СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ВЗРЫВЧАТЫЙ СОСТАВ Российский патент 2014 года по МПК C06B33/06 F42C13/02 

Изобретение относится к взрывчатым веществам, возбуждаемым когерентным и некогерентным импульсным световым излучением, и может быть использовано в средствах инициирования, в качестве генератора плоских ударных волн, а также в устройствах для обработки металлов энергией взрыва и оптических системах инициирования взрывчатых зарядов.

Перхлоратные металлокомплексы относятся к перспективному классу светочувствительных взрывчатых веществ (восьмому классу инициирующих ВВ), который составляют соли координационных комплексов металлов.

Известен инициирующий взрывчатый состав, чувствительный к лазерному излучению малой мощности, содержащий 5-гидразинотетразол ртути перхлорат (85,7-90,0 мас.%), полимер (поли-2-метил-5-винилтетразол) (9,5-10,0 мас.%) и наноалмазы (0,1-5,0 мас.%) детонационного синтеза (Патент РФ №2 309 139 «Инициирующий взрывчатый состав», MПK⁹ C06B 45/30, опубл. 27.10.2007, Бюл. №30). Введенные в состав ультрадисперсные частицы алмаза, в условиях взрывчатого превращения, являются температурными концентраторами (так называемыми «горячими точками», повышающими чувствительность состава к инициирующему импульсу («Физика взрыва» под ред. Л.П. Орленко. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 832 с.)). Недостатком этого инициирующего взрывчатого состава является его относительно малая удельная энергия взрывчатого превращения, что связано с введением во взрывчатый состав инертного компонента - углерода в виде наноалмазов.

Известен светочувствительный инициирующий взрывчатый состав, включающий:

- 5-гидразинотетразол ртути перхлорат (светочувствительный комплексный перхлорат металла, 90 мас.%):

и

- поли-2-метил-5-винилтетразол (ПМВТ) [(CH₂-СH)-N₄CH₃]n[CН₃-(CН₂-C)-COОН]m (оптически прозрачный полимер, 10 мас.%).

При стабилизации светочувствительного перхлората оптически прозрачным полимером, его чувствительность к световому излучению заметно снижается, что ограничивает эксплуатационные свойства состава. Поэтому для повышения чувствительности энергетических материалов к импульсу к нему добавляют ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза (от 0,5 до 5 мас.%). (Монография. М.А. Илюшин, И.В. Целинский, A.M. Судариков. Разработка компонентов высокоэнергетических композиций, Ленинградский государственный университет имени А.С. Пушкина, С.-Пб., 2006, с.80-85, стр.90). Данный состав выбран в качестве прототипа.

Известный состав имеет высокую чувствительность к световому импульсу, но при этом состав демонстрирует неустойчивость инициирования и высокую чувствительность к механическому воздействию, т.е. не обладает необходимой безопасностью. Внутренняя структура состава и его свойства не позволяют использовать его в виде покрытия.

Изобретение направлено на решение задачи разработки светочувствительного взрывчатого состава с более высокой чувствительностью к световому импульсу, повышенной удельной энергией взрывчатого превращения, высокой адгезией с контактной поверхностью.

Технический результат заключается в создании светочувствительного взрывчатого состава, в котором обеспечено повышение чувствительности к инициирующему импульсу, в том числе, когерентным и некогерентным импульсным световым излучениям и удельной энергии взрывчатого превращения, а также в обеспечении возможности нанесения состава в виде покрытия на материалы сложной формы для обработки их профилированными детонационными волнами, формируемыми инициирующими световыми импульсами.

Технический результат достигается за счет того, что заявляемый светочувствительный взрывчатый состав (СВС), включающий светочувствительный комплексный перхлорат металла и оптически прозрачный полимер, в отличие от прототипа дополнительно включает порошок металла при следующем соотношении компонентов, мас.%:

светочувствительный комплексный перхлорат металла: 60-99,45;

оптически прозрачный полимер: 0,5-20;

порошок металла: 0,05-20.

Предложенный состав отличается от известных решений тем, что вместо порошка алмазов используется порошок металла в количестве 0,05-20 мас.% и для повышения безопасности другое содержание комплексного перхлората металла и полимера.

Экспериментальное исследование показало, что в отличие от прототипа в предложенных составах устраняется неустойчивость инициирования, имевшая место при возбуждении детонации при передаче инициирующего импульса через световод диаметром меньше 200 мкм. Применение указанных добавок меняет внутреннюю структуру состава. Рост объемной освещенности внутри заряда, улучшение условий создания «горячих точек» из-за большого показателя преломления с одновременным снижением чувствительности к механическому воздействию позволяет создать как новый безопасный светодетонатор, инициируемый импульсным излучателем широкого спектрального диапазона через световоды диаметром 0,1-1 мм, так и реализовать одновременное инициирование на большой площади, покрытой таким составом. Это позволило использовать состав в виде покрытия на материалы сложной формы.

Изобретение поясняется следующим примером приготовления 10 г твердого светочувствительного состава, содержащего в данном случае (мас.%): ди(3-гидразино-4-амино-1,2,4-триазол) медь (II) перхлорат [Cu(C₂H₆N₆)₂](ClO₄)₂ 90%; оптически прозрачного полимера, полиметилметакрилата СH₃-(СH₂-C)_n-COОСH₃ 5% и мелкодисперсного порошка алюминия 5%:

1 этап - приготовление раствора оптически прозрачного полимера

В колбу, снабженную механической мешалкой, загружают органический растворитель - дихлорэтан, включают мешалку и при перемешивании присыпают порошок полиметилметакрилата, из расчета получения 3%-го раствора. После окончания дозировки полимера дают выдержку до полного его растворения. Полученный раствор сливают в стеклянную емкость и используют по мере необходимости.

2 этап - приготовление светочувствительного взрывчатого состава

Для получения 10 г твердого взрывчатого состава, содержащего 5% полимера и 5% мелкодисперсных частиц алюминия, смешивают 9 г ди(3-гидразино-4-амино-1,2,4-триазол) медь (II) перхлората, 16,5 г раствора оптически прозрачного полимера и 0,5 г мелкодисперсного порошка алюминия марки УДКА.

После испарения растворителя получается твердое покрытие массой 10 г из взрывчатого состава, содержащего 9 г взрывчатого вещества, 0,5 г полимера и 0,5 г порошка алюминия.

Были испытаны составы (соотношения компонентов, мас.%, приводятся в таблице 1), приготовленные по следующей рецептуре:

в светочувствительный комплексный перхлорат металла: ди(3-гидразино-4-амино-1,2,4-триазол) меди (II) перхлорат [Cu(C₂H₆N₆)₂](ClO₄)₂, с добавкой оптически прозрачного полимера (полиметилметакрилат), вводили порошок металла (мелкодисперсный порошок алюминия марки УДКА).

Таблица 1 Состав и результаты испытаний СВС № состава ди(3-гидразино-4-амино-1,2,4-триазол) меди (II) перхлорат[Cu(C₂H₆N₆)₂](ClO₄)₂, мас.% полиметилметакрилат CH₃-(CH₂-C)_n-COОСН₃, мас.% мелкодисперсный порошок алюминия, марка УДКА, мас.% инициирование световым импульсом (да/нет) 1 99,45 0,5 0,05 да 2 90 7,5 2,5 да 3 90 2,5 7,5 да 4 90 5 5 да 5 80 5 15 да 6 80 15 5 да 7 80 10 10 да 8 70 10 20 да 9 70 20 10 да 10 70 15 15 да 11 60 10 30 нет 12 60 30 10 нет 13 60 20 20 да 14 55 20 25 нет 15 55 25 20 нет 16 55 22,5 22,5 нет

Изготовленные СВС обеспечивали одновременное повышение чувствительности к действию импульса света за счет формирования частицами порошка металла «горячих точек» в массиве СВС при облучении последнего световым импульсом, и высокую удельную энергию взрывчатого превращения при заданных соотношениях компонент.

Испытания полученных СВС показали, что их чувствительность, например, к лазерному импульсу равна 400 Дж/м², то есть превышает чувствительность исходного инициирующего вещества ди(3-гидразино-4-амино-1,2,4-триазол) меди (II) перхлората.

Кроме этого, испытания показали, что уменьшение содержания полимера в составе до уровня менее 0,5% приводит к значительному снижению адгезии. С течением времени происходит отслоение от материала, на который оно нанесено. При увеличении суммарного количества оптически прозрачного полимера и металлического порошка свыше 40% в составе СВС, существенно понижается чувствительность заряда к действию импульса света - вплоть до отсутствия факта инициирования.

Наряду с этим, нами определено, что оптически прозрачные полимеры и порошки металлов обладают высокой химической совместимостью со светочувствительными комплексными перхлоратами металлов. Это позволяет хранить готовые изделия, содержащие СВС на протяжении достаточно длительного срока (до одного года).

Оптимальное содержание активного компонента ди(3-гидразино-4-амино-1,2,4-триазол) меди (II) перхлората в СВС находится в пределах 99,45-60%. При значениях выше 99,45 мас.% - состав экстремально чувствителен к внешним воздействиям и чрезвычайно опасен в эксплуатации. При значениях менее 60% - чувствительность состава падает ниже границы инициирования световым импульсом.

Оптимальное содержание инертных компонентов (полимера и металла) в инициирующем составе, имеющем высокую чувствительность к световому излучению и высокую адгезию к контактной поверхности, находится, соответственно, в диапазоне 0,55-40%.

В качестве светочувствительного комплексного перхлората металла в составе заявляемого светочувствительного взрывчатого состава были также использованы:

перхлорат (5-цианотетразолато-N²)пентаамминкобальта(III) (вещество СР)

;

- перхлорат тетраамин-цис-бис(5-нитротетразолато-N²)кобальта(III) (вещество BNCP)

;

перхлорат тетрааминбис(1-метил-5-аминотетразол-N³,N⁴)кобальта(III)

,

который также обладает участком перехода горения в детонацию и может быть заместителем вещества BNCP.

Подтверждено опытным путем возникновение детонации заявляемого светочувствительного взрывчатого состава с использованием перхлората тетрааминбис(5-нитротетразолато) кобальта(III), перхлората тетрааминбис(1-метил-5-аминотетразол) кобальта(III) и перхлората тетрааминбис(5-аминотетразол)кобальта(III). Заявляемый светочувствительный состав с этими соединениями демонстрирует экстремально высокую восприимчивость к лазерному моноимпульсу (λ=1,06 мкм, τ=30 нс).

Для заявляемого светочувствительного взрывчатого состава с использованием перхлората (5-гидразо-1Н-тетразол)ртути(II) пороговая энергия инициирования составляет около 5 мДж/см², с использованием соединения серебра, являющегося первым представителем нового класса координационных соединений - комплексных перхлоридамидов и перхлората ди-(3-гидразино-4-амино-1,2,3-триазол)меди(II) она несколько выше.

Исследования чувствительности к лазерному моноимпульсу проводились с использованием неодимового лазера (λ=1,06 мкм, τ=30 нс, d=0,48 мм). Образцы были запрессованы в медные капсюли диаметром 5 мм и высотой 2 мм под давлением 400 кг/см². Критические энергии, вызывающие детонацию образцов, составили для заявляемого светочувствительного состава, включающего комплексные перхлораты меди, кадмия, никеля и кобальта соответственно 1,1·10^-5 Дж, 5,03·10^-4 Дж, 5,75·10^-4 Дж, 1,36·10^-3 Дж.

Взрывчатые составы готовились в виде мелкодисперсной суспензии кристаллов комплексного перхлората металла в растворе полиметилметакрилата. Для облучения использовался неодимовый лазер (λ=1,06 мкм, τ=10 нс) с энергией в импульсе до 200 мДж. Изучение влияния концентрации оптически прозрачного для излучения полимера на чувствительность состава определяли при диаметре лазерного пятна 2,8 мм. Влияние диаметра пятна облучения изучали в диапазоне 0,5-1,5 мм. При уменьшении диаметра пятна облучения энергия инициирования уменьшалась, а ее плотность немного увеличивалась. Экстраполяция этих результатов на диаметр 200 мкм, соответствующий диаметру оптического волоконного световода, дает для энергии инициирования значение, меньшее 1 мДж. Увеличение плотности энергии излучения приводило к закономерному снижению времени задержки инициирования. Минимальные времена задержки были отмечены для состава с концентрацией связки 20%.

Светочувствительные взрывчатые составы готовились в виде пластичных композиций со связующим полимером полиметилвинилтетразолом. Проводились исследования с другими прозрачными полимерными связующими, например, с искусственным воском.

Заявляемый светочувствительный состав исследовался как с мелкодисперсным порошком алюминия, марки УДКА, так и с порошком магния и его сплавами.

Полученные результаты исследования свойств и лазерного инициирования заявляемых взрывчатых составов на основе перхлората (5-гидразо-1Н-тетразол)ртути(II) подтверждают обеспечение повышения чувствительности к световому импульсу и удельной энергии взрывчатого превращения, высокой адгезии с контактной поверхностью: расчетная скорость детонации - около 6,0 км/с, температура начала интенсивного разложения - 175°C, температура вспышки - 186°C, кислородный баланс - 12,8%. Энергия инициирования состава при воздействии лазерного моноимпульса (λ=1,06 мкм, τ=30 нс, d=0,48 мм) составляет 5 мДж/см².

Оптимальное содержание активного компонента комплексного перхлората в СВС находится в пределах 99,45-60%. При значениях выше 99,45 мас.% - состав экстремально чувствителен к внешним воздействиям и чрезвычайно опасен в эксплуатации. При значениях менее 60% - чувствительность состава падает ниже границы инициирования световым импульсом. Оптимальное содержание инертных компонентов (полимера и металла) в инициирующем составе, имеющем высокую чувствительность к световому излучению и высокую адгезию к контактной поверхности, находится, соответственно, в диапазоне 0,55-40%.

Использование заявляемого светочувствительного взрывчатого состава позволяет, по сравнению с известными инициирующими взрывчатыми веществами, наносить его на различные материалы с большой площадью поверхности, обладающие различной конфигурацией. Увеличение прозрачности взрывчатого материала за счет полимера и образование в массиве взрывчатого состава зон с благоприятными условиями инициирования состава («горячих точек») за счет металлического порошка повышает его чувствительность к световому импульсу, что позволяет генерировать детонационные волны сложного профиля, воздействуя на СВС инициирующими световыми импульсами, в соответствии с выбранным алгоритмом.

Изобретение относится к взрывчатым веществам, возбуждаемым когерентным и некогерентным импульсным световым излучением, и может быть использовано в средствах инициирования, в качестве генератора плоских ударных волн, а также в устройствах для обработки металлов энергией взрыва и оптических системах инициирования взрывчатых зарядов. Состав включает, мас.%: светочувствительный комплексный перхлорат металла 60-99,45, оптически прозрачный полимер 0,5-20 и порошок металла 0,05-20%. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности состава к световому импульсу и удельной энергии взрывчатого превращения, а также возможность нанесения его в виде покрытия на материалы сложной формы для обработки их профилированными детонационными волнами, формируемыми инициирующими световыми импульсами. 1 табл.

Светочувствительный взрывчатый состав (СВС), включающий светочувствительный комплексный перхлорат металла и оптически прозрачный полимер, отличающийся тем, что СВС дополнительно включает порошок металла при следующем соотношении компонентов, мас.%:
светочувствительный комплексный перхлорат металла 60-99,45 оптически прозрачный полимер 0,5-20 порошок металла 0,05-20