Влияние условий детонационного синтеза на выход конденсированного углерода и детонационного наноалмаза на примере смесевого заряда тротила и гексогена
Исследовано соотношение теоретического и практического выхода конденсированного углерода в постдетонационных процессах синтеза наноалмазов. Показано их практическое совпадение при оптимальном ведении процесса синтеза. Выход конденсированного углерода при промышленном синтезе составляет 12,0 % (по ма...
Saved in:
| Date: | 2018 |
|---|---|
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2018
|
| Series: | Сверхтвердые материалы |
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167107 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние условий детонационного синтеза на выход конденсированного углерода и детонационного наноалмаза на примере смесевого заряда тротила и гексогена / В.Ю. Долматов // Сверхтвердые материалы. — 2018. — № 4. — С. 82-87. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-167107 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1671072025-02-23T17:13:42Z Влияние условий детонационного синтеза на выход конденсированного углерода и детонационного наноалмаза на примере смесевого заряда тротила и гексогена Долматов, В.Ю. Инструмент, порошки, пасты Исследовано соотношение теоретического и практического выхода конденсированного углерода в постдетонационных процессах синтеза наноалмазов. Показано их практическое совпадение при оптимальном ведении процесса синтеза. Выход конденсированного углерода при промышленном синтезе составляет 12,0 % (по массе), детонационных наноалмазов ~ 8,16 % (по массе), содержание ДНА в АШ – до 68 % (по массе). Досліджено співвідношення теоретичного і практичного виходу конденсованого вуглецю в постдетонаційних процесах синтезу наноалмазів. Показано їх практичний збіг при оптимальному веденні процесу синтезу. Вихід конденсованого вуглецю при промисловому синтезі становить 12,0 % (за масою), детонаційних наноалмазів ~ 8,16 % (за масою), вміст ДНА в АШ – до 68 % (за масою). A ratio between the predicted and actual yields of condensed carbon in postdetonation processes of nanodiamond synthesis has been studied. These values are shown to closely coincide when optimal synthesis conditions are ensured. The yields of condensed carbon and detonation nanodiamonds in the industrial synthesis are 12.0 wt % and 8.16 wt %, respectively; the DND concentration in DS is up to 68 wt %. 2018 Article Влияние условий детонационного синтеза на выход конденсированного углерода и детонационного наноалмаза на примере смесевого заряда тротила и гексогена / В.Ю. Долматов // Сверхтвердые материалы. — 2018. — № 4. — С. 82-87. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167107 546.26.057:662.237.3 ru Сверхтвердые материалы application/pdf Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Инструмент, порошки, пасты Инструмент, порошки, пасты |
| spellingShingle |
Инструмент, порошки, пасты Инструмент, порошки, пасты Долматов, В.Ю. Влияние условий детонационного синтеза на выход конденсированного углерода и детонационного наноалмаза на примере смесевого заряда тротила и гексогена Сверхтвердые материалы |
| description |
Исследовано соотношение теоретического и практического выхода конденсированного углерода в постдетонационных процессах синтеза наноалмазов. Показано их практическое совпадение при оптимальном ведении процесса синтеза. Выход конденсированного углерода при промышленном синтезе составляет 12,0 % (по массе), детонационных наноалмазов ~ 8,16 % (по массе), содержание ДНА в АШ – до 68 % (по массе). |
| format |
Article |
| author |
Долматов, В.Ю. |
| author_facet |
Долматов, В.Ю. |
| author_sort |
Долматов, В.Ю. |
| title |
Влияние условий детонационного синтеза на выход конденсированного углерода и детонационного наноалмаза на примере смесевого заряда тротила и гексогена |
| title_short |
Влияние условий детонационного синтеза на выход конденсированного углерода и детонационного наноалмаза на примере смесевого заряда тротила и гексогена |
| title_full |
Влияние условий детонационного синтеза на выход конденсированного углерода и детонационного наноалмаза на примере смесевого заряда тротила и гексогена |
| title_fullStr |
Влияние условий детонационного синтеза на выход конденсированного углерода и детонационного наноалмаза на примере смесевого заряда тротила и гексогена |
| title_full_unstemmed |
Влияние условий детонационного синтеза на выход конденсированного углерода и детонационного наноалмаза на примере смесевого заряда тротила и гексогена |
| title_sort |
влияние условий детонационного синтеза на выход конденсированного углерода и детонационного наноалмаза на примере смесевого заряда тротила и гексогена |
| publisher |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| publishDate |
2018 |
| topic_facet |
Инструмент, порошки, пасты |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/167107 |
| citation_txt |
Влияние условий детонационного синтеза на выход конденсированного углерода и детонационного наноалмаза на примере смесевого заряда тротила и гексогена / В.Ю. Долматов // Сверхтвердые материалы. — 2018. — № 4. — С. 82-87. — Бібліогр.: 20 назв. — рос. |
| series |
Сверхтвердые материалы |
| work_keys_str_mv |
AT dolmatovvû vliânieuslovijdetonacionnogosintezanavyhodkondensirovannogouglerodaidetonacionnogonanoalmazanaprimeresmesevogozarâdatrotilaigeksogena |
| first_indexed |
2025-11-24T02:49:07Z |
| last_indexed |
2025-11-24T02:49:07Z |
| _version_ |
1849638306008006656 |
| fulltext |
http://stmj.org.ua 82
Инструмент, порошки, пасты
УДК 546.26.057:662.237.3
В. Ю. Долматов
Федеральное государственное унитарное предприятие
“Специальное конструкторско-технологическое бюро
“Технолог”, г. Санкт-Петербург, Россия
diamondcentre@mail.ru
Влияние условий детонационного синтеза
на выход конденсированного углерода
и детонационного наноалмаза на примере
смесевого заряда тротила и гексогена
Исследовано соотношение теоретического и практического вы-
хода конденсированного углерода в постдетонационных процессах синтеза на-
ноалмазов. Показано их практическое совпадение при оптимальном ведении
процесса синтеза. Выход конденсированного углерода при промышленном синте-
зе составляет 12,0 % (по массе), детонационных наноалмазов ~ 8,16 % (по мас-
се), содержание ДНА в АШ – до 68 % (по массе).
Ключевые слова: детонация, кислородный баланс, конденсиро-
ванный углерод, детонационный наноалмаз, условия детонационного синтеза,
выход наноалмаза и конденсированного углерода.
ВВЕДЕНИЕ
Выход детонационных наноалмазов (ДНА), как и постдето-
национного конденсированного углерода – алмазосодержащей шихты (АШ),
зависит не только от р, Т-условий процесса, но и от степени окисления угле-
рода, содержащегося в молекулах смесевого взрывчатого вещества (ВВ),
состоящего из 2,4,6-тринитротолуола (тротила) и циклотриметилентринитра-
мина (гексогена). Максимально возможный выход ДНА и АШ при подрыве
зарядов тротил–гексоген (ТГ) все еще носит дискуссионный характер [1–8].
Количество “свободного” углерода, выделяющегося в процессе детонации
углеродсодержащего ВВ формулы CaHbNcOd (a, b, c, d – количество атомов
углерода, водорода, азота, кислорода в молекуле соответственно) определя-
ется в значительной степени его кислородным балансом, рассчитываемым по
формуле [9]
100
МВ
2
216
КБ ⋅
+−
=
b
ad
%, (1)
где МВ – молекулярный вес.
© В. Ю. ДОЛМАТОВ, 2018
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 4 83
Во многих работах именно содержание углерода в молекулах исходных
ВВ (в данном случае в смеси тротила и гексогена) выдают за максимальный
теоретический выход конденсированного углерода (в нашем случае – АШ).
Для смеси ТГ 50/50 он составляет ~ 26,5 %1.
Однако это не так, поскольку взрыв – это процесс быстрого окисления уг-
лерода и водорода до их газообразных оксидов. При этом окислительно-
восстановительные реакции идут сразу за фронтом детонационной волны в
зоне химических реакций (зона химпика), толщиной в сотни микрон. В зоне
химпика для ТГ 50/50 развиваются давления ~ 21 ГПа (~ 210000 атм) и тем-
пература ~ 3500 К. Плотность плазмы в зоне химпика ~ 2,2 г/см3. При такой
температуре и плотности осуществляются только радикальные реакции (де-
сятки и сотни видов реакций одномоментно). Время образования ДНА –
~ 0,1–0,2 мкс (0,1–0,2)⋅10–6 с), до 90 % ДНА образуется в зоне химпика.
Очень быстрый спад температуры и давления во время разлета газообраз-
ных продуктов реакции (до 88 % от массы исходного ВВ) закаливает образо-
вавшиеся частицы ДНА и не дает им полностью графитизироваться.
При замещении обычных С12 на радиоактивные С13 и С14 в молекулах тро-
тила и гексогена было установлено, что в кристаллите ДНА содержится ~ 90–
95 % атомов углерода из тротила и только 5–10 % атомов углерода из гексо-
гена [10, 11].
В [12] показано, что процесс образования ДНА носит, скорее всего, не фи-
зический, а химический характер. Атомарного углерода в продуктах взрыва
(зона химпика) практически нет (для этого в 4–5 раз меньше энергии выделя-
ется при взрыве), а есть радикал-димер С2, он, скорее всего, и есть “кирпи-
чик” для создания наноалмаза через возможное образование адамантана.
Размер ДНА в 4–6 нм определяется малым временем процесса синтеза и
накопления дефектов в растущем внешнем слое кристаллита ДНА [13].
Понятно, для того, чтоб взрыв вообще осуществился, необходимо, чтобы зна-
чительная часть углерода перешла в газообразное состояние. Исходя из (1), пред-
полагается, что процесс окисления углерода идет до CO2, а водорода – до H2O.
Для синтеза ДНА КБ должен быть отрицательным, в этом случае количе-
ство окислителя (кислорода) будет недостаточно для окисления всего угле-
рода и водорода, содержащихся в молекулах ВВ, и “лишний” углерод будет
выделяться в конденсированном состоянии.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Для получения продуктов взрыва использовали стандартную камеру
Альфа-2М емкостью 2,14 м3. Масса литого заряда ТГ 50/50 составляла 700 г
(350 г тротила – 1,54 моль, 350 г гексогена – 1,58 моль), заряд был цилиндри-
ческим, длина заряда в два раза превышала диаметр, плотность заряда была
равна 1,62 г/см3.
Использовали классический вариант синтеза ДНА из смеси тротила (КБ =
–74 %, в молекуле содержится 37,0 % углерода) и гексогена (КБ = –21,6 %, в
молекуле содержится 16,22 % углерода).
КБ смеси ТГ 50/50 равен –47,8 %, т. е. около половины углерода в моле-
кулах тротила и гексогена теоретически могут выделиться в конденсирован-
ном (твердом) состоянии.
Учитывая число Авогадро, всего молекул тротила в 1,54 моля будет
9,273⋅1023, а молекул гексогена – 9,51⋅1023.
1 Здесь и далее состав приведен в % (по массе).
http://stmj.org.ua 84
То есть теоретически в “свободном состоянии” должно выделиться
(9,273⋅1023⋅0,37 + 9,51⋅1023⋅0,1622)⋅0,478 = 2,376⋅1023 атомов углерода, что
составляет “выход” свободного углерода на исходную массу ВВ
~ 65,12
1078,18
10376,2
23
23
=
⋅
⋅
%. Часть этого количества углерода существует в виде
ДНА, а часть – в виде неалмазного углерода.
Однако процесс подрыва ВВ не идеален. На конечный результат влияет,
по крайней мере, десять управляющих параметров:
– состав заряда [14];
– плотность заряда [5];
– кислородный баланс ВВ [5];
– теплоемкость и плотность газов во взрывной камере [14];
– форма заряда ВВ [15];
– соотношение массы заряда ВВ и емкости взрывной камеры [14];
– соотношение длины и диаметра заряда [16];
– наличие или отсутствие бронировки (оболочки) заряда [14, 15];
– состав бронировки заряда [16];
– сила инициирующего импульса для подрыва заряда ВВ [15].
Кроме того, на выход АШ и ДНА влияет место размещения заряда во
взрывной камере, наличие восстановительной среды во взрывной камере [17,
18], а на качество АШ и ДНА – состав внутренней стенки взрывной камеры.
В [19] был экспериментально проанализирован состав газовой среды
взрывной камеры при подрыве ТГ 40/60 в различной начальной газовой среде
(в воздухе, азоте, углекислом газе), так называемый “сухой” подрыв в газовой
среде. Последующие заряды взрывали в газовой среде, созданной предыду-
щими подрывами. После каждого подрыва (их было пять для каждой исход-
ной газовой среды) осуществляли забор среды для изучения основного газо-
вого состава.
Все эксперименты проводили во взрывной камере Альфа-2М (2,14 м3) с
прессованными зарядами ТГ 40/60 массой 0,65 кг плотностью 1,62 г/см3.
Результаты, полученные на хроматографе Газохром 3101 с точностью не
ниже 1,5 %, приведены в таблице. К пятому подрыву газовую среду во
взрывной камере считают установившейся и мало изменяющейся при даль-
нейших подрывах. К сожалению, выход АШ и ДНА авторами не приведен.
Было установлено, что вне зависимости от исходной газовой атмосферы в
камере количество монооксида углерода возрастает с увеличением номера
эксперимента. Следует отметить, что монооксид углерода при расчетах от-
сутствует как неустойчивый и появляется только по изоэнтропе продуктов
взрыва при их расширении до удельных объемов 10–1 м3/кг [20].
Из таблицы следует, что количество CO превышает количество CO2 в 1,5–
3,0 раза в зависимости от вида исходного газа во взрывной камере.
Очень показательны эксперименты в азотной газовой среде (при отсутст-
вии углеродсодержащих газов и малом количестве кислорода), где количест-
во СО превышает СО2 в 3,16 раза. Это, скорее всего, говорит о большем
влиянии постдетонационных процессов, чем детонационных.
Монооксид углерода появляется как продукт возможного недоокисления
конденсированного углерода, так и вследствие вторичных реакций, например
реакции генераторного газа:
CO2 + C ↔ СО –172,6 кДж, (2)
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 4 85
равновесие которой смещается вправо с повышением температуры. Кроме
того, при ударном нагружении CO2 могут также возникнуть условия для дис-
социации на CO и О2.
Состав газовой среды во взрывной камере (исходный и после
пятого подрыва), ТГ 40/60
Состав газовой среды, % (по объему)
Исходная среда
Воздух Азот СО2 (40 % (по объему)) СО2 (60 % (по объему))
Газ
I II I II I II I II
СО2 0 11,0 0 7,6 41,6 21,0 60,0 25,0
СО 0 25,0 0 24 0 33,0 0 39,0
О2 21 0,7 5,6 1,0 12 1,0 13,0 1,9
Н2 0 5,0 0 5,0 0 7,0 0 5,6
N2 76 57,0 94,4 62,0 46,0 37,0 26,0 26,0
CH4 0 0,52 0 0,5 0 0,5 0 0,71
Примечание. I – исходное состояние среды; II – состояние после пятого подрыва.
Обращает на себя внимание аномально высокое содержание водорода, ко-
торое может образоваться при реакции (3):
С + H2O → CO + H2, (3)
что также уменьшает количество конденсированного углерода.
Следует отметить, что многолетний опыт экспериментальной и промыш-
ленной наработки ДНА и АШ показал, что подрыв заряда ТГ 50/50 в водной
бронировке, содержащей гидразин, аммиак, мочевину, трилон Б, борную
кислоту, аминотетразон приводит к среднему выходу АШ равному ~ 11 %, а
ДНА – ~ 5,6 %.
Введение органических и неорганических соединений в заряд ТГ 50/50
приводит к выходу АШ ~ 13 %, однако выход ДНА падает до 4,0 %.
Многолетние промышленные наработки АШ и ДНА в оптимальных условиях
с использование состава ТГ 50/50 и бронировки водным раствором уротропина
[9, 10] позволили достичь стабильного выхода АШ равного 12 % при содержа-
нии ДНА в АШ до 68 % (выход ДНА в расчете на исходные ВВ – до 8,16 %).
Максимальный выход ДНА при использовании ТГ 50/50 может достигать
100
1078,18
1,0478,01622,01051,99,0478,037,010273,9
23
2323
⋅
⋅
⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅
% = 8,25 %.
Таким образом, реальный выход ДНА, полученный автором, близок к иде-
альному.
ВЫВОДЫ
Впервые показано практическое совпадение теоретически предсказанного
выхода АШ и его реального количества при оптимальном ведении процесса
синтеза ДНА.
Имеется значительное расхождение теоретического (по кислородному ба-
лансу с учетом числа Авогадро) и реального состава газообразных продуктов
взрыва.
Выход АШ при оптимальном детонационном синтезе составляет 12,0 %,
детонационных наноалмазов – ~ 8,16 %, содержание ДНА в АШ – до 68 %.
http://stmj.org.ua 86
Досліджено співвідношення теоретичного і практичного виходу кон-
денсованого вуглецю в постдетонаційних процесах синтезу наноалмазів. Показано їх
практичний збіг при оптимальному веденні процесу синтезу. Вихід конденсованого вугле-
цю при промисловому синтезі становить 12,0 % (за масою), детонаційних наноалмазів ~
8,16 % (за масою), вміст ДНА в АШ – до 68 % (за масою).
Ключові слова: детонація, кисневий баланс, конденсований вуглець,
детонаційні наноалмази, умови детонаційного синтезу, вихід наноалмазів і конденсовано-
го вуглецю.
A ratio between the predicted and actual yields of condensed carbon in post-
detonation processes of nanodiamond synthesis has been studied. These values are shown to
closely coincide when optimal synthesis conditions are ensured. The yields of condensed carbon
and detonation nanodiamonds in the industrial synthesis are 12.0 wt % and 8.16 wt %, re-
spectively; the DND concentration in DS is up to 68 wt %.
Keywords: detonation, oxygen balance, condensed carbon, detonation
nanodiamond, detonation synthesis conditions, yield of nanodiamond and condensed carbon.
1. Лямкин А. Н., Петров Е. А., Ершов А. П., Сакович Г. В., Ставер А. М., Титов В. М. По-
лучение алмазов из взрывчатых веществ // ДАН СССР. – 1988. – 302. – № 3. – С. 611–
613.
2. Петров Е. А., Сакович Г. В., Брыляков П. М. Условия сохранения алмазов в процессе
детонационного получения // Там же. – 1990. – 313, № 4. – С. 862–863.
3. Долматов В. Ю. О механизме детонационного синтеза наноалмазов // Сверхтв. мате-
риалы. – 2008. – № 4. – С. 25–34.
4. Dolmatov V. Detonation nanodiamonds (Chapter 21) // Carbon Nanomaterials Sourcebook:
Graphene, Fullerenes, Nanotubes and Nanodiamonds / Ed. Klaus D. Sattler. – New York,
USA: CRC Press Taylor & Francis Group, 2016. – Vol. I. – 614 p.
5. Долматов В. Ю. Оценка применимости зарядов взрывчатых веществ для синтеза дето-
национных наноалмазов // Сверхтв. материалы. – 2016. – № 5. – С. 109–113.
6. Долматов В. Ю., Vehanen A., Myllymӓki V. Влияние состава водной бронировки заряда
из сплава тротила с гексогеном на выход и качество детонационного наноалмаза и ал-
мазной шихты при детонационном синтезе // Там же. – 2017. – № 2. – С. 88–92.
7. Nanodiamonds: Advanced Material Analysis, Properties and Applications. – Ed. Jean-Charles
Arnault, Elsevier, 2017. – 476 p.
8. Даниленко В. В. Взрыв: физика, техника, технология. – М.: Энергоатомиздат, 2010. –
784 с.
9. Физика взрыва: В 2 т. Т. 1 / Под ред. Л. П. Орленко. – М.: Физматлит, 2004. – 832 с.
10. Козырев Н. В., Сакович Г. В., Сен Чел Су, Штейн М. С. Исследование процесса синтеза
ультрадисперсных алмазов методом меченых атомов // V Всесоюз. совещание по дето-
нации, Красноярск, 5–12 авг. 1991 г.: Сб. докл. – Красноярск, 1991. – Т. 1. – С. 176–
179.
11. Козырев Н. В., Брыляков П. М., Сакович Г. В., Сен Чел Су, Штейн М. С. Исследование
процесса синтеза ультрадисперсных алмазов методом меченых атомов // ДАН СССР. –
1990. – 314, № 4. – С. 889–891.
12. Долматов В. Ю., Мюллюмаки В., Веханен A. Возможный механизм образования нано-
алмаза при детонационном синтезе // Сверхтв. материалы. – 2013. – № 3. – C. 19–28.
13. Долматов В. Ю., Юрьев Г. С., Мюллюмаки В., Королев К. М. Почему детонационные
наноалмазы маленькие // Сверхтв. материалы. – 2013. – № 2. – С. 21–28.
14. Долматов В. Ю. Детонационные наноалмазы. Получение, свойства, применение. –
СПб.: Профессионал, 2011. – 536 с.
15. Даниленко В. В. Взрыв: физика, техника, технология. – М.: Энергоатомиздат, 2010. –
784 с.
16. Даниленко В. В. Особенности синтеза детонационных наноалмазов // Физика горения и
взрыва. – 2005. – 41, № 5. – С. 104–116.
17. Пат. 2359902 РФ. Алмаз-углеродный материал и способ его получения / В. Ю. Дол-
матов. – Заявл. 30.12.2005; Опубл. 12.07.2007 (аналоги: Pat. 7,862,792 B2 US. Diamond-
carbon material and a method for the production thereof / V. Yu. Dolmatov. – Publ.
04.01.2011; Pat. 11 205 003 807.6 B4 DE. Diamant-Kohlenstoffmaterial und Verfahren zu
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2018, № 4 87
seiner Herstelling / V. Yu. Dolmatov. – Ver. 28.03.2013; Пат. 5572317 Япония. Алмаз-
углеродный материал и способ его получения / В. Ю. Долматов. – Рег. 04.07.2014.)
18. Пат. 2348580 РФ. Наноалмаз и способ его получения / В. Ю. Долматов. – Заявл.
30.12.2005; Опубл. 12.07.2007 (аналоги: Pat. 7,867,467 B2 US. Nanodiamond and a meth-
od for the production thereof / V. Yu. Dolmatov. – Publ. 11.01.2011; Pat. 11 205 003 808.4
B4 DE. Nanodiamant und Verfahren zu seiner Herstelling / V. Yu. Dolmatov. – Ver.
28.03.2013; Пат. 5553991 Япония. Наноалмаз и способ его получения / В. Ю. Долматов. –
Рег. 06.06.2014; Pat. 10-1203835 Republic Korea. Nanodiamond and method of production
of thereof / V. Dolmatov. – Reg. 16.11.2012).
19. Кузьмин И. Г., Лямкин А. И., Ставер А. М. Экспериментальное изучение состава газо-
образных продуктов детонации конденсированного ВВ в различных атмосферах //
Ультрадисперсные материалы. Получение и свойства: Препринт. – Красноярск, КрПИ,
1990. – С. 23–28.
20. Губин С. А., Одинцов В. В., Пепекин В. И. Методы расчета равновесных термодина-
мических параметров и состава продуктов детонации конденсированных веществ:
Препринт. – Черноголовка: ОИФ АН СССР, 1983.
Поступила 20.12.17
|