Tynde eksplosive film giver et øjebliksbillede af, hvordan detonationer starter

Brug af tynde film - ikke mere end et par stykker notebook-papir tykt - af et almindeligt eksplosivt kemikalie, forskere fra Sandia National Laboratories undersøgte, hvordan eksplosioner i lille skala starter og vokser. Sandia er det eneste laboratorium i USA, der kan lave sådanne detonerbare tynde film.

Disse eksperimenter avancerede grundlæggende viden om detonationer. Dataene blev også brugt til at forbedre et Sandia-udviklet computermodelleringsprogram brugt af universiteter, private virksomheder og forsvarsministeriet for at simulere, hvordan storskala detonationer initierer og udbreder sig.

"Det er pænt, vi skubber virkelig grænserne for den skala, hvormed du kan detonere, og hvad du kan gøre med sprængstoffer i forhold til at ændre forskellige egenskaber, " sagde Eric Forrest, ledende forsker på projektet. "Traditionel sprængstofteori siger, at du ikke bør være i stand til at detonere ved disse længdeskalaer, men det har vi været i stand til at demonstrere, faktisk, du kan."

Forrest og resten af ​​forskerholdet, delte deres arbejde med at studere egenskaberne ved disse tynde film og de eksplosioner, de producerer i to nyligt offentliggjorte artikler i ACS anvendte materialer og grænseflader og Drivmidler, Sprængstoffer, Pyroteknik .

For deres studier, holdet brugte PETN, også kendt som pentaerythritol tetranitrat, som er lidt stærkere end TNT, pund for pund. Det bruges almindeligvis af mineindustrien og af militæret.

Typisk, PETN presses til cylindre eller pellets til brug. Forskerholdet brugte i stedet en metode kaldet fysisk dampaflejring - også brugt til at lave andengenerations solpaneler og til at belægge nogle smykker - til at "dyrke" tynde film af PETN.

Sandia er det eneste laboratorium i USA, der har færdigheder og udstyr til at bruge denne teknik til at lave tynde eksplosive film, der kan detonere, sagde Rob Knepper, en Sandia-sprængstofekspert involveret i projektet.

Dyrkning og undersøgelse af tynde eksplosive film

Fra slutningen af ​​2015, holdet dyrkede tynde film af PETN på forskellige typer overflader for at bestemme, hvordan det ville påvirke filmenes egenskaber. De startede med stykker silicium på størrelse med en pinkie-negl og dyrkede film, der var omkring en tiendedel af tykkelsen af ​​et stykke papir, for tynd til at eksplodere. Nogle af siliciumstykkerne var meget rene, nogle var moderat rene, og nogle var lige ud af kassen og havde således et meget tyndt lag snavs - 50, 000 gange tyndere end et ark papir.

På de meget rene siliciumoverflader, PETN-filmene dannede, hvad der så ud til at være glatte plader ved scanning-elektronmikroskopi, havde dog små revner mellem pladerne, lidt som tørret mudder på en tørret søbund. På de snavsede siliciumoverflader, overfladen af ​​PETN-filmene lignede mere jævne bakker.

Ved hjælp af en røntgenbaseret teknik, forskerne fastslog, at dette skyldes, at PETN-molekylerne orienterer sig anderledes på snavsede overflader sammenlignet med meget rene overflader, og dermed vokser filmen anderledes, sagde Forrest.

"Særligt denne undersøgelse har vist, at vi ikke kun kan få nye, men meget nyttige former for traditionelle sprængstoffer, som du aldrig ville være i stand til at opnå via traditionelle midler, "Forrest sagde. "Fin kontrol af filmens egenskaber gør det muligt for os at undersøge teorier for bedre at forstå eksplosiv initiering, hvilket vil give os mulighed for bedre at forudsige pålidelighed, ydeevne og sikkerhed af eksplosive systemer gennem forbedrede modeller."

Knepper, der fungerede som Forrests mentor på projektet, var enige. "At udvikle en måde, hvorpå vi reproducerbart kan kontrollere filmens mikrostruktur, blot gennem overflademanipulation, er vigtigt. Lige nu, vores fokus er på at bruge disse film til at fremme vores forståelse af eksplosive egenskaber i små skalaer, såsom initiering og svigt af sprængstoffer."

Små tests for at forbedre computermodeller

Da de tynde films egenskaber og egenskaber blev bedre forstået, forskerholdet dyrkede tykkere film – denne gang på størrelse med to ark notesbogspapir – på meget rene stykker plastik på størrelse med en lillefinger.

Derefter, med et brag, de detonerede de eksplosive film inde i et specielt designet sikkerhedskabinet kaldet en "boombox, " som blev konstrueret til at forhindre en detonation i at starte, mens kabinettet var åbent og indeholde snavs fra detonationen. Ved hjælp af et ultra-højhastighedskamera, der kan tage op til en milliard billeder i sekundet, de så chokbølgen stige op, mens eksplosionen rasede hen over den tynde film.

I samarbejde med New Mexico Institute of Mining and Technology i Socorro, forskerholdet udviklede et specialiseret setup til at se chokbølgen på trods af røgen og affaldet fra testeksplosionerne ved hjælp af schlieren-billeddannelse, en teknik, der kan registrere forskelle i lufttæthed, der ligner den flimrende over en varm motorvej.

En maskiningeniørstuderende fra New Mexico Tech, Julio Peguero, brugte dataene fra disse eksperimenter til at forfine Sandias computermodelleringsprogram for sprængstoffer. Programmet, kaldet CTH, kan bruges til applikationer, for at bestemme, hvordan man bedst former sprængladninger, mens man borer efter olie, sagde Knepper.

Peguero plottede hastigheden af ​​chokbølgerne over filmene med og uden mellemrum og tilpassede computerprogrammet til bedre at matche deres eksperimentelle resultater på meget tynde film. Holdet konstruerede tynde film med revner i midten af ​​forskellige størrelser - lige fra en tredjedel af et menneskehårs bredde til 1 1/3 af bredden af ​​et hår - for bedre at forstå pålideligheden af ​​tynde film, og hvordan detonationer kan mislykkes. Holdet fandt ud af, at huller på størrelse med et hår kunne forhindre en detonation i at fortsætte.

Forrest var især interesseret i gap-undersøgelserne, fordi den første undersøgelse fandt tynde revner mellem de meget glatte plader i nogle af filmene. Selvom disse revner var langt mindre end selv en tiendedel af et hårs bredde, dataene fra gap-undersøgelsen gav indsigt i, hvordan disse film ville klare sig.

Peguero, som nu er Sandia-medarbejder begyndte at arbejde på projektet i januar 2018, først som studerende og så senere som Sandia-praktikant. "Ud over spændingen ved at lave eksplosivforskning, Jeg fik en forståelse for måleusikkerhed og -risici, " sagde Peguero. "Det er især vigtigt for det nationale sikkerhedsarbejde for at sikre, at vores tillid til vores målinger er velforstået."

Knepper var enig i projektets betydning. Han sagde, "Når du har eksperimentelle data i små skalaer, især dem, der er relevante for grænsen mellem, hvad der kan detonere, og hvad der ikke kan, disse data kan være virkelig nyttige ved kalibrering af computermodeller. Også, At være i stand til at have en god karakterisering af den eksplosive mikrostruktur til at gå ind i modellerne hjælper med at have parametre, der med succes kan forudsige ydeevne over en bredere række af eksplosiv adfærd."