science >> Wetenschap >  >> Fysica

Dunne explosieve films bieden een momentopname van hoe ontploffingen beginnen

Een testontploffing bij Sandia National Laboratories van een dunne explosieve film, ongeveer zo dik als een paar stukjes notitieboekje, met een 3/8 inch hoge Thunderbird-vormige barrière. De "glinsterende" lijnen rechts van de dondervogel zijn de schokgolven van de explosie, gedetecteerd door schlieren beeldvorming, een techniek die verschillen in luchtdichtheid kan detecteren. Krediet:Eric Forrest

Met behulp van dunne films - niet meer dan een paar stukjes notebookpapier dik - van een veelvoorkomende explosieve chemische stof, onderzoekers van Sandia National Laboratories bestudeerden hoe kleinschalige explosies ontstaan ​​en groeien. Sandia is het enige laboratorium in de VS dat zulke detoneerbare dunne films kan maken.

Deze experimenten hebben de fundamentele kennis van ontploffingen verbeterd. De gegevens werden ook gebruikt om een ​​door Sandia ontwikkeld computermodelleringsprogramma dat door universiteiten wordt gebruikt, te verbeteren. particuliere bedrijven en het ministerie van Defensie om te simuleren hoe grootschalige ontploffingen ontstaan ​​en zich verspreiden.

"Het is netjes, we verleggen echt de grenzen op de schaal waarop je kunt ontploffen en wat je kunt doen met explosieven in termen van het veranderen van verschillende eigenschappen, " zei Eric Forrest, de hoofdonderzoeker van het project. "De traditionele explosieventheorie zegt dat je niet mag ontploffen op deze lengteschalen, maar dat hebben we kunnen aantonen, in feite, jij kan."

Forrest en de rest van het onderzoeksteam, deelden hun werk over het bestuderen van de kenmerken van deze dunne films en de explosies die ze produceren in twee recent gepubliceerde artikelen in ACS toegepaste materialen en interfaces en drijfgassen, explosieven, Pyrotechniek .

Voor hun studie, het team gebruikte PETN, ook bekend als pentaerythritoltetranitraat, die een beetje krachtiger is dan TNT, pond voor pond. Het wordt vaak gebruikt door de mijnbouw en door het leger.

Typisch, PETN wordt voor gebruik tot cilinders of pellets geperst. Het onderzoeksteam gebruikte in plaats daarvan een methode die fysieke dampafzetting wordt genoemd - ook gebruikt om zonnepanelen van de tweede generatie te maken en sommige sieraden te coaten - om dunne films van PETN te "groeien".

Sandia is het enige laboratorium in de VS dat de vaardigheden en apparatuur heeft om deze techniek te gebruiken om dunne explosieve films te maken die kunnen ontploffen, zei Rob Knepper, een explosievenexpert van Sandia die bij het project betrokken was.

Dunne explosieve films kweken en bestuderen

Vanaf eind 2015 het team groeide dunne films van PETN op verschillende soorten oppervlakken om te bepalen hoe dat de eigenschappen van de films zou beïnvloeden. Ze begonnen met stukjes silicium ter grootte van een pinknagel en groeiden films die ongeveer een tiende van de dikte van een stuk papier waren, te dun om te ontploffen. Sommige siliconen stukjes waren erg schoon, sommige waren redelijk schoon, en sommige waren direct uit de doos en hadden dus een heel dun laagje vuil - 50, 000 keer dunner dan een vel papier.

Op de zeer schone siliconen oppervlakken, de PETN-films vormden wat leek op gladde platen door scanning-elektronenmicroscopie, maar had kleine scheurtjes tussen de borden, een beetje zoals opgedroogde modder op een opgedroogde bodem. Op de vuile siliconen oppervlakken, het oppervlak van de PETN-films leek meer op vlakke heuvels.

Met behulp van een op röntgenstraling gebaseerde techniek, de onderzoekers stelden vast dat dit komt doordat de PETN-moleculen zich anders oriënteren op vuile oppervlakken dan op zeer schone oppervlakken, en zo groeit de film anders, zei Forrest.

Dunne explosieve films bieden een momentopname van hoe ontploffingen beginnen. Krediet:Sandia National Laboratories

"Deze studie in het bijzonder heeft aangetoond dat we niet alleen nieuwe, maar zeer bruikbare vormen van traditionele explosieven die je met traditionele middelen nooit zou kunnen bereiken, Forrest zei. "Door de filmeigenschappen nauwkeurig te beheersen, kunnen we theorieën onderzoeken om explosieve initiatie beter te begrijpen, waardoor we de betrouwbaarheid beter kunnen voorspellen, prestaties en veiligheid van explosieve systemen door verbeterde modellen."

Knepper, die als mentor van Forrest bij het project fungeerde, Akkoord. "Een manier ontwikkelen waarmee we de microstructuur van de films reproduceerbaar kunnen controleren, alleen door de oppervlaktemanipulatie, is belangrijk. Direct, onze focus ligt op het gebruik van deze films om ons begrip van explosieve eigenschappen op kleine schaal te vergroten, zoals het initiëren en falen van explosieven."

Kleinschalige tests om computermodellen te verbeteren

Toen de kenmerken en eigenschappen van de dunne films beter werden begrepen, het onderzoeksteam liet dikkere films groeien - dit keer ongeveer de dikte van twee vellen notitieboekjepapier - op zeer schone stukjes plastic ter grootte van een pink.

Vervolgens, met een klap, ze brachten de explosieve films tot ontploffing in een speciaal ontworpen veiligheidsomhulling genaamd een "boombox, " die werd ontworpen om te voorkomen dat een ontploffing begon terwijl de behuizing open was en om alle puin van de ontploffing te bevatten. Met behulp van een ultrasnelle camera die tot een miljard frames per seconde kan opnemen, ze keken hoe de schokgolf opsteeg terwijl de explosie over de dunne film raasde.

In samenwerking met het New Mexico Institute of Mining and Technology in Socorro, het onderzoeksteam ontwikkelde een gespecialiseerde opstelling om de schokgolf te zien ondanks de rook en het puin van de testexplosies met behulp van schlieren-beeldvorming, een techniek die verschillen in luchtdichtheid kan detecteren, vergelijkbaar met het glinsteren boven een hete snelweg.

Een masterstudent werktuigbouwkunde van New Mexico Tech, Julio Peguero, gebruikte de gegevens van deze experimenten om Sandia's computermodelleringsprogramma voor explosieven te verfijnen. Het programma, genaamd CTH, kan worden gebruikt voor toepassingen, om te bepalen hoe explosieve ladingen het beste kunnen worden gevormd tijdens het boren naar olie, zei Knepper.

Peguero zette de snelheid van de schokgolven boven de films met en zonder gaten uit en paste het computerprogramma aan om hun experimentele resultaten op zeer dunne films beter af te stemmen. Het team ontwikkelde dunne films met barsten in het midden van verschillende groottes - variërend van een derde van de breedte van een mensenhaar tot 1 1/3 van de breedte van een haar - om de betrouwbaarheid van dunne films beter te begrijpen en hoe ontploffingen kunnen mislukken. Het team ontdekte dat gaten ter grootte van een haar kunnen voorkomen dat een ontploffing doorgaat.

Forrest was vooral geïnteresseerd in de spleetstudies omdat de eerste studie dunne scheurtjes vond tussen de zeer gladde platen van sommige films. Hoewel deze scheuren veel kleiner waren dan zelfs een tiende van een haarbreedte, de gegevens uit de gap-studie gaven inzicht in hoe deze films zouden presteren.

Peguero, die nu een Sandia-medewerker is, begon in januari 2018 aan het project, eerst als student en later als stagiaire bij Sandia. "Naast de opwinding van het doen van explosievenonderzoek, Ik heb waardering gekregen voor meetonzekerheid en risico's, "Zei Peguero. "Dat is vooral belangrijk voor het nationale veiligheidswerk om ervoor te zorgen dat ons vertrouwen in onze metingen goed wordt begrepen."

Knepper was het eens over het belang van het project. Hij zei, "Als je experimentele gegevens op kleine schaal hebt, vooral die die relevant zijn voor de grens tussen wat kan ontploffen en wat niet kan, die gegevens kunnen erg nuttig zijn bij het kalibreren van computermodellen. Ook, in staat zijn om de explosieve microstructuur goed te karakteriseren om in de modellen te gaan, helpt bij het hebben van parameters die met succes de prestaties kunnen voorspellen over een breder scala aan explosief gedrag."