1 Общая характеристика высоко энергетических материалов

Использование энергии, заключенной в высоко энергетических материалах - взрывчатых веществах (ВВ), находит большое применение в различных областях народного хозяйства. С помощью взрыва добывают полезные ископаемые, осуществляют строительство каналов, плотин (дамб), ведут геологоразведочные работы, штампуют и сваривают металлы, разрушают (сносят) сооружения.

Около 80% ВВ используется в горной и добывающей промышленности, 10% расходуется на крупные направленные взрывы в строительстве, остальные 10% идут на прочие народнохозяйственные нужды: обработка металлов взрывом – штамповка, сварка, резка и упрочнение; интенсификация добычи жидких и газообразных продуктов путем предварительного взрывного трещинообразования в массиве вокруг скважин; на тушение загоревшихся газовых или нефтяных скважин, лесных и подземных торфяных пожаров; на корчевку пней; подрывание льда и ледяных заторов.

Ежегодно на добычу полезных ископаемых в мире расходуется до 20 млн. т ВВ.

Энергия взрыва широко используется в военном деле (боеприпасах и средствах поражения).

За годы Великой Отечественной войны промышленность боеприпасов произвела для фронта 333,3 млн. выстрелов для полевой и корабельной артиллерии, 242,8 млн. минометных выстрелов, около 14,5 млн. реактивных снарядов, более 200 млн. авиационных патронов, около 200 млн. ручных противотанковых и противопехотных гранат, 40,4 млн. авиационных бомб общей массой 700 тыс. т, более 66,7 млн. инженерных мин заграждения, 40 тыс. морских мин и боевых зарядных отделений торпед, 161,3 тыс. глубинных бомб, 21,4 млрд. комплектов элементов для стрелковых патронов, сотни миллионов различных пиротехнических боеприпасов. Химические предприятия произвели для снаряжения боеприпасов миллионы тонн ВВ и порохов, зажигательных и пиротехнических составов, в том числе более 505 тыс. т тротила и других индивидуальных ВВ [ОП].

Взрыв позволяет получать большие скорости (до 14 км/с) и давления (до 10-15*10⁶кг/см²) для научных и медицинских исследований. При этом увеличивается более чем в три раза плотность твердых тел, изменяется кристаллическая структура, физические и химические свойства. В настоящее время получили внедрение взрывные технологии при получении: резины из каучука; изготовление веществ алмазной структуры. Ударные волны, созданные микровзрывами (электрические разряды в жидкости), дают возможности изучать физиологические функции различных органов.

История создания взрывчатых веществ

История развития работ связанных с разработкой ВВ тесно связана с производством, зарождением военной техники и промышленности по добыче скальных полезных ископаемых. 1. Характеристики высокоэнергетических материалов

1.1. Характеристики взрывчатых веществ

Для снаряжения боеприпасов в настоящее время применяют следующие бризантные взрывчатые вещества (ВВ) (1,2):

• тротил (тринитротолуол - ТНТ) С₆Н₂СН₃(NO₂)₃;

• тетрил (тринитрофенилметилнитрамин) С₆Н₂(NO₂)₃NNO₂СН;

• гексоген (циклотриметилентринитроамин) (СН₂)₃N₃(NO₂)₃;

• ТЭН (тетранитропентаэритрит) C(CH₂ONO₂)₄;

• октоген (циклотетраметилентетранитроамин) (CH₂)₄N₄(NO₂)₄;

• вещество А-IХ-1 (флегматизированный гексоген);

• вещество А-IХ-2 (смесь А-IХ-1 с алюминиевой пудрой);

• смеси тротила с гексогеном (ТГ);

• смеси тротила с гексогеном и алюминиевым порошком;

• аммонийная селитра NH₄NO₃;

• динитронафталин C₁₀H₆(NO₂)₂;

• аммотолы (смеси аммонийной селитры с тротилом).

ТРОТИЛ

Тротил - С₆Н₂СН₃(NO₂)₃ – применяемый для снаряжения боеприпасов, по внешнему виду представляет чешуйки светло-желтого цвета толщиной 1 – 2 мм.

Температура плавления и затвердевания химически чистого тротила находится в пределах 80,35 – 80,85⁰С. Тротил, употребляемый для снаряжения боеприпасов (технический), имеет температуру плавления 80,2 – 80,5⁰С.

Удельный вес кристаллов тротила 1,66 г/см³.

Тротил хорошо прессуется. Шашки из него могут быть отпрессованы с плотностью до 1,61 г/см³, в производстве они прессуются до плотности 1,52 – 1,59 г/см³.

В расплавленном и литом состоянии тротил имеет следующую плотность: при температуре 100⁰С – 1,44 г/см³, при 80⁰С в момент начала кристализации – 1,465 г/см³,с наличием твердой фазы до 16% - 1,480 г/см³, литой без предварительной кристаллизации 1,52 – 1,54 г/см³, с предварительной кристаллизацией 1,56 – 1,62 г/см³.

Теплопроводность порошкообразного тротила – 0,053 кал/м·час·град, расплавленного – 0,472 кал/м·час·град и литого с плотностью 1,59 г/см³ – 0,161 кал/м·час·град. Теплоемкость прессованного тротила – 0,297 кал/г·град, расплавленного - 0,325 кал/г·град, литого с плотность 1,59 г/см³ – 0,269 кал/г·град. Скрытая теплота плавления тротила находится в пределах 21,41 – 22,5 кал/г.

Расплавленный тротил при переходе в твердое состояние дает усадку примерно 7 – 8 объемных процента. Тротиловые заряды, при охлаждении и нагревании соответственно сжимаются и расширяются. По данным ряда исследований временное сопротивление на сжатие прессованных тротиловых шашек с плотностью 1,55 г/см³ составляет 70 кг/см² на разрыв 0,9 кг/см², а литых шашек с плотностью 1,60 кг/см² – 100 кг/см², на разрыв 8,27 кг/см² и на срез 85-90 кг/см². Модуль упругости прессованного тротила с плотность 1,42-1,58 г/см³ находится в пределах 10500-11700, коэффициент Пуассона 0,29-0,32.

Тротил негигроскопичен, почти не растворяется в холодной воде. При температуре кипения воды его растворимость достигает 0,15%. Тротил хорошо растворяется в бензоле, толуоле, ацетоне и концентрированных азотной и серной кислотах. Это очень стойкое химически нейтральное вещество. Тротил не взаимодействует с металлами. Со щелочами реагирует, образуя чувствительные к удару и трению металлоорганические производные – тротиляты.

Под действием солнечного света тротил буреет, но образовавшийся поверхностный слой продуктов превращения защищает от распространения реакции в глубь вещества.

При нагревании тротила до 150⁰С в течение 15 – 20 часов он не изменяет своих физико-химических и взрывчатых свойств и не воспламеняется. При нагревании до 150⁰С он начинает медленно разлагаться, при повышении температуры до 180⁰С скорость разложения его увеличивается, а при температуре 250⁰С и длительном нагревании он может воспламениться.

При быстром нагревании тротил при температуре 240⁰С взрывается.

При действии пламени на открытом воздухе, тротил сначала плавится, а затем воспламеняется и горит коптящим пламенем. Расплавленный тротил воспламеняется быстрее, чем порошкообразный и тем быстрее, чем выше его температура. Пылеобразный тротил воспламеняется быстрее, чем литой в кусках.

Скорость детонации тротила зависит от плотности. Скорость детонации тротила при плотности 1 г/см³ равна 5000 м/с, при 1,55 г/см³ – 6200 м/с, при 1,60 г/см³ – 6800 м/с и при 1,62 г/см³ – 6960 м/с. При простреле пулей тротил не взрывается.

Тротил как в чистом виде, так и в смесях и сплавах с другими ВВ широко применяется для снаряжения почти всех боеприпасов методом заливки, прессования и шнекования.

ТЕТРИЛ

Тетрил - С₆Н₂(NO₂)₃NNO₂СН₃ – кристаллический порошок желтого цвета. Он бывает трех сортов, в зависимостиот применяемых растворителей для его кристализации: ацетоновый, бензольный и дихлорэтановый.

Химически чистый тетрил плавится при температуре 131,5⁰С и затвердевает при 128,3⁰С. Технический тетрил, применяемый для снаряжения боеприпасов, затвердевает при температуре не ниже 127,8⁰С.

Удельный вес кристаллов тетрила 1,73 г/см³ .

Гравиметрическая плотность находится в пределах 0,6 – 0,7 г/см³.

Тетрил хорошо прессуется. Шашки из него могут быть отпрессованы с плотностью максимум 1,70 г/см³ . В производстве тетриловые шашки прессуют до плотности 1,53 – 1,63 г/см³ .

Теплоемкость тетрила равна 0,761 кал/г·град.

Временное сопротивление на сжатие тетриловых шашек с плотностью 1,44 – 1,55 г/см³ равно 22 – 52 кг/см², а с плотность 1,60 – 1,62 г/см³ 82 – 107 кг/см². Модуль упругости тетриловых шашек с плотностью 1,44 – 1,55 г/см³ находится в пределах 10500 – 12100, коэффициент Пуассона 0,298 – 0,334.

Тетрил почти не растворяется в воде, плохо растворяется в спирте. Хорошо растворяется в бензоле, толуоле, ацетоне, дихлорэтане, четыреххлористом углероде, анилине, уксусной и азотной кислотах.

Тетрил – стойкое химически нейтральное вещество, в сухом и чистом виде не взаимодействует с металлами.

Тетрил хорошо восприимчив к детонации. Скорость детонации тетрила зависит от плотности: чем выше плотность, тем больше скорость детонации. Скорость детонации тетрила при плотности 1,52 г/см³ равна 7300 м/с, при плотности 1,63 г/см³ – 7400 м/с, а при плотности 1,68 г/см³ – 7750 м/с.

В снаряжательном производстве тетрил применяется для изготовления дополнительных детонаторов, вторичных зарядов в капсюлях-детонаторах, детонирующего шнура методом прессования и некоторых случаях в смеси с другими ВВ для снаряжения боеприпасов методом заливки.