ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ Российский патент 2009 года по МПК G01N3/313 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к области создания импульсного давления посредством электрического взрыва проводника для образования кратковременной ударной волны с высокой амплитудой давления. Изобретение может быть использовано для испытания объемных образцов на прочность к импульсному поверхностному воздействию, деформирования заготовок, синтеза сверхтвердых материалов и т.п.

Известно устройство для создания ударной волны на основе электрически взрывающихся проволочек, генерирующих ударные волны, см. Д.Джонс, Р.Галлет. Измерения фронта ионизации цилиндрических ударных волн, возникающих при взрыве проволочек, методом микроволнового доплеровского смещения. В сб. «Электрический взрыв проводников». Перевод с англ., М., Мир, 1965 г., стр.152-171. Устройство выполнено в виде батареи конденсаторов со смонтированными над конденсаторами высоковольтным разрядником и электродами, подсоединяющими батарею конденсаторов последовательно с разрядником и электрически взрывающейся проволочкой. Устройство было также снабжено микроволновой доплеровской установкой, регистрирующей ударную волну, создаваемую при взрыве проволочки в воздухе. Недостатком устройства является недостаточная интенсивность (амплитуда давления) ударной волны, возбуждаемой непосредственно электрическим взрывом проволочки на удаленном от нее объекте.

Известно устройство для получения плоских ударных волн на основе взрывающейся фольги, см. Д.Келлер, Дж.Пеннинг. Применение взрывающейся фольги для получения плоских ударных волн и ускорения тонких пластинок. В сб. «Электрический взрыв проводников». Перевод с англ., М., Мир, 1965 г., стр.299-316. Устройство выполнено в трех вариантах. Для получения давлений до 10 кбар электрически взрываемая фольга располагалась в непосредственном контакте с испытываемым твердым образцом. Для получения давлений от 10 кбар до 80 кбар и выше взрываемая фольга устанавливалась над промежуточной ускоряемой пластиной, расположенной с зазором над испытываемым твердым образцом. Для получения низких давлений в зазоре между промежуточной ускоряемой пластиной дополнительно размещался слой замедлителя. Недостатком данного аналога является то, что нагружаемым объектом может быть только плоский образец. При нагружении образцов сложной формы отсутствует возможность профилирования амплитуды импульсного давления в соответствии с задачей моделирования профиля давления от конкретных реальных импульсных воздействий, например от ударных волн.

Наиболее близким к заявляемому устройству является электровзрывное устройство для создания ударной волны, использованное при реализации способа по патенту РФ №-2077377, кл. МПК B01J 3/08, с приоритетом от 03.08.94 г., опубликовано 20.04.97 г. Электровзрывное устройство для создания ударной волны содержит диэлектрический корпус, фольговый взрываемый проводник, диэлектрический слой и образец.

Корпус, фольговый проводник, образец и диэлектрический слой, расположенный между образцом и фольгой, выполнены цилиндрической формы. Корпус выполнен в виде уплотняющего слоя из пластичного диэлектрика, толщина и плотность которого выбирается таким образом, чтобы его масса была не менее массы образца. Это дает возможность предотвратить наступление преждевременной разгрузки и обеспечить необходимую длительность удержания давлений и температур на заданном уровне. Устройство используется для достижения высоких степеней сжатия образца без последующего разрушения, в частности для динамического синтеза алмазных фаз графита. Недостатком прототипа является ограничение по функциональным возможностям, связанным с отсутствием моделирования профиля ударной волны.

При создании данного изобретения решалась задача по созданию электровзрывного устройства, снимающего ограничения по форме образца и расширяющего области его использования.

Техническим результатом при решении данной задачи являлось расширение функциональных возможностей заявляемого устройства и возможность профилирования амплитуды импульса давления по поверхности образца сложной формы для моделирования профиля давления от реальных импульсных нагрузок, например, от ударных волн с длительностью воздействия от 10^-8 до 10^-6 сек с амплитудой давления от 10⁹ до 10¹⁰ Па.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным электровзрывным устройством для создания ударной волны, содержащим диэлектрический корпус, фольговый взрываемый проводник, диэлектрический слой и образец, в заявляемом устройстве корпус выполнен, по меньшей мере, двухслойным, причем наружный по отношению к образцу слой выполнен монолитным, внутренний слой выполнен разнотолщинным из пористого материала, а образец установлен с зазором по отношению к диэлектрическому слою.

Данная совокупность признаков позволяет регулировать распределение амплитудного значения импульса давления по поверхности нагружаемого образца в соответствии с конкретными требованиями моделирования разрушаемого воздействия на нагружаемый образец. Изменение интенсивности воздействия на образец обеспечивается за счет регулирования разгрузки от взрыва фольги в пористый слой путем изменения его толщины. При этом изменяется энергия, передаваемая метаемому тонкостенному диэлектрическому покрытию, и изменяется давление, реализуемое при ударе диэлектрического покрытия по образцу. Устройство может быть реализовано в сферическом, плоском, цилиндрическом или в другом сложном варианте. Если образец имеет сферическую форму, то для реализации такого распределения давления толщина слоя из пористого диэлектрика минимальна на полюсе полусферы, на которой требуется создать максимальное давление, увеличивается в экваториальной зоне образца и максимальна на поверхности противоположной полусферы.

Существенно новым в предлагаемом устройстве является то, что часть энергии, которая выделяется при электрическом взрыве фольги, поглощается в пористом слое корпуса. Это позволяет уменьшать длительность воздействия ударной волны на образец при сохранении высокой амплитуды давления, а также за счет выполнения пористого слоя разнотолщинным обеспечивать различную интенсивность ударного воздействия на различные участки образца, то есть профилировать ударное воздействие на образец в соответствии с требованиями его испытания.

На фиг.1 изображен пример выполнения заявляемого электровзрывного устройство для создания ударной волны.

На фиг.2 изображено распределение давления на поверхности сферического образца в заявляемом устройстве

На фиг.1 и 2 обозначено:

1 - нагружаемый образец;

2 - электрически взрываемая фольга;

3 - метаемый диэлектрический тонкостенный слой;

4 - зазор;

5 - опоры для обеспечения зазора между диэлектрическим слоем и нагружаемым образцом;

6 - внутренний слой корпуса из пористого диэлектрика;

7 - наружный слой корпуса;

8 - источник тока;

9 - электроды для подключения источника к фольге.

Заявляемое электровзрывное устройство для создания ударной волны содержит диэлектрический корпус, состоящий из слоев 6 и 7, фольговый электрически взрываемый проводник 2, диэлектрический слой 3 и образец 1. Диэлектрический корпус выполнен, по меньшей мере, двухслойным. Наружный по отношению к образцу слой 7 выполнен монолитным.

Внутренний слой 6 корпуса выполнен из пористого материала и выполнен разнотолщинным. Толщина пористого слоя 6 варьируется для различных участков нагружаемого образца 1 в 1...4 раза. Электрически взрываемая фольга 2 наклеена на внутренний пористый слой 6 корпуса. Метаемый диэлектрический слой 3 может быть наклеен на фольгу 2. Образец 1 установлен с зазором по отношению к диэлектрическому слою 3. Кроме того, устройство содержит импульсный источник тока 8, электроды 9 для подключения источника к электрически взрываемому фольговому проводнику 2 и опоры 5 для обеспечения зазора.

В примере реализации заявляемое устройство выполнено для сферического образца. Монолитный слой 7 корпуса удобно изготовить отливкой двухкомпонентного затвердевающего компаунда, например эпоксидной смолы с отвердителем в специально изготовленной форме. Для установки на нагружаемый сферический образец 1 корпус 7 разрезан на две части. Слой 6 из пористого диэлектрика корпуса изготавливается наклеиванием фрагментов из пластин эластичного пенополиуретана марки ППУ-75 в виде мозаики. Фольга 2 наклеивается на слой 6 из пенополиуретана. Метаемый диэлектрический слой 3 из полиэтиленовой пленки толщиной ˜0,5 мм в виде покрытия наклеивается на электрически взрываемую фольгу 2. Электровзрывной узел в сборе устанавливается на сферический нагружаемый образец на опорных столбиках 5 для обеспечения зазора, необходимого для разгона диэлектрического слоя. Для обеспечения взрывного характера испарения фольги в устройстве необходимо использовать источник импульсов тока 8 высокой мощности, например взрывомагнитный генератор, работающий на основе преобразования химической энергии взрывчатого вещества в электромагнитную энергию [Г.Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М., Мир, 1972 г.].

Толщина электрически взрываемой фольги 2 при испытании прочности образцов может составлять от нескольких микрометров до 100 мкм. Метаемый диэлектрический слой 3 удобно выполнять из полиэтиленового листа. Зазор 4 от метаемого слоя 3 до испытываемого образца 1 удобно выдерживать порядка 2 мм. Отклонения в величине зазора на интенсивность ударного воздействия, создаваемого на образце, в данной конструкции влияния не оказывают.

При испытании сферического образца диаметром ˜200 мм внутренний пористый мозаичный слой 6 корпуса электровзрывного устройства, набранный из пенополиуретановых пластин, имеет плавно меняющуюся толщину от 1 мм на одном полюсе сферического образца до 4 мм на противоположной стороне образца. Часть энергии от электрически взрываемой фольги поглощается в пористом слое. За счет разной толщины пористого слоя поглощение на различных участках различно и соответственно различен импульс воздействия на испытываемый образец на различных участках его поверхности.

Это позволяет имитировать направленное ударное действие на образец, которое приходит от источника воздействия, расположенного на одной из сторон испытываемого образца.

При работе устройства происходит разряд взрывомагнитного источника тока 8 на электрически взрываемую фольгу 2. Направление протекания тока на фиг.1 и 2 обозначено стрелками. На первой стадии, пока фольга 2 не нагрелась и ее проводимость высокая, ток быстро в течение нескольких микросекунд возрастает до значения от 100 кА до нескольких миллионов ампер. Температура фольги 2 и, как следствие, сопротивление фольги по мере нарастания тока возрастают, ускоряется выделение джоулевого тепла в фольге, а испарение приобретает характер взрыва и сопровождается генерацией мощного механического импульса. Энергия от взрывающейся фольги 2 в основном распределяется между метаемым тонкослойным диэлектрическим слоем 3 и слоем корпуса из пористого диэлектрика 6. Значительная часть энергии от взрыва фольги расходуется на нагрев пористого диэлектрика 6. Тонкослойный диэлектрический слой 3 разгоняется и ударом создает на нагружающем сферическом образце 1 требуемое воздействие. При этом толщина пористого слоя 6 корпуса различна - от 1 мм до 4 мм. Поэтому доля энергии, затрачиваемая на нагрев пористого слоя 6, также различна. Соответственно различна доля энергии, затрачиваемая на разгон тонкослойного диэлектрического слоя 3, и в результате различна интенсивность ударного воздействия на различных участках сферического образца 1. Диаграмма распределения амплитуды давления импульсного воздействия по поверхности испытываемого образца иллюстрируется на фиг.2. Так как толщина пористого слоя минимальна на полюсе сферического образца, то интенсивность воздействия на образец на полюсе максимальна. В экваториальной зоне и на противоположной стороне образца толщина слоя выполнена увеличенной. Поэтому в этих зонах интенсивность ударного воздействия минимальна.

При испытаниях образцов, например, на прочность к импульсному направленному воздействию измеряются скорости движения деформируемых элементов испытываемого образца и остаточные деформации (повреждения) образца.

Таким образом реализуется требуемое распределение интенсивности ударного импульсного воздействия по поверхности образца, при котором механический импульс на различных участков образца отличается в несколько раз - от ˜10³ до 10⁴ г/см·с. Это моделирует поражающее воздействие на образец, направленное с одной из сторон образца.

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к области создания импульсного давления посредством электрического взрыва проводника для образования кратковременной ударной волны с высокой амплитудой давления, и может быть использовано для испытания объемных образцов на прочность к импульсному поверхностному воздействию, деформирования заготовок, синтеза сверхтвердых материалов и т.п. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей заявляемого устройства и возможность профилирования амплитуды импульса давления по поверхности образца сложной формы. Технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством, содержащим диэлектрический корпус, фольговый электрически взрываемый проводник, диэлектрический слой и образец, в заявляемом устройстве корпус выполнен, по меньшей мере, двухслойным. Наружный по отношению к образцу слой выполнен монолитным, внутренний слой выполнен разной толщины из пористого материала, а образец установлен с зазором по отношению к диэлектрическому слою. 2 ил.

Электровзрывное устройство для создания ударной волны, содержащее диэлектрический корпус, фольговый электрически взрываемый проводник, диэлектрический слой и образец, отличающееся тем, что корпус выполнен, по меньшей мере, двухслойным, причем наружный по отношению к образцу слой выполнен монолитным, внутренний слой выполнен разнотолщинным из пористого материала, а образец установлен с зазором по отношению к диэлектрическому слою.