Теплофизические явления в полимерных материалах при интенсивном и кр

Рис. 5.8. Распределение сжимающих (S>0) и растягивающих (S<0) напряжений по координате для различных моментов времени (граница х=0 есть свободная поверхность): –––––S1, расчет по (5.16); –·–·–S2, расчет по (5.19); - - - огибающие амплитуд импульсов сжатия и растяжения

Расчёты значений S1 по (5.16) и S2 по (5.19) дают идентичные результаты. Отличие заключается в том, что S2 учитывает

конечность времени поглощения излучения материала заряда, что вызывает завал фронтов импульсов как сжатия, так и растяжения.

Воспользовавшись представленными на рис. 5.8 расчетными данными, оценим величины параметров откольного разрушения. Площадь под кривой 0 пропорциональна удельному импульсу нагрузки:

В работе [140] установлены критерии откола для конденсированных сред. В частности, толщина откола δ связана с толщиной образца H следующим выражением для пластмасс:

Hδ = 0,027 + 0,27η,

131

мент времени 0, W – амплитуда скорости свободной поверхности, направленной в сторону x < 0 ).

Как следует из табл. 5.2, в детали диаметром 1 м откалывается кольцевой наружный слой толщиной 13,5 мм. Поскольку уменьшение амплитуды сжатия при этом составляет примерно 4 %, то можно ожидать возникновения нескольких кольцевых отколов примерно равной толщины. Однако эти кольцевые слои практически не будут расширяться, так как значения скорости W ничтожны.

Еще раз отметим, что рассмотренные процессы относятся к случаю, если концентрация поглощенной энергии не превосходит энергии связи материала. Для типичных полимерных высокоэнергетических составов значение энергии разрыва связей со-

ставляет несколько электрон-вольт на связь, или около 108 Джм3

[88]. По своему смыслу параметр σ0 и есть объемная плотность поглощенной энергии, т.е. при напряженности поля внутри дета-

132

ли 107 мВ в материале заряда реализуется состояние перехода его

из твердого в газообразное состояние и разлет этого сублимированного материала.

При напряженностях E ≤103 мВ откольное разрушение, по-

видимому, не реализуется. Но в этом случае циркуляция волн сжатия и растяжения от оси детали к свободной поверхности и обратно будет происходить с периодом колебаний приблизительно 3 104 с. Отметим две особенности такого колебательного

процесса. Во-первых, это высокочастотные колебания. Период собственных колебаний детали диаметром 1 м больше периода рассматриваемых колебаний по крайней мере в 5 103 раз. Вовторых, при встрече волн растяжения на оси детали (при x = 0,5 м) возможно осевое растрескивание детали.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Одной из современных тенденций развития некоторых видов техники является направление повышения мощности факторов воздействия, т.е. увеличения интенсивности энергии и уменьшения времени воздействия. Поведение материалов и конструкций, в частности полимерных высокоэнергетических материалов и деталей из них, и изменение их физических и эксплутационных свойств при интенсивном и кратковременном воздействии микро- и субмикросекундного диапазона остаются малоизученными. В связи с этим нами выявлена необходимость постановки, формулирования и изучения научной проблемы обоснования положений, определяющих поведение полимерных высокоэнергетических составов и деталей из них при интенсивном и кратковременном воздействии.

В ходе обобщения и анализа большого объема известных экспериментальных данных по изменению в широком временном интервале (10-2–10-16 с) физических свойств, различных по своей природе: механических, тепловых, волновых (акустических, ударных, детонационных, электромагнитных) и пр. – выделено общее качество: при временах воздействия, меньших 10-6–10-5 с, жидкость ведет себя как твердое тело, и наоборот. Это позволяет сформулировать лемму о тождественности свойств, проявляемых веществом в твердом и жидком состояниях при реакции его на интенсивные и кратковременные (менее 10-6–10-5 с) воздействия. Из леммы следует, что минимальное количество вещества, которое должно быть подвергнуто кратковременному воздействию, чтобы были дифференцированы свойства жидкого и твердого состояний, составляет 1 моль. Будучи примененным к полимерным высокоэнергетическим составам, следствие позволяет: а) объяснить значения критического и предельного диаметров для взрывчатых составов, в частности, для штатных составов критический диаметр составляет несколько миллиметров; б) обосновать и сформулировать двухпараметрический критерий

134

возбуждения детонации либо горения деталей из полимерных высокоэнергетических материалов.

При анализе моделей расчета характеристик гетерогенных, смесевых материалов была отмечена идентичность математической постановки задач определения характеристик различной природы: механических, электрических, магнитных, термодинамических (тепловых), диффузионных, поверхностных явлений, многофазных систем и пр. На основе рассмотрения наиболее наглядного в данном случае явления диффузии и описывающего это явление второго закона Фика нами разработана математическая модель эффективных характеристик гетерогенных материалов. Выполненная проверка показала достоверность (в пределах примерно 2 %) результатов модели эффективных характеристик: а) для установившихся состояний при расчете таких параметров высокоэнергетических составов, как плотность, теплоемкость, скорость звука, относительные электрическая и магнитная проницаемости, электропроводимость, чувствительность к возбуждению взрыва и пр.; б) для состояний, реализующихся при кратковременных воздействиях микро- и субмикросекундного диапазона, при расчете таких параметров, как параметры детонации: кинематические параметры (волновая и массовые скорости), энерговыделение (теплота взрыва), параметры в точке Жуге (плотность, давление, скорость звука, показатель адиабаты Пуассона) и пр.; в) для промежуточных состояний (несколько худшее соответствие), характерное время установления которых относится к миллисекундному диапазону, при описании, в частности, параметров процесса горения смесевых полимерных составов.

Вцелях повышения уровня пожаровзрывобезопасности специальных средств поражения авторами работы [125] предлагается использовать суспензионные бризантные ВВ.

Врезультате анализа совокупности свойств существующих взрывчатых составов, в частности пластизольных, предложен разработанный суспензионный взрывчатый состав на основе жидкого нитроизобутилтринитрата глицерина (НИБТНГ) и твер-

135

дого октогена с объемными долями компонентов в следующих пределах: НИБТНГ 0,32–0,68, октоген 0,68–0,32, технологические добавки 0–0,01. Разработанный суспензионный взрывчатый состав по своим эксплуатационным характеристикам и эффективности не уступает принятым стандартным составам.

Далее были проанализированы известные экспериментальные результаты по воздействию СВЧ-излучения на образцы из полимерных составов: НДП-5А, ПД-10/20Э, МГТ-2П. В рамках существующих представлений эти результаты необъяснимы: при времени облучения меньше 360 с механическая прочность и скорость горения практически не изменяются; при времени облучения 360 с образцы воспламенились и сгорели, хотя нагрелись только до температуры 70 оС, что в три раза меньше температуры начала интенсивного разложения. Для объяснения таких фактов нами разработана математическая модель на основе двухпараметрического критерия возбуждения взрыва либо горения с учетом разрыва молекулярных связей под действием СВЧ-излуче- ния. При времени облучения 360 с плотность поглощенной энер-

гии была ≤ 5,5 108 Джм3 , что в соответствии с энергетической со-

ставляющей позволяет реализоваться и детонации и горению, но размер образцов (120 мм) существенно меньше критического размера (1 м), что в соответствии с геометрической составляющей позволяет реализоваться только горению.

В соответствии с практическими задачами было проанализировано явление теплового удара в крупногабаритных деталях из полимерных составов, подвергшихся кратковременному воздействию СВЧ-излучения в течение 10-6–10-5 с и при объемной плотности поглощенной энергии, меньшей теплоты испарения полимерного материала. В результате разработана математическая модель волновых процессов в деталях полимерных составов на основе представлений о быстром и неравномерном разогреве этих деталей, приводящем к появлению в нем волн напряжений. Модель устанавливает количественные связи между параметра-

136

ми, характеризующими поле напряжений, и количеством поглощенной энергии и временем разогрева. На конкретном примере детали с типичными значениям параметров материала и размера показано, что при напряженностях электрического поля в материале > 103 В/м в детали возникает множественный откол. При меньших напряженностях в детали возникает высокочастотный колебательный процесс.

При размерах деталей, меньших длины свободного пробега излучения (составляющей для составов ТРТ ≈0,2–0,3 м) можно считать, что происходит одновременное воздействие СВЧ-излу- чения по всему объему детали. При больших размерах деталей происходит неравномерное поглощение энергии СВЧ-излучения по объему детали. Вследствие этого реализуются волновые течения. Результатом действия волновых процессов являются различные виды разрушения детали, а при слабых волнах – колебательные процессы детали как целого.

Для описания процесса поглощения полимерным составом энергии СВЧ-излучения были введены два параметра: а) интегральная энергетическая характеристика, т.е. суммарная энергия, поглощенная единицей объема за все время облучения (по своей сущности этот параметр есть объемная плотность поглощенной энергии); б) дифференциальная энергетическая характеристика, т.е. скорость поглощения энергии, скорость ввода энергии в единицу объема.

Разработанная общая картина воздействия СВЧ-излучения на детали из полимерных составов позволяет адекватно описывать реакцию детали из полимерных составов на воздействие СВЧ-излучения и принимать корректные решения в конкретных случаях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Романов О.Я. К системной эффективности твердых ракетных топлив // Известия РАН. – 2003. – № 1. – С. 97–102.

2.Van Vlack D.H. Materials Science for Engineers. Ontario: Univ. Michigan Press, 1974. – 472 р.

3.Оделевский В.И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем I. Матричные двухфазные системы с невытянутыми включениями // Журн. техн. физ. – 1951. – Т. 21. – Вып. 6. –

С. 667–677.

4.Шаталов Г.А. Эффективные характеристики изотропных композитов как задача многих тел // Механика композитных ма-

териалов. – 1985. – № 1. – С. 43–52.

5.Kalnin’sh J.H., Sakss N.I. Effective diffusion and coefficient and reaction rate in two-phase heterogenous medium // Latv. Journ. Phys. and Techn. Scien. – 1993. – № 5. – P. 34–44.

6.Забабахин Е.И. Некоторые вопросы газодинамики взрыва / Рос. федер. ядерный центр – Всерос. науч.-исслед. ин-т техн. физики. – Снежинск: РФЯЦ – ВНИИТФ, 1997. – 98 с.

7.Корнфельд М. Упругость и прочность жидкостей. – М.; Л.: Гостехиздат, 1951. – 95 c.

8.Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. – М.: Физматгиз, 1945. – 78 с.

9.Kokin V.Z., Rubenchik A.Ju., Rybakov A.P. Spall damage of substance in solid and liquid state // Latv. Journ. of Phys. and Tech. Scien. – 1992. – № 3. – Р. 27–30.

10.Rybakov А.Р. Spall in non-one-dimensional shock waves // Int. Journ. of Impact Eng. – 2000. – № 24 (12). – Р. 1041–1082.

11.Hayword Alan T.J. Negative pressures in liquids: Саn it bе hamessed to serve man? // American Scientist. – 1971. – № 59. – Р. 434–450.

12.Мактас Б.Я., Рыбаков А.П., Рыбаков Н.А. Вязкость при чрезвычайно высокой скорости деформации // Труды ПВИ РВ. – 1998. – № 1. – С. 117–127.

138

13.Рогов Н.Г., Груздев Ю.А. Физико-химические свойства порохов и твердых ракетных топлив: учеб. пособие. – СПб.: Изд-

во СПбГТИ(ТУ), 2005. – 200 с.

14.Bpeменная зависимость прочности металлов при долговечностях микросекундного диапазона / Н.А. Златин [и др.] //

Физика твердого тела. – 1975. – Т. 17. – № 9. – С. 2599–2602.

15.Рыбаков А.П. Исследование откольного разрушения конденсированных тел // Журн. прикл. механ. и техн. физ. – 1981. –

№5. – С. 144–146.

16.Рыбаков А.П. Ударные волны в конденсированных средах / Даугав. гос. ун-т. – Т. 1. – Даугавпилс, 1984. – 307 с. – Деп. в

ЛатНИИНТИ 20.05.1985, № 60 Ла. – Т. 2. – Даугавпилс, 1986. – 185 с. – Деп. в ЛатНИИНТИ 27.11.1987, № 98-Ла.

17.Grady D. The spall strength of condensed matter // Journ. Mech. Phys. Solids. – 1988. – Vol. 36. – № 3. – Р. 353–384.

18.Степанов Г.В. Коэффициент вязкости металлических материалов при высокоскоростном деформировании в упругопластических волнах нагрузки // Детонация. Критические явления. Физико-химические превращения в ударных волнах / Объед. ин-т хим. физ. АН СССР. – Черноголовка, 1978. – С. 106–111.

19.Степанов Г.В. Влияние скорости деформации на характеристики ударно-пластического деформирования металлических материалов // Журн. прикл. механ. и техн. физики. – 1982. – № 1. –

С. 150–156.

20.Краткий физико-технический справочник / под общ. ред. К.П. Яковлева. – Т. 1. – М.: Физматгиз, 1960. – 320 с.

21.Минеев В.Н., Зайдель P.M. Вязкость воды и ртути при ударном нагружении // Журн. экспер. и теор. физ. – 1968. – Т. 54. –

№6. – С. 1633–1639.

22.Минеев В.Н., Савинов Е.Б. Вязкость и температура плавления алюминия, свинца и хлористого натрия при ударном сжатии //

Журн. экспер. и теор. физ. – 1967. – Т. 52. – № 3. – С. 629–536.

23.Альтшулер Л.В., Канель Г.И., Чекин Б.С. Новые измерения вязкости воды за фронтом ударных волн // Журн. экспер.

и теор. физ. – 1977. – Т. 72. – Вып. 2. – С. 663–666.

139

24. Hamman S.D., Linton S. The viscosity of water under shock compression // Journ. Appl. Phys. – 1969. – Vol. 40. – №5. – P. 913–914.

25. О низкочастотной сдвиговой упругости жидкостей / У.Б. Базарон [и др.] // Докл. АН СССР. – 1990. – Т. 315. – Вып. 3. –

С. 595–599.

26.Попов С.М. Абсолютная вязкость стали // Инженерный сборник. – 1941. – Т. 1. – Вып. 1. – С. 27–36.

27.Ильюшин А.А. Об испытаниях металлов при больших скоростях // Инженерный сборник. – 1941. – Т. 1. – Вып. 1. – С. 13–26; Ильюшин А.А. Деформация вязкопластичного тела // Ученые записки МГУ. Механика. – 1940. – Вып. 39. – С. 3–81.

28.Кузнецов В.Д. Физика твердого тела: в 4 т. – Т. 4. – Томск: Полиграфиздат, 1947. – 248 с.

29.Hauser F.E., Simmons J.A., Dorn I.E. Response of metals to high velocity deformation. – New York; London: Inters. Publishers, 1961. – 268 р.; Hauser F.E. Techniques for measuring stress-strain relation at high strain rates // Exp. Mech. – 1966. – № 8. – Р. 324–332.

30.Механические свойства некоторых материалов при растяжении / Г.С. Писаренко [и др.] // Проблемы прочности. – 1970. –

№7. – С. 3–8.

31.Edington J.W. Mechanical behavior of materials under dynamicloads. – Berlin; Heidelberg; New York: Springer Verlag, 1968. – Р. 191–240.

32.Campbell J.D., Fergusson W.G. The temperature and strain – rate dependence of the shear strength of mild steel // Philos. Mag. – 1970. – Vol. 21. – № 1. – Р. 87–93.

33.Степанов Г.В. Упругопластическое деформирование материалов под воздействием импульсных нагрузок. – Киев: Нау-

кова думка, 1979. – 268 с.

34.Степанов Г.В. Испытание на растяжение с высокой скоростью металлических листовых материалов // Проблемы прочно-

сти. – 1980 – № 7. – С. 37–42.

35.Степанов Г.В. Взаимосвязь сопротивления деформации при одноосном напряженном состоянии и разрушающих напря-

140