Детонационные наноалмазы. Синтез, свойства и применение

скачать (9812.3 kb.)

  1   2
Реферат

на тему: «Детонационные наноалмазы. Синтез, свойства и применение»
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

. ВЗРЫВ И ДЕТОНАЦИЯ

. МЕХАНИЗМ И ОСОБЕННОСТИ ДЕТОНАЦИОННОГО СИНТЕЗА НАНОАЛМАЗОВ

. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Ультрадисперсный алмаз, или наноалмаз, - это углеродная структура, имеющая кристаллическую решетку типа алмаза и размеры от 1-10 нм. Наноалмазы были впервые получены в 1963 году, и менее чем за полвека нашли применение в технологии и промышленности.

Природный алмаз известен не только как один из самых дорогих драгоценных камней. Благодаря своим уникальным свойствам, таким как исключительная твердость, износостойкость, высокая теплопроводность и прочность, он широко применяется для изготовления различных инструментов и оборудования, используется в технике и радиоэлектронике. Алмаз разрезает любые материалы, выдерживает высокие нагрузки температуры и давления. Уже после второй мировой войны спрос на технический алмаз значительно превысил возможности добычи, появилась необходимость производства синтетических алмазов.

В естественных условиях алмаз образуется в земных недрах на больших глубинах, где на углерод воздействуют высокие давления и температуры, что обусловливает высокую упаковку атомов в структуре алмаза. Метод воздействия на углеродное сырье такими условиями, при которых стабильной является алмазная фаза, получил название статического.

В динамическом синтезе графит или иной углеродосодержащий материал подвергается кратковременному ударному воздействию. Одним из видов динамического метода является детонационный, когда взрывчатое вещество вместе с реакционной смесью помещается во взрывную камеру. Причем оказалось, что наличие графитсодержащей смеси необязательно - алмаз синтезировался из углерода продуктов детонации.

В процессе производства алмазов взрывным способом образовывались алмазные частицы размером менее 100 нм. Они содержались в углеродной пыли, оседавшей на стенках камер. Открытие этих частиц принадлежит советским ученым ВНИИТФ города Снежинска В. Даниленко, В. Елину, К. Волкову. Независимые разработки по синтезу ультрадисперсных алмазов велись в США, а в 84 году началось опытно-промышленное производство наноалмазов в Бийске. Были получены агрегаты размером от 10 до 100 нм, обладающие различными свойствами, развивались области их применения. В последние годы заметно вырос интерес к изучению путей и возможностей использования наноалмазных частиц в биологии и медицине. Наноалмазы применяются в гальванике, значительно меняя свойства покрытий. Широкими возможностями использования детонационного наноалмаза в различных областях современных технологий обусловлена актуальность данной темы.
1. ВЗРЫВ И ДЕТОНАЦИЯ
Взрыв - физический или химический быстропротекающий процесс с выделением значительной энергии в небольшом объёме, приводящий к ударным, вибрационным и тепловым воздействиям на окружающую среду. При взрыве содержащаяся в веществе потенциальная энергия (химическая, атомная, термоядерная, тепловая) быстро превращается в механическую работу, совершаемую образовавшимися сжатыми и нагретыми газами.

Работоспособность взрывчатого вещества определяется величиной потенциальной энергии на единицу массы, которая освобождается при взрыве. Для различных химических взрывчатых веществ она составляет от 2500 до 6700 кДж/кг. Эта энергия невелика, например, в сравнении с имеющейся у бензина(46090 кДж/кг), но работоспособность определяется и скоростью выделения энергии. Другим фактором силы взрыва является объем газов или пара, образующихся при взрыве одного кг взрывчатого вещества. Эта величина может принимать значения в пределах 600-1100 л при нормальном атмосферном давлении, причем образовавшиеся газы имеют температуры до 3000-4000 К, что и определяет их способность совершать работу при расширении. Процесс превращения взрывчатых веществ в газообразные продукты происходит за счет окисления углерода кислородом, содержащимся в этом взрывчатом веществе, то есть без притока кислорода извне. Быстрота выделения и огромное давление сжатых газов при их расширении создают в окружающей среде ударные волны, а граница взрывчатое вещество - среда двигается с большой скоростью, уплотняя и разрушая среду. Максимальная скорость распространения газообразных продуктов при беспрепятственном расширении (в вакууме) оценивается зависимостью:
,

где Q - теплота взрывчатого превращения, k - средний показатель адиабаты расширения газов.

Для типичных взрывчатых веществ (? = 1,6 г/смі) эта скорость может достигать 15 км/с.

Продукты взрыва расширяются в 800-1600 раз, следовательно, радиус предельного объема будет в 10-12 раз больше радиуса заряда. Зная предельный объем, можно оценить энергию продуктов после их расширения.

Начальная энергия взрыва заряда

где m - масса заряда. Следовательно, в среду, в виде ударной волны, переходит энергия:

При k = 7/5 отношение энергии ударной волны к начальной энергии взрыва будет равно 97%, а при k = 5/4 - 91%. Таким образом, подавляющая часть энергии перейдет в среду.

Работу расширения продуктов взрыва можно оценить, учитывая уравнения адиабатического процесса и уравнение состояния идеального газа:




Следовательно,



Как видно, соотношение A/Q тем больше, чем больше коэффициент k, зависящий от состава продуктов взрыва.

При расширении в продуктах взрыва остается тепло q = Q - A, которое зависит от степени расширения, то есть от остаточного давления, или от среды. При полном расширении газов до р = 1 атм. получим полную работу взрыва. Отнесенная к единице массы полная работа взрыва называется работоспособностью. Она может измеряться в виде так называемого тротилового эквивалента, то есть отношения работоспособности взрывчатого вещества к работоспособности тротиловой взрывчатки.

Все взрывные процессы могут проходить в двух различных формах - горение и собственно взрыв. Горение зависит от внешних условий, определяется теплопроводностью и может протекать с переменной скоростью. Взрыв от внешних условий почти не зависит, в передаче взрыва определяющую роль играет ударная волна, при этом наблюдается очень большое местное повышение давления.

Скорость горения всегда меньше скорости звука в исходном взрывчатом веществе, а скорость взрыва - всегда больше. Горение может скачкообразно переходить во взрыв, а взрыв может протекать в форме детонации.

Детонация - процесс химического превращения взрывчатого вещества, происходящий в очень тонком слое и распространяющийся со сверхзвуковой скоростью. Детонация представляет собой комплекс мощной ударной волны и следующей за ее фронтом зоны химического превращения вещества (детонационная волна). Фронт ударной волны - это поверхность, на которой претерпевают разрыв ряд параметров, характеризующих состояние и движение среды. Скорость фронта направлена по нормали к поверхности.

Если по заряду распространяется ударная волна и интенсивность этой волны достаточно велика, то за ее фронтом создается зона протекания интенсивных химических реакций. Глубина этой зоны может составлять от долей миллиметра до нескольких сантиметров и более. В стационарном детонационном режиме эта зона исполняет роль поршня, вдвигающегося в исходное взрывчатое вещество (рисунок 1).


Рисунок 1
Детонация протекает с постоянной и максимально возможной для данного заряда взрывчатого вещества скоростью. Явление детонации было открыто в 1881 г. независимо друг от друга Бертло и Вьелем, а также Малляром и Ле-Шателье при исследовании горения газов в трубах. В 1883 году появилась теория взрывной волны Бертло, согласно которой реакция распространяется от слоя к слою за счет трех различных явлений: механических (сжатие), термических (разогрев) и химических (реакция).

Результатом развития этих представлений явилась современная гидродинамическая теория детонации. В соответствии с ней, детонация взрывчатого вещества обусловлена идущей по нему ударной волной, которая возбуждает экзотермическую реакцию.

Энергия реакции идет на поддержание постоянства параметров детонации. Существует максимальная стационарная скорость детонации, которая не зависит от условий инициирования и определяется только теплотой взрыва Q и свойствами продуктов взрыва.

Детонационная волна включает в себя ударную волну, зону химической реакции постоянной ширины (химпик) и нестационарную область расширяющихся продуктов взрыва.

Поверхность, которая разделяет зону реакции и продуктов взрыва, называется поверхностью Чепмена-Жуге, а параметры продуктов детонации на этой поверхности называются параметрами детонации или параметрами в точке Жуге.

Гидродинамическая теория детонации позволяет рассчитать значение ее скорости и распределение давления, плотности и температуры в детонационной волне на основе законов сохранения массы, импульса и энергии, уравнения состояния вещества, а также требования равенства скорости детонационной волны относительно продуктов реакции и скорости звука в них.

Таким образом, зная начальные давление, объем, плотность заряда и теплоту взрыва, можно определить параметры точке Жуге. Их определяют, решая пять уравнений:

Где D - скорость детонации, u - скорость потока продуктов реакции за фронтом волны.

В таблице 1 приведены расчетные параметры детонации для некоторых взрывчатых веществ

Ряд экспериментальных фактов несовместим с изначальной теорией детонации. Существует несколько модифицированных моделей, опирающихся как на физическую теорию, так и на результаты точных, с высоким разрешением экспериментов.
Таблица 1

Название вещества

?, г/смі

D, м/с

р, кбар

Т, К

Гексоген

1,8

8754

347

2587-4027

Октоген

1,9

9100

393

2364-3871

Тротил

1,64

6950

190

2829-3662

Тетрил

1,7

7560

251

2917-4018

Нитроглицерин

1,59

7580

246

3216-4593

Окись азота

1,3

5620

103

1854-2635

ТГ 50/50 (пентолин)

1,65

7465

247

3239-4363

Гексанитробензол

1,973

9300

355

3269-4893

ТГ 77/23 (циклотол)

1,743

8250

313

2711-3988


. МЕХАНИЗМ И ОСОБЕННОСТИ ДЕТОНАЦИОННОГО СИНТЕЗА НАНОАЛМАЗОВ

детонационный синтез взрывной наноалмаз

Экспериментально показано, что для прямого перехода графита в алмазную фазу требуются давление не ниже 11 ГПа и температура не менее 2000 К, при статическом методе такие условия должны сохраняться длительное время. Чтобы снизить эти показатели, необходимо использовать активаторы, наиболее эффективными из которых являются расплавленные металлы VIII группы Периодической системы: Fe, Ni, Co, Pt, Pa, а также Mn и Cr. При этом температура и давление являются независимыми параметрами, процесс статического синтеза может протекать от нескольких минут до десятков часов.

Ударно-волновой синтез имеет ряд неоспоримых преимуществ перед статическим. Прежде всего, нет необходимости в металлах-катализаторах, примеси которых снижают прочность и термостойкость алмаза. Кроме того, параметры взрывного процесса, такие как давление, скорости нагружения, температуры сжатия и остаточные температуры, можно регулировать способом сжатия, подбором взрывчатого вещества с определенными свойствами, предварительным нагревом или охлаждением. В результате синтеза в сильнонеравновесных условиях получаются уникальные нанокристаллические структуры, каждая частица алмаза имеет множество режущих кромок.

Главной особенностью данного метода является возможность получать наноалмаз непосредственно из содержащегося во взрывчатом веществе углерода. Для этого необходимо использовать составы с отрицательным кислородным балансом (количество кислорода меньше количества окисляемых компонентов), тогда свободный углерод конденсируется в наноалмазной фазе. Полученный продукт называется алмазной шихтой (смесь алмаза с неалмазными формами углерода).

К взрывчатым веществам с отрицательным кислородным балансом относятся гексоген, тротил (ТНТ) и др.

При детонационном синтезе процесс проводят в специальных взрывных камерах (рисунок 2).

Образование наночастиц алмаза происходит за 0,2-0,5 мкс, температура продуктов взрыва достигает 2000-4000 єС, а графитизация алмаза начинается уже при 1000єС. Поэтому камеры заполняют инертным или углекислым газом, который предотвращает окисление образовавшихся алмазных частиц и их превращение в графит. Также чтобы понизить остаточные температуры, подрыв осуществляют в водной среде или в ледяной бронировке заряда - продукты детонации совершают работу по сжатию и разгону окружающей среды.
  1   2



Рефераты Практические задания Лекции
Учебный контент

© ref.rushkolnik.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации