Соболев В.В., Шиман Л.Н. Высокоэнергетическая обработка материалов. Сборник научных трудов

Подождите немного. Документ загружается.

Высокоэнергетическая обработка материалов

221

растворяющей способностью к октогену обладают ацетон и диметилформа-

мид (ДМФА). При этом известно, что октоген образует комплекс с ДМФА

при растворении, который при взаимодействии с водой разрушается [12, 13].

Следовательно, диметилформамид возможно применять как селективный

растворитель для октогена. Ацетон же является промышленным растворите-

лем для данного нитрамина. Помимо этого ацетон способен переводить

не-

стабильные формы октогена в устойчивую β-модификацию [12].

Таблица 1

Растворимость октогена в органических растворителях

при различных температурах

Темпе-

ратура,

°С

Ацетон

Бутил-

ацетат

Анилин

Моно-

нитро-

толуол

Диметил-

формамид

Цикло-

гексанон

22 2,10 2,10 0,14 - - 2,5

27 2,65 - 0,35 - - -

37 3,52 - - - - -

44 4,00 0,38 - 0,89 5,87 3,5

56 4,13 - 0,49 1,23 7,43 -

60 - 0,57 - - 9,48 -

68 - - 0,67 - 11,65 -

78 - - 0,89 - - -

83 - - 1,05 - 14,23 -

90 - - 1,19 - - -

99 - - 1,38 - - 7,0

104 - 0,88 2,09 1,98 - -

Для экспериментов по механохимической обработке использовали

крошку композиционного материала с характерным размером 4-6 мм (обра-

зец 1) и крошку с размером 1-2 мм (образец 2). Крошка была получена после

предварительного механического измельчения извлеченных кусков ТРТ на

дисковом измельчителе (шредере). Состав и свойства материала крошки

представлены в табл. 2.

Процессы обработки крошки производились в обогреваемых лопаст-

ных смесителях при постоянной работе мешалки.

В экспериментах с использованием 86% водного раствора ацетона про-

цесс извлечения октогена из крошки проводился при температуре 50 ± 2

С и

частоте вращения мешалки 100 об/мин. Соотношение массы крошки и вод-

Высокоэнергетическая обработка материалов

222

ного раствора ацетона бралось как 1:10. Через 20 минут проведения переме-

шивания полученную суспензию крошки в растворе ацетона отфильтровали.

Затем, в отфильтрованный маточный раствор, при перемешивании, добавля-

лась деминерализованная вода в соотношении 1:1. Смесь охлаждалась до

температуры 20

С. При этом наблюдалось выпадение осадка желтого цвета,

который фильтровался через воронку Бюхнера. Таким образом, для крошки

образца 1 был получен выход октогена 28,2%, а для образца 2 выход октоге-

на составил 58,3%.

Таблица 2

Состав и свойства исходной крошки композиционного материала

№

п/п

Наименование Значения

1 Содержание октогена,% 34,5

2 Содержание каучука, алюминия и др. добавок, % 60,9

3 Содержание влаги, % 4,6

4 Чувствительность к удару, Дж 17,5

5 Чувствительность к трению, Н >360

6 Чувствительность к ЭСР, Дж 0,45

7 Термическая стабильность по ДТА, °С 248,3

Проверка термической стабильности полученных при этом образцов ок-

тогена по методу ДТА составила 278-286

С. Такие отклонения по температуре

разложения вызваны, по всей видимости, присутствием органических загряз-

нителей в образцах октогена. Для получения более стабильного вещества не-

обходимо провести дополнительную его очистку методом перекристаллиза-

ции. Исследования фракционного состава образцов октогена, с использовани-

ем микроскопа SHIMADZU SALD-301V, показали, что распределение частиц

по размерам не зависит от размеров использованной

крошки и в усредненном

виде представлено на рис. 1. Преобладающий размер частиц – 35-50 мм.

Исследования структуры и формы кристаллов октогена, выполненные с

использованием микроскопа Jeisa DMILM, показали (рис. 2), что кристаллы

октогена хорошо сформированы и имеют моноклинную форму, соответст-

вующую наиболее стабильной β-модификации октогена.

Высокоэнергетическая обработка материалов

223

Рис. 1. Фракционный состав октогена после экстрагирования ацетоном

Рис. 2. Кристаллы октогена после экстрагирования ацетоном (х100)

Исследования свойств рафинированной крошки после извлечения ок-

тогена показали (табл. 3), что остаточное содержание октогена в образце 1

составило 4,6%, а в образце 2 – всего 1,8%. При этом крошка образца 1 со-

хранила чувствительность к механическим воздействиям.

10 30 50 70 90 110

Размер частиц, мкм

Содержание С, %

Высокоэнергетическая обработка материалов

224

Таблица 3

Характеристика рафинированной крошки после извлечения

№

п/п

Наименование

Значение для

крошки

образец 1

Значение

для крошки

образец 2

1 Содержание октогена, % 4,6 1,8

2 Содержание алюминия, каучука и др., % 68,0 55,6

3 Содержание влаги, % 27,4 42,6

4 Чувствительность к удару, Дж 40 >50

5 Чувствительность к трению, Н >360 >360

В экспериментах с использованием диметилформамида (ДМФА) про-

цесс извлечения октогена из крошки проводился при температуре 85 ± 2

С и

частоте вращения мешалки ~ 500 об/мин. Соотношение массы крошки и

ДМФА бралось как 1:2,5. Через 30 минут проведения перемешивания суспен-

зии крошки в ДМФА – крошка отфильтровывалась через сетку № 46. В полу-

ченный маточный раствор при перемешивании добавлялась деминерализован-

ная вода в соотношении 1:1. Смесь охлаждалась до температуры 20

С.

В экспериментах с использованием диметилформамида (ДМФА) про-

цесс извлечения октогена из крошки проводился при температуре 85 ± 2

С и

частоте вращения мешалки ~ 500 об/мин. Соотношение массы крошки и

ДМФА бралось как 1:2,5. Через 30 минут проведения перемешивания сус-

пензии крошки в ДМФА – крошка отфильтровывалась через сетку № 46. В

полученный маточный раствор при перемешивании добавлялась деминера-

лизованная вода в соотношении 1:1. Смесь охлаждалась до температуры

С. Выпавший осадок желтого цвета отфильтровывался через воронку

Бюхнера. Дополнительная промывка полученного октогена этилацетатом по-

зволила получить порошок октогена белого цвета. Таким образом, для крош-

ки образца 1 был получен выход октогена 68,3%, а для образца 2 выход окто-

гена составил 87,1%.

Проверка термической стабильности полученных при этом образцов

октогена по методу ДТА составила 280-29

С. Такой разброс по температуре

разложения, так же как и в случае экстрагирования ацетоном, объясняется

наличием загрязнителей, которые могут быть удалены методом перекристал-

лизации. Исследование фракционного состава полученных образцов октоге-

на, экстрагированных ДМФА показало, что распределение частиц по разме-

Высокоэнергетическая обработка материалов

225

рам также не зависит от размеров использованной крошки и в усредненном

виде представлено на рис. 3.

Исследования структуры и формы кристаллов октогена, показали, что

образцы октогена, полученные экстрагированием с помощью ДМФА имеют

значительно меньший размер частиц, чем аналогичный продукт, полученный

экстрагированием с помощью ацетона. Преобладающий размер частиц в этом

случае от 6

до 9 мкм. Кристаллы октогена, извлеченные с помощью ДМФА,

не сформированы и поэтому трудно определить их модификацию (см. рис. 4).

Рис. 3. Фракционный состав октогена после экстрагирования ДМФА

В последующих экспериментах отрабатывалась технология кристалли-

зации октогена из водного раствора ДМФА с получением хорошо сформиро-

ванных кристаллов β-модификации октогена путём оптимизации скорости

добавления воды и снижения оборотов перемешивающего устройства.

Исследования свойств рафинированной крошки после извлечения ок-

тогена с помощью ДМФА показало (см

. табл. 4), что остаточное содержание

октогена в образце 1 составило 9,1%, а в образце 2 – 6,5%.

0 4 8 12 16 20

Размер частиц, мкм

Содержание С, %

Высокоэнергетическая обработка материалов

226

Рис. 4. Кристаллы октогена после экстрагирования (х100)

Таблица 4

Характеристики рафинированной крошки после экстрагирования

октогена в среде ДМФА

Значение для крошки

№

п/п

Наименование определения

образец 1 образец 2

1 Содержание октогена,% 9,1 6,5

2 Содержание алюминия, каучука и др.% 75,1 70,9

3 Содержание влаги, % 15,8 22,6

4 Чувствительность к удару, Дж 40 >50

5 Чувствительность к трению, Н >360 >360

Повышенное остаточное количество октогена в крошке по сравнению с

экспериментами, проводимыми с ацетоном, объясняется меньшим соотно-

шением крошки и растворителя взятого для ДМФА (1:2,5 по сравнению с

1:10 для ацетона), а соответственно, преобладающими процессами насыще-

ния раствора ДМФА. По всей видимости, для более полного экстрагирования

октогена в среде ДМФА необходимо увеличить это

соотношение.

Высокоэнергетическая обработка материалов

227

Заключение

Таким образом, в ходе проведенных исследований по конверсионной

обработке крошки композиционного материала с использованием механохи-

мических методов были экстрагированы образцы октогена, который может

быть использован в качестве исходного сырья при получении порошков с

требуемыми свойствами после его очистки и модификации. Очистка и моди-

фикация октогена – сырца позволит обеспечить параметры

по его термоста-

бильности, получить необходимый фракционный состав и частицы с β-

модификацией кристаллов. В этом случае, возможно, его применение в со-

ставах активных веществ для изготовления неэлектрических систем иниции-

рования и взрывания.

Отработанная полимерная крошка после извлечения октогена обладает

низкой чувствительностью к механическим воздействиям и может использо-

ваться в качестве

энергетической добавки в составах наливных и патрониро-

ванных ЭВВ.

Литература

1. Устименко Е.Б., Шиман Л.Н., Подкаменная Л.И. Гидромониторное

извлечение смесевых ТРТ из ракетных двигателей // Комплексная утилизация

обычных видов боеприпасов: Сб. научн. трудов. VI МНТК, Красноармейск,

КНИИМ – М.: Оружие и технологии; 2005. – С. 157–160.

2. Эмульсионные взрывчатые вещества марки "ЕРА" / Л.

Н. Шиман ,

Е.Б. Устименко, Л.И. Подкаменная, В.С. Леонов // Физика и техника высоко-

энергетической обработки материалов: Сб. научн. статей. – Днепропетровск.:

Арт-Пресс; 2007. – С. 47–50.

3. Патент № 3590739 США, МКИ C06C5/04; Fuse / Persson Per-Anders

(Швеция); Nitro-Nobel AB.– № 010726; Заявл. 20.07.67; Опубл. 6.07.71; МКИ

102/27. – 5 с.

4. Патент № 2161769 Россия, МКИ F42B3/10, F42C19/08; Капсюль-

детонатор на основе бризантного взрывчатого вещества // Ю.Н.

Ведерников,

А.И. Шумский, Г.Г. Лютиков, В.К. Попов, М.В. Агеев, М.С. Клейнер,

С.А.Поздняков, А.Г. Неклюдов (Россия); Федеральное государственное уни-

тарное предприятие "НПП "Краснознаменец".–№ 99104071/02; Заявл.

26.02.1999; Опубл. 10.01.2001. – 14 с.

Высокоэнергетическая обработка материалов

228

5. Патент № 4098627 США, МКИ C06B21/00; Solvolytic degradation of

pyrotechnic materials containing crosslinked polymers / Tompa Albert S (США);

US Navy. – № 750990; Заявл. 15.12.76; Опубл. 4.07.78; НКИ 149/109.6. – 7 с.

6. Патент № 4389265 США, МКИ C06B21/00; Breakdown of solid propel-

lants and explosives, recovery of nitramines / Tompa Albert S (США); US Navy. –

№ 283709; Заявл. 16.07.81; Опубл. 21.06.83; НКИ 149/109.6. – 5 с.

7. Патент № 2122536 Россия, МКИ C06B21/00; Способ разложения

твёрдого ракетного топлива и деструктирующая смесь для его осуществле-

ния // М.С. Василишин, А.К. Виноградов, В.Н

. Золотухин (Россия); НПО

"Алтай". – № 97106873/02; Заявл. 23.04.97; Опубл. 27.11.98. – 7 с.

8. Патент № 6653506 США, МКИ C06B21/00; Recovering nitramines and

reformulation of by-products / Phillips Randall S., Cain Andrew W., Schilling

Thomas J. (США); TPL Inc. – № 246608; Заявл. 16.09.2002; Опубл. 25.11.2003;

НКИ 564/112. – 5 с.

9. Патент № 2900381 США, МКИ C07D257/02; Separation of HMX from

RDX / Nixon Thatcher Donald (США); Du Pont. – № 652351; Заявл. 12.04.57;

Опубл. 18.08.59. – 2 с.

10. Патент № 528499 США, МКИ C06B21/00; Method to extract and re-

cover nitramine oxidizers from solid propellants using liquid ammonia / Melvin

William S. (США); US Navy. – № 028014; Заявл. 8.03.93; Опубл. 8.02.94; НКИ

588/203. – 19 с.

11. Патент № 4638065 США, МКИ C30B29/54, C06B25/04, C06B25/34;

Crystallization method for HMX and RDX / Svensson Leif, Nyqvist Jan-Olof,

Westling Lars (Швеция); Bofors AB. –

№ 001857 Заявл. 4.04.84; Опубл.

20.01.87; НКИ 544/196. – 4 с.

12. Орлова Е.Ю., Орлова Н.А., Жилин В.Ф. и др. Октоген – термостой-

кое взрывчатое вещество. – М.: Недра, 1975. – 107 с.

13. George R.S., Cady H.H., Rogers R.N. and Rohwer R.K.; Solvates of

Octahydro-1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocine (HMX) // Ind. And Eng. Chem.

Product Research and Development, – 1965. – №4. – Р. 209.

Высокоэнергетическая обработка материалов

229

УДК 539

MODELING AND DIAGNOSTICS OF DESTRUCTION PROCESS

DYNAMICS OF TRANSPARENT BRITTLE MATERIALS

Karol Jach

, Jan Owsik

, Janusz Noga

, Robert Świerczyński

, Valeriy Sobolev

Institute of Optoelectronics Military University of Technology,

2 Gen. Kaliskiego str., 00-908 Warsaw, Poland

National mining university, 19 K. Marks av., 49000 Dnepropetrovsk, Ukraine

jowsik@wat.edu.pl;

valeriysobolev@rambler.ru

В статье представлены результаты физико-математического моделирования и экспери-

ментальных исследований процессов соударения летящих объектов со стеклянными щи-

тами. Установлены защитные свойства стеклянных щитов, которые используются в на-

земных, подводных и воздушных транспортных средствах. Получили развитие физико-

математические модели, описывающие процессы столкновений различных объектов со

стеклянными щитами. Для условий высоких

динамичных нагрузок соответствие теорети-

ческих результатов с экспериментальными хорошее.

Results of physical and mathematical modeling and experimental investigations of protective

properties of glass shields are presented in the paper. Shields of this type are used in various above-

water, ground, and airborne vehicles or chambers. They are designed for observation of surround-

ings carried out by people behind the shields as well as for protection of users against impacts of

various projectiles or fragments. Within the scope of theoretical works mathematical-physical

models describing processes of impacts of various objects with glass shields were developed. A

conformance of theoretical results with relevant experimental ones was obtained for conditions of

high dynamic loads.

Introduction

In conditions of potential terroristic actions a current task is development of

transparent materials protecting people or various objects and enabling counter-

measures against effects of impacts caused by fast moving objects (projectiles,

fragments). For protection of objects against interaction with high-speed bodies of

high kinetic energy, barriers resistant to impacts of projectiles are used. Silica

glasses are used for transparent barriers (sometimes in connection with organic ma-

terials, single- or multilayer). When designing fail-safe transparent shield it is as-

sumed that at the impact of high-speed body with the shield its rear surface should

be totally preserved. In this case emerging tensile stresses in terms of absolute val-

ues should not exceed toughness values of the shield material. For glasses applied

in shield structures various methods improving glass toughness are used, including

their thickness and gluing materials (in multilayer shields). At interactions with

bodies accelerated to high velocities dynamic pictures of glass structure under de-

struction should be taken at real time – from the impact beginning up to termina-

Высокоэнергетическая обработка материалов

230

tion of the phenomenon in entire volume of a glass sample. Since the process of

interaction of a body with glass needs determination of a considerable number of

coefficients it is reasonable to carry out tests depending on barrier structure (sin-

gle- or multilayer), glass thickness, methods of its hardening, velocity and material

of impacting body, and so on. A bird, stone, bullet, a fragment or other objects

might be impacting bodies. The essential role plays in such situation a comparable

analysis of data obtained from computer simulations and measurements. The use of

these results gives a possibility of elaborating specific data for optimization of

glass shields structures for buildings, appliances, and ground and above-water

transportation means as well as airborne objects.

Our works concerned theoretical analyses and experimental investigations of

dynamic destruction of glass shields. In theoretical studies relevant models for

elastic-brittle bodies as well as 2D and 3D computer codes based on the free points

method [1, 2, 3, 4] used for simulation of impact phenomena were developed while

in experimental investigations a measurement stand was built and impact processes

were tested using velocity meters and electro-optic camera.

1. Equations of the problem

The question of interaction of a metallic projectile with a shield (target) is

situated in the field of interaction of high-speed bodies. Mathematical-physical de-

scription of these dynamic processes is pretty complex since it has to take into con-

sideration elastic, plastic, or viscous effects in dynamically deformed solid bodies

and formation of cracks in solids or even their fragmentation.

To describe solids behavior in high dynamic loads a model of elastoplastic

body for metallic projectiles was used while for glass shields a model of elasto-

plastic-brittle body was applied [5, 6, 7, 8, 9, 10].

A set of equations expressing laws of conservation and constitutive relations for

dynamic interactions in the 3D variant has the form described and presented in [11,12].

2. Investigations of dynamics of destruction areas propagation in glass

targets after projectile impact

Investigations of the process of glass target penetration using electro-optic

camera were aimed at obtaining a digital record (a few frames in specified time in-

tervals) of a picture of propagation of destruction areas in glass targets after projec-

tile impact [13]. Such record can be very suitable for verification of computer

modelling results with real data of propagation of destruction areas in glass targets

and for final specification of coefficients in strength models.