Изменение со временем удельной электропроводности ТАТБ за

ЗАВИСИМОСТЬ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ТАТБ
ОТ ДАВЛЕНИЯ И ВРЕМЕНИ ЗА ФРОНТОМ УДАРНОЙ ВОЛНЫ
М.М. ГОРШКОВ, К.Ф. ГРЕБЕНКИН, В.Т. ЗАИКИН,
В.М. СЛОБОДЕНЮКОВ, О.В. ТКАЧЕВ, Н.Г. БАГАВЕТДИНОВ
РФЯЦ — ВНИИ техническ–й физики им. акад. Е.И. Забабахина, Снежинск, Россия
Данная работа является продолжением исследования зависимости (от давления (р) и времени (t)) удельной электропроводности (σ) невзорвавшегося ВВ за фронтом ударной волны.
В предыдущей работе [1], результаты которой были доложены на VII ЗНЧ в 2003 году, исследовался
ТАТБ с добавлением 10 % пластификатора, обладающего изоляционными свойствами (образцы для исследования имели начальную пористость ≤ 0,3 %).
При дальнейшем анализе полученных результатов было высказано предположение о существенном влиянии малой добавки пластификатора на характер изменения зависимости σ(р, t) и на ее амплитудные значения.
Для проверки этого предположения была проведена аналогичная серия экспериментов с образцами из
чистого ТАТБ. Но, к сожалению, при изготовлении образцов чистого ТАТБ удалось достичь начальной плотности ρ00 = 1, 865г/см3, т. е. образцы имели пористость ≈ 2,5 %. Из–за этого в экспериментах возможно появление поровой проводимости — проводимости за ФУВ воздуха, заключенного в возможно открытых порах образца, и что может внести искажение в результаты измерения σ.
В данной серии использовалась та же постановка экспериментов, что и в предыдущей работе, где она
подробно описана.
В качестве изолирующей окружающей образец среды использовался исследованный ранее “грамикулит”
(70 % корунда + 30 % парафина), ударная адиабата которого немного жестче адиабаты пористого невзорвавшегося ТАТБ, но это не является существенным в пределах точности экспериментов, что видно из табл. 1.
Большинство опытов выполнены по схеме с “палочкой”, опыт № 177 — по схеме “с диском” (рис. 3).
В табл. 1 представлены результаты одномерных расчетов по программе “Волна” [2] для каждого опыта
данной серии. Расчеты проводились с уравнением состояния в форме с постоянными n и h [3]. Числовые значения параметров уравнений состояний для используемых в опытах (и в расчетах) материалов приведены
в табл. 2.
Таблица 1
№
опыта
149
146
142
139
144
154
174
176*
177**
Характеристика
заряда
Амплитуда
Материал
У.В.W [км/с]
Cu
Cu
Cu
Cu
Al
Al
—
Al
Cu
1,0
1,23
1,48
1,78
2,55
3,15
—
3,15
1,48
Расчетные параметры состояния в волнах в ТАТБ
Р (ГПа)/Ет (кДж/гр)
Геометрия
опыта
Ру1/Ет1
Ру2/Ет2
Ру3/Ет3
Рцир/Ет.цир
Δt
L
6,37/0,176
8,52/0,278
11,1/0,418
14,5/0,624
17,25/0,807
23,4/1,246
—
8,3/0,271
5,3/0,886
6,7/0,179
8,88/0,282
11,5/0,422
15/0,631
17,8/0,814
24/1,255
—
16/0,348
5,75/0,92
—
—
—
—
—
4,87/0,163
6,4/0,255
8,2/0,380
10,7/0,563
12,7/0,724
16,9/1,107
—
16,2/0,350
6,85/1,00
2,1
1,95
1,72
1,55
1,5
2,13
1,50
1,60
10,0
9,55
8,0
8,65
10,0
10,55
9,7
17,45
—
23,5/0,394
–
—
* — опыт по схеме рис. 3 многоволнового нагружения образца;
** — опыт с пониженной начальной плотностью образца, выполненного по схеме рис. 4.
Обозначения в таблице: Ру1, Ру2, Ру3, Ет1, Ет2, Ет3 — значения давления и внутренней тепловой энергии в ударных волнах, вступающих в образец ТАТБ. Рцир, Ет.цир — давление и тепловая энергия в образце после прихода волны, отраженной
от оргстекла (волна разрежения, в опыте 177 — волна сжатия); Δt — время циркуляции проходящей волны и отраженной
волны между образцом ТАТБ и панелью из оргстекла; L — расстояние между электродами.
В табл. 1 значения приращения внутренней тепловой энергии для ВВ (ΔЕТ) приводятся без учета выделения энергии при разложении ВВ (т. е. для невзорвавшегося ВВ).
Таблица 2
Параметры уравнения состояния
№ п/п
Материал
1
2
3
4
Медь
5
6
7
Пенопласт
Оргстекло
Парафин
Алюминий
Грамикулит
ТАТБ
ρ00
ρ0
С0
8,93
2,71
1,965
1,865
1,2
0,5
1,186
0,904
8,93
2,71
1,965
1,91
—
1,05
1,186
0,904
3,978
5,524
2,336
2,202
—
2,03
2,583
2,7
N
h
3,263
3,539
7,43
8,16
—
4,4
4,75
5,03
2,4
2,70
1,915
1,78
—
4,35
1,98
2,90
В опытах измеряется изменение падения напряжения (U) на электродах, приложенных к образцу ТАТБ.
Переобработанные осциллограммы в зависимости удельной электропроводности от времени (σ(t)) для каждого
опыта представлены на рис. 1. Для наглядности сравнения эти же осциллограммы приведены на рис. 2 в одном
масштабе. За “0” времени на осциллограммах принят момент срабатывании реперного датчика, установленного на границе, соответствующей верхней поверхности образца — “палочки”, т. е. момент прохождения ударной волны по образцу — палочке.
Если бы поровая проводимость имела место (была бы существенной), то межэлектродная проводимость
возрастала бы по мере распространения ударной волны по образцу — палочке (~0,1 мкс), а затем оставалось
бы постоянной, поскольку давление в образце поддерживается постоянным в течение (1,5÷2) мкс. Этого
не происходит, и проводимость продолжает расти в течение времени регистрации.
При t=0 регистрируется некоторая проводимость, и, если принять ее всю в качестве поровой, то она не
превышает ~ 0,5 1/Ом⋅м даже при Р ~ 24 ГПа, как это видно из рис. 2 .
В опыте № 177, в котором пористость образца была большой k=p0/ρ00≈1,6, на момент t=0 σ≤0,5 1/Ом⋅м и продолжает расти за время Δt=0,65 мкс, т. е. и в этом опыте поровая проводимость не играет существенной роли.
Эксперименты данной работы показывают, что характер зависимости σ(t) меняется с увеличением амплитуды ударной волны, вводимой в образец.
− При Р = 6,6 ГПа проводимость остается нулевой за все время регистрации.
− При давлениях 8,9 и 11,5 ГПа σ(t) растет (естественно быстрее при Р = 11,5 ГПа), а при приходе
к образцу волны разрежения проводимость начинает падать.
− Интересен опыт при Р = 15 ГПа, в котором проводимость с приходом волны разрежения сначала падает, но потом снова начинает расти.
− В опыте при Р = 17,8 ГПа падение проводимости уже не наблюдается с приходом волны разрежения — на зависимости σ(t) появляется только точка перегиба.
− При давлении Р ≈ 24 ГПа электропроводность быстро растет и через (1÷1,5) мкс достигает значения
≥ 500 1/Ом⋅м.
Для выяснения вопроса: какой из факторов — давление или нагрев, влияет в большей степени на σ(t) при
динамическом нагружении ВВ, было проведено два опыта с варьированием степени нагрева образца за ФУВ.
В опыте № 176 с помощью слойки из пенопласта и меди образец — палочка из ТАТБ нагружался серией ударных волн до давления Р ≈ 23,5 ГПа (рис. 3, табл. 1) — давления, достигаемого в опыте № 174 волной однократного сжатия, и, как следует из расчетов, нагревался значительно меньше (в ~ 3 раза). Зафиксированная σ(t)
занимает промежуточное значение между σ(t), полученных в опытах № 146 (8,8 ГПа) и (№ 142 (11,5 ГПа).
В опыте № 177 определялась σ(t) по схеме рис. 4 при нагружении образца пониженной начальной плотности (ρ00 ≈ 1,2 ± 0,15) г/см3. Достигнутое в проходящей волне давление в опыте Р = 5,7 ГПа меньше, чем в опыте № 149 (Р = 6,7 ГПа), в котором проводимость остается нулевой. Расчетное значение нагрева в опыте № 177
соответствует нагреву в однократной волне амплитудой Р ≈ 20 ГПа, и зафиксированная σ(t) при t ≤ 0,6 мкс
соответствует этому нагреву (рис. 1).
Совокупность экспериментально–расчетных данных в проведенной серии экспериментов указывает на то,
что определяющим фактором развития электропроводности ТАТБ при динамическом нагружении является его
нагрев.
Возможная же поровая проводимость в проведенных экспериментах не играет существенной роли.
В заключение авторы благодарят Н.М. Матвеева за разработку технологии и за сборку всех измерительных узлов.
2
Опыт №146
Опыт №149
0.5
0.45
0.45
0.4
0.35
σ 1/Ом*м
0.4
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.25
0.2
0.1
0.05
0.05
0.5
1.5
1
t, мкс
∆tосц
0.15
∆tосц
0
0
P=8.9 ГПа EТ=0.28 кДж/г
0.3
0.1
0
2
0
0.5
1
Опыт №142
4.5
9
4
8
3.5
7
σ 1/Ом*м
10
3
∆tосц
2
4
1
2
0.5
1
t, мкс
1.5
0
0
2.5
2
0.2 0.4 0.6 0.8
Опыт №144
P=17.8 ГПа EТ=0.81 кДж/г
100
90
80
70
σ 1/Ом*м
1
60
50
∆tосц
40
30
20
10
0
0
3
∆tосц
5
3
0.5
2.5
6
1.5
0
0
2
P=15 ГПа EТ=0.63 кДж/г
5
2.5
1.5
t, мкс
Опыт №139
P=11.5 ГПа EТ=0.42 кДж/г
σ 1/Ом*м
σ 1/Ом*м
P=6.7 ГПа EТ=0.18 кДж/г
0.5
0.2
0.4
0.6
0.8
1
t, мкс
1.2
1.4
Рисунок 1 – Осциллограммы опытов.
3
1.6
1 1.2 1.4 1.6 1.8
t, мкс
2
Опыт №154
Опыт №174
P=24 ГПа EТ=1.25 кДж/г
P=24 ГПа EТ=1.25 кДж/г
1500
5000
4500
1000
σ 1/Ом*м
σ 1/Ом*м
4000
500
3500
3000
2500
2000
1500
∆tосц
∆tосц
1000
500
0
0
0.5
1
t, мкс
1.5
0
2
0
0.5
Опыт №176
Опыт №177
P=5.75 ГПа EТ=0.92 кДж/г
20
1.8
18
1.6
16
1.4
14
σ 1/Ом*м
σ 1/Ом*м
P=23.5 ГПа EТ=0.39 кДж/г
2
1.2
1
0.8
∆tосц
10
8
6
0.4
4
0.2
2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
t, мкс
1.2
1.4
∆tосц
12
0.6
0
1.5
1
t, мкс
1.6
1.8
0
-0.2 0
0.2 0.4 0.6 0.8
t, мкс
Рисунок 1 (продолжение) – Осциллограммы опытов.
4
1
1.2 1.4 1.6 1.8
30
25
0,814; 17,8
1,255; 24
20
0,92; 5,75
q 1/Om*m
1,255; 24
15
10
0,631; 15
5
0,422; 11,5
0,394; 23.5
0,282; 8,8
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
t mks
Рис. 2. Электропроводность ТАТБ, сводный график. 0,631; 15 — внутренняя тепловая энергия (кДж/гр); давление (ГПа)
5
1.2
- 4,5 В
3
13
1
R 18
2
5
R =37
∅ 20
11
12
4
15
10
14
∅ 30
9
7
8
6
1 - П анель, оргстекло;
2 - Ш унт R y300Ом;
3 - Ш тырь для контроля контакта;
4 - 2 реперных датчика;
5 - 4 винта (в потай) кр епления парафинового диска к панели;
6 - О граничительное кольцо из A l (оргстекло) ∅ внутр = 60+ 0,1 = 5 мм;
7 - О бразец пористого ТА ТБ ∅60х0,75;
8 - Экран (диск Cu ∅120х10);
9 - A l диск ∅30 Δ= 0,05;
10 - Выводы из Al Δ= 0,05;
11 - Эпоксидный клей;
12 - Земляной штырь;
13 - Рабочий ш тыр ь;
14 - Al фольга ∅5 Δ= 0,05;
15 - П арафиновый диск ∅=60-0,2 h= 6 мм.
-1,0
Рис. 3.
2
3
4
5
6
8
7
12
1
9
10
13
11
1 – Панель, оргстекло
2 – Al, Δ=0,01 мм
3 – ∅60х5, cмесь Al2O3 c парафином
4 – ∅60х2, cмесь Al2O3 c парафином
5 – Al, Δ=0,050 мм
6 – Образец ВС 25х4х0,75 мм3
13 – Пенопласт ρ00=0,5 г/см3 ∅60х3
Рис. 4.
7 – Фольга Al ∅5х0,05
8 – Винт с гайкой
9 – Реперный датчик № 2
10 – Экран измерительного заряда
11 – Реперный датчик № 1
12 – Cu диск ∅60х1