под названием желатин-динамита (гремучего студня) известна как мощ ное бризантное ВВ.
Дымный порох в уплотненном состоянии способен к стацио нарному горению, а в рыхлом взрывается при поджигании (режим взрывного горения). Он долгое время широко использовался на взрывных работах и для снаряжения артиллерийских разрывных гранат.
1.1. Метательные ЭКМ
Пороха и твердые ракетные топлива служат источниками энер гии для метания тел (снарядов, мин, пуль и т.д.) или движения ракет. Их отличительная особенность —способность к взрывчатому пре вращению в форме быстрого горения без перехода во взрыв или де тонацию.