Name: research and development of high-performance explosives
Uploaded: 2016-02-20T15:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 33 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Research and Development of High-performance Explosives at JoVE.com

The authors would like to thank the Future Requirement of Enhanced Energetics for Decisive Munitions (FREEDM) Program for funding, Mike Van De Waal and Gerard Gillen for their assistance in testing, Paula Cook for formulations assistance, and Ralph Acevedo and Brian Travers for pressing of the samples.

CUIDADO! O processamento, manipulação, e teste de explosivos de alta potência (Hazard Divisão Classe 1 materiais) só deve ser realizada por pessoal treinado e qualificado. Explosivos de alta potência são sensíveis ao impacto, fricção, descarga eletrostática, e choque. usar somente instalações de pesquisa e desenvolvimento aprovados que podem lidar com grandes quantidades de Classe materiais 1. 1. ARDEC fibra óptica detonação Teste de Velocidade <ol><li> Corte de fibra óptica ao comprimento usando cortadores de fibra óptica e agrupar em conjuntos de cinco cabos. Baseado em geometrias câmara de teste de site-specific, 15 metro de comprimento são normalmente utilizados. Faixa de material de revestimento do cabo da parte traseira 15 mm sobre uma extremidade do feixe e 5 mm na outra extremidade do feixe. Polir as extremidades cortadas do fibra óptica com P800 lixa para remover quaisquer rebarbas. Nota: devido à natureza destrutiva do presente ensaio, é preferido fibra óptica de plástico. Propriedades de fibra óptica são como se segue; Polimetilmetacrilato Resin(PMMA) material do núcleo (980 um de diâmetro), material de revestimento de polímero fluorado (1000 um de diâmetro), 1,49 índice de refracção do núcleo, 0,5 abertura numérica. </li><li> Meça amostra de teste e Composição A-3 Tipo diâmetros II impulsionador da pelota, comprimentos e massas usando uma pinça de alta precisão e equilíbrio. Nota: Embora o teste típico usa 1,905 centímetros de diâmetro por 2,54 cm de comprimento peletes, o processo de teste pode ser usada com qualquer tamanho de grânulo, desde que o acessório de plástico mantém o cabo de fibra óptica centrado em cada pelete. Para os ensaios, no presente estudo, foram utilizados os peletes 1,905 cm de diâmetro. </li><li> Coloque as bolinhas explosivas, um por um, para a fixação de plástico, expandindo o diâmetro interno do tubo de via erguer o slot aberto. números de pelotização explosivos gravadoras e locais no equipamento. Em seguida, carregar o sedimento de reforço para dentro do tubo a partir do topo do dispositivo. </li><li> Coloque o suporte do detonador acrílico no topo do sedimento de reforço. Nota: RP-502 Exploding Bridgewire Detonadores(EBWs) são tipicamente utilizadas. Outros detonadores pode ser substituído, embora a recalibração do teste seria necessário. </li><li> Inserir as extremidades expostas mais curtos (5 mm) de fibras ópticas para os buracos de dois degraus no suporte de ensaio velocidade de detonação. Nota: Os orifícios de duas etapas garantir que há ar suficiente para ionização mediante passagem da frente de detonação que leva a um sinal forte. Os orifícios para a fixação devem ter um diâmetro de 0,021 polegadas por 0.020 comprimento furo interno contra o explosivo e um orifício de diâmetro de 0,042 polegadas para inserção da fibra óptica. Se são utilizadas fibras de plástico, lixa luz do diâmetro exterior da fibra óptica pode ser necessário, dependendo ambas as tolerâncias de diâmetro de fibra e suporte de ensaio. Assegure-se que a fibra óptica está totalmente inserida (sentado no degrau no furo de dois passos). </li><li> Cola / Epoxy as fibras no lugar. Use 5 min epoxy para este protocolo. </li><li> Quando o epóxi segurando as fibras esteja completamente curado, posicione o acrílicoIC tubo contendo os peletes de explosivos na parte superior da placa de aço testemunha. Garantir a fixação de texto para a placa de aço ou com um peso em cima dela ou fita. Assegure-se que não existe uma folga de ar entre a superfície inferior da última pastilha explosivo e a placa testemunha aço. </li><li> Epóxi 360 ° ao redor do dispositivo de ensaio, aderindo-lo à placa testemunha. Depois do epóxi ter curado completamente, colocar o detonador no suporte de detonador que está no topo do dispositivo de ensaio e fixá-lo no lugar com fita adesiva. </li><li> Transportar o dispositivo de ensaio à câmara de ensaio e inserir as extremidades mais expostos (15 mm) de fibras ópticas para a caixa de fotodíodo soma. Conectar a caixa de fotodíodo soma, ou outro método de aquisição de dados, conforme o caso, a um osciloscópio (1 GHz da largura de banda é mais do que suficiente). </li><li> Conecte uma linha de tiro até o detonador RP-80. Feche todas as portas exigido / ports / etc e conduzir operações de bloqueio da área por teste explosivo da instalação disparo (sprocedimentos operacionais tandard) PON. </li><li> Confirmar as definições de disparo, tensão / divisão, tempo / divisão do osciloscópio. Ligue o gatilho para fora do fireset de alta tensão com um valor limiar de 3,0 V para um canal no osciloscópio. Conectar-se a caixa de fotodiodo soma a um segundo canal no osciloscópio. Defina ambos os canais a 5 V / divisão e a base de tempo para 5 ms / divisão, com uma configuração de atraso de -20 ms. </li><li> Detonar o item via fireset de alta energia. </li><li> Medir os picos correspondentes ao tempo a partir da saída da caixa de fotodíodo somador. O traçado tela do osciloscópio, use tensões de pico para determinar horários específicos, embora primeira elevação pode ser um indicador melhor, dependendo do equipamento utilizado. </li><li> Calcular velocidade de detonação dos cinco pontos de tempo adquiridos do osciloscópio. Uma vez que o espaçamento de cada fibra óptica é conhecido, calcular a velocidade de detonação através da divisão da distância entre cada pino de pelo tempo entre cada pico (diposição / tempo = velocidade). A média e o desvio padrão são ambos relataram. </li><li> Calcula-se a profundidade do dente na placa de aço testemunha pela colocação de um rolamento de aço calibrado no dente para encontrar o nível mínimo, e, em seguida, um medidor de profundidade utilizado para determinar a profundidade. </li></ol> 2. Foto dopplervelocimetria <ol><li> Máquina de uma janela de PMMA dimensionados para o diâmetro da carga explosiva aproximadamente 6,5 milímetros de espessura. Certifique-se de que a janela é opticamente clara e livre de quaisquer defeitos de usinagem. Para alcançar este objetivo levar uma folha opticamente clara de acrílico fundido e usinagem os discos usando um cortador a laser ou processo de usinagem similar. Em seguida, utiliza jactos de água para se obter uma superfície opticamente clara. </li><li> Certifique-se que a espessura da folha de alumínio não exceda 0,005 &quot;per especificações do fabricante. Se a superfície da folha é pura (especular), rolar sobre a superfície com um rolamento de esferas de aço inoxidável polida. A difusas resultados de superfície em bac optimizado em laserk reflexão, mesmo quando o alinhamento é um pouco fora. </li><li> Use uma fita fina, opticamente clara, de base acrílica adesiva para fixar a folha de alumínio para a janela de PMMA. Certifique-se de que não existem bolhas de ar entre o PMMA e do alumínio. </li><li> Meça os explosivos diâmetros amostra de teste de pelotização, comprimentos e massas. Use pinças de alta precisão e equilíbrio. </li><li> Apor as pelotas de amostra de teste explosivo para o outro para formar uma carga contínua, incluindo quaisquer reforços (se necessário). Aplique graxa em cada interface explosiva durante a montagem para minimizar as lacunas de ar nas interfaces de pelotização. </li><li> Mount velocidade de detonação pinos para um dispositivo elétrico acrílico. Estes podem ser quer fibras ópticas ou pinos piezoeléctricos. As localizações dos pinos com respeito à carga deve ser conhecida. </li><li> Apor suporte do pino acrílico velocidade de detonação à carga. Tape é suficiente para manter o suporte do pino de acrílico para a acusação. Tipicamente, os locais de fibra / pino estão mais próximo da parte inferior do ch explosivoarge de tal forma que constante detonação estado pode ser observado. </li><li> Anexar o detonador à carga. Inverta a carga montado e estabilizá-lo nesta orientação para se preparar para a aposição da janela PMMA. Colocar uma pequena quantidade de massa lubrificante na face explosivo para evitar bolhas de ar na interface alumínio / explosiva. </li><li> Apor o lado da folha da janela do PMMA para a carga explosiva. Se a janela e carga são concêntricos, use fita circunferencial. Se não, fita para baixo do eixo da carga explosiva. </li><li> Quando a janela do PMMA está firmemente ligado à carga explosiva, apor titular sonda acrílico PDV para a janela PMMA com fita adesiva. Inserir a sonda PDV no suporte da sonda de PDV. </li><li> Alinhe a sonda PDV no suporte com um medidor de back-reflexão. Este dispositivo emite um feixe de laser de baixa potência e mede a amplitude back-reflexão. Um back-reflexo de -10 dBm a -20 dbm é desejável. Epóxi a sonda PDV no lugar uma vez a reflexão de volta foi determinada a seróptima. </li><li> Coloque o item de ensaio na câmara e anexar ambos os fios de velocidade de detonação (fibra óptica ou piezoelétrico) ea fibra PDV. Conecte uma linha de tiro a um detonador RP-80. portas se fecham todas as necessárias / ports / etc. e conduzir operações área de bloqueio por SOPs teste de queima explosivos da instalação. </li><li> Confirmar as definições de disparo, tensão / divisão, tempo / divisão do osciloscópio. Confirme as configurações do sistema PDV. Observe a laser de sinal e amplitudes de laser de referência e modificar, se necessário. </li><li> Detonar o item via fireset alta energia. Salve vestígios osciloscópio para os dados de PDV e dados de velocidade de detonação. </li><li> Analisar os dados de PDV em programa de análise de dados relevantes. O sinal de PDV cru deve ser processado usando um Fast Fourier Transform pacote de análise de base (FFT). Nota: Ao olhar para o conteúdo deste sinal bruto frequência, e conhecendo a frequência inicial da fonte de luz (1.550 nm), o pacote de análise FFT produz uma velocidade espectrograma que as parcelasa velocidade registada como uma função do tempo. Neste caso, PlotData, uma propriedade Departamento de Energia interface gráfica de utilizador (GUI), Estados Unidos da América, é utilizado em conjunto com o software LabVIEW para levar a cabo a FFT. No entanto, existem muitos pacotes de análise disponíveis no mercado que são capazes de realizar essas tarefas. </li><li> Calcular velocidade de detonação dos cinco pontos de tempo adquiridos do osciloscópio. Uma vez que o espaçamento de cada fibra óptica é conhecido, a velocidade de detonação é calculado dividindo a distância entre cada pino de pelo tempo entre cada pico (a distância / tempo = velocidade). A média eo desvio padrão é relatado. </li></ol>

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	<li>. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Title+10,+Chapter+141,+Section+2389.">Title 10, Chapter 141, Section 2389.</a> United States Code. , (2001).</li><li>Anderson, P. E., Cook, P., Davis, A., Mychajlonka, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Effect+of+Binder+Systems+on+Early+Aluminum+Reaction+in+Detonations.">The Effect of Binder Systems on Early Aluminum Reaction in Detonations.</a> Propellants, Explosives, and Pyrotechnics. 38 (4), 486-494 (2013).</li><li>Trzcinski, W. A., Cudzilo, S., Paszula, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Studies+of+Free+Field+and+Confined+Explosions+of+Aluminum+Enriched+RDX+Compositions.">Studies of Free Field and Confined Explosions of Aluminum Enriched RDX Compositions.</a> Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 32 (6), 502-508 (2007).</li><li>Volk, F., Schedlbauer, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Products+of+Al+Containing+Explosives+Detonated+in+Argon+and+Underwater.">Products of Al Containing Explosives Detonated in Argon and Underwater.</a> , (1995).</li><li>United Nations. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Recommendations on the Transport of Dangerous Goods—Tests and Criteria, revisions adopted by reference (A.1), ST/SG/AC.10/11. , (2013).</li><li>Cooper, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Explosives Engineering. , (1996).</li><li>Chapman, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+rate+of+explosion+in+gases.">On the rate of explosion in gases.</a> Philosophical Magazine Series 5. 47 (284), 90-104 (1899).</li><li>OT, S. t. r. a. n. d., Goosman, D. R., Martinez, C., Whitworth, T. L., Kuhlow, W. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Compact+system+for+high-speed+velocimetry+using+heterodyne+techniques.">Compact system for high-speed velocimetry using heterodyne techniques.</a> Review of Scientific Instruments. 77 (8), (2006).</li><li>Manner, V. W., Pemberton, S. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+Aluminum+in+the+Detonation+and+Post-detonation+expansion+of+Selected+Cast+HMX-Based+Explosives.">The role of Aluminum in the Detonation and Post-detonation expansion of Selected Cast HMX-Based Explosives.</a> Propellants, Explosives, and Pyrotechnics. 37 (2), 198-206 (2012).</li><li>Baker, E. L., Stiel, L., Balas, W., Capellos, C., Pincay, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+Effects+Aluminized+Explosives.">Combined Effects Aluminized Explosives.</a> , (2008).</li><li>Stiel, L. I., Baker, E. L., Capellos, C., Furnish, M. D., Elert, M., Russell, T. P., White, C. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+Detonation+and+Cylinder+Velocities+for+Aluminized+Explosives.">Study of Detonation and Cylinder Velocities for Aluminized Explosives.</a> Shock Compression of Condensed Matter - 2005. AIP Conference Proceedings. 845, 475-478 (2006).</li></ol>

DISTRIBUIÇÃO A: Aprovado para publicação; distribuição é ilimitada. Os autores não têm nada a revelar.

Observe as diferenças de pressão calculada entre as duas formulações explosivos. As exposições explosivas aluminizado menos pressão, parcialmente devido à menor nitramine (HMX) de carga, mas também porque o alumínio reage com o oxigénio nos gases de detonação em expansão, o que resulta em um dente mais pequeno a partir de uma pressão de detonação inferior. O PBXN-5 exerce uma pressão de detonação superior devido ao seu elevado teor de gás em cima de detonação em comparação com PAX-30 (36,2 moles / kg para PBXN-5 contra 33,1 moles / kg para PAX-30). Mais avançada equações de estado (EOS) derivadas a partir de medições de velocidade de parede são utilizados para descrever as condições de os produtos explosivos a tais temperaturas e pressões extremas. 10,11 Este será o tema de futuras manuscritos. Foi aparente que quando a reacção inicial de um metal em um explosivo ocorre, a velocidade de detonação detectada é menor do que se o metal não reage. Isso é um pouco contra-intuitivo; umseria de esperar que a velocidade a aumentar se mais depósitos de energia para a frente de detonação em expansão devido à reacção exotérmica de alumínio. A diminuição da velocidade de detonação surge a partir de soluções para as Hugoniots pressão densidade. O volume específico (densidade inversa) -pressão isentrope indica alterações em produtos como a detonação de expansão (da esquerda para a direita na Figura 9). 6 A isentrope expansão assinala os produtos de detonação que pode termodinamicamente formação e expansão ao longo da curva de pressão-volume específico . Durante o curso de expansão, se o alumínio reage para formar as espécies oxidadas, que resulta numa diminuição global da densidade de gás e leva a uma velocidade inferior. Isto manifesta-se em um isentrope expansão abaixo da solução para o alumínio não-reactivo (Figura 9). Uma vez que a velocidade de detonação é tangente a linha que intersecta a isentrope a partir da densidade de partida no eixo dos x, resulta a detonação velocity deve diminuir quando o alumínio na formulação reage. Em resumo, o Departamento de Defesa dos Estados Unidos continua a prosseguir activamente a pesquisa aplicada e caracterização de novos materiais energéticos com ambas as tecnologias tradicionais e inovadoras. No caso de PDV, é uma ferramenta valiosa que caracteriza explosivos com extrema precisão e fornece os pesquisadores com informações valiosas sobre a eficácia explosivo. Este ciclo de teste rápido diminui muito o custo eo tempo necessário para a verificação de otimização de formulação e exigências.

An erratum was issued for <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/video/52950/research-and-development-of-high-performance-explosives">Research and Development of High-performance Explosives</a>. The abstract, introduction, protocol, representative results, and acknowledgments sections were updated.
The Abstract was updated from:
Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance tests to verify theoretical calculations. small-scale For newly developed formulations, the process begins with small-scale mixes, thermal testing, and impact and friction sensitivity. Only then do subsequent larger scale formulations proceed to detonation testing, which will be covered in this paper. Recent advances in characterization techniques have led to unparalleled precision in the characterization of early-time evolution of detonations. The new technique of photo-Doppler velocimetry (PDV) for the measurement of detonation pressure and velocity will be shared and compared with traditional fiber-optic detonation velocity and plate-dent calculation of detonation pressure. In particular, the role of aluminum in explosive formulations will be discussed. Recent developments led to the development of explosive formulations that result in reaction of aluminum very early in the detonation product expansion. This enhanced reaction leads to changes in the detonation velocity and pressure due to reaction of the aluminum with oxygen in the expanding gas products.
to:
Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance tests to verify theoretical calculations. For newly developed formulations, the process begins with small-scale mixes, thermal testing, and impact and friction sensitivity. Only then do subsequent larger scale formulations proceed to detonation testing, which will be covered in this paper. Recent advances in characterization techniques have led to unparalleled precision in the characterization of early-time evolution of detonations. The new technique of Photonic Doppler Velocimetry (PDV) for the measurement of detonation pressure will be shared and compared with traditional fiber-optic detonation velocity and plate-dent calculation of detonation pressure. In particular, the role of aluminum in explosive formulations will be discussed. Recent developments led to the development of explosive formulations that result in reaction of aluminum very early in the detonation product expansion. This enhanced reaction leads to changes in the detonation velocity and pressure due to reaction of the aluminum with oxygen in the expanding gas products.
The Introduction's second to last paragraph was updated from:
In order to calculate the CJ pressure of a new explosive, a PDV system can be used to measure the particle velocity between the explosive and a polymethyl methacrylate (PMMA) window. A very thin foil, usually aluminum or copper, is placed at this interface to act as a reflective surface. In these studies, copper was used. This foil should be thin enough to prevent significant shock wave attenuation while being thick enough to prevent detonation light from passing through. Typically, a foil thickness of 1,000 angstroms is ideal for most experimental setups. Given the particle velocity in the PMMA and the detonation velocity of the explosive, the detonation pressure can be calculated with Hugoniot shock matching equations.6
to:
In order to calculate the CJ pressure of a new explosive, a PDV system can be used to measure the particle velocity between the explosive and a polymethyl methacrylate (PMMA) window. A very thin foil, usually aluminum or copper, is placed at this interface to act as a reflective surface. This foil should be thin enough to prevent significant shock wave attenuation while being thick enough to prevent detonation light from passing through. Typically, a foil thickness of 1,000 angstroms is ideal for most experimental setups. Given the particle velocity in the PMMA and the detonation velocity of the explosive, the detonation pressure can be calculated with Hugoniot shock matching equations.6
Step 2.1 in the Protocol was updated from:
Machine a PMMA window sized to the diameter of the explosive charge approximately 6.5mm thick. Ensure that the window is optically clear and free of any machining defects. To accomplish this take an optically clear sheet of cast acrylic and machining out the disks using a laser cutter or similar machining process. Then, utilize water jets to obtain an optically clear surface.
to:
Machine a PMMA window sized to the diameter of the explosive charge approximately 6.5mm thick. Ensure that the window is optically clear and free of any machining defects. To accomplish this take an optically clear sheet of cast acrylic and machining out the disks using a laser cutter or similar machining process. Then, polish the PMMA to obtain an optically clear surface.
In the Representative Results Figure 3&#39;s capation was updated from:
Figure 3. PDV setup (close view). The PDV setup at the base where the flyer plate is located.
to:
Figure 3. PDV setup (close view). The PDV setup at the base.
In the Representative Results, the paragraph between table 1 and figure 7 has been updated from:
The output from the PDV trace of the flyer plate from the bottom of the explosive charge of Figures 2-3 is shown in Figure 7. The oscillations arise from the ringing in the plate from the rapid acceleration to nearly 4-5 km/sec. The CJ pressure is calculated from modeling the product gas Hugoniot with Cooper&#8217;s approximation,6 and then extrapolating the CJ point once the aluminum-explosive Hugoniot is matched. A typical screen print from such a calculation is shown in Figure 8. The technique still has some limitations since the calculations assume a linear acceleration extrapolation from the beginning of the flyer velocity. This results in slightly underestimating the pressure, as evidenced by the results (Table 1). Work is ongoing to develop new equations to fit the early acceleration of the flyer plate.
to:
The output of the PDV trace from the bottom of the explosive charge of Figures 2-3 is shown in Figure 7. The CJ pressure is calculated from modeling the product gas Hugoniot with Cooper&#8217;s approximation,6 and then extrapolating the CJ point once the PMMA-explosive Hugoniot is matched. A typical screen print from such a calculation is shown in Figure 8. The technique still has some limitations since the calculations assume a linear extrapolation from the beginning of the window velocity trace. This results in slightly underestimating the pressure, as evidenced by the results (Table 1).
In the Representative Results Figure 7 and its caption were updated from:
<img alt="Figure 7" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig7old.jpg" />
Figure 7. Plate velocity as a function of time for the measurement of CJ pressure in the PBXN-5 explosive. Note the excellent agreement between two different shots, where the traces practically fall on one another.
to:
<img alt="Figure 7" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig7new.jpg" />
Figure 7. Window velocity as a function of time for the measurement of CJ pressure. Note the excellent agreement between the different shots, where the traces practically fall on one another.
Also in the Representative Results, Figure 8 had its caption update from:
Figure 8. Calculation of the CJ pressure from the copper flyer plate data on the PDV experiment. Note that the extrapolation assumes a linear acceleration in the initial push of the flyer plate which currently leads to an underestimation of the CJ pressure.
to:
Figure 8. Calculation of the CJ pressure from the PDV experiment. Note that the extrapolation assumes a linear acceleration in the initial push of the window which currently leads to an underestimation of the CJ pressure.
The Acknowledgments section was updated from:
The authors would like to thank the Future Requirement of Enhanced Energetics for Decisive Munitions (FREEDM) Program for funding, Mike VanDeWal and Gerard Gillen for their assistance in testing, Paula Cook for formulations assistance, and Ralph Acevedo and Brian Travers for pressing of the samples.
to:
The authors would like to thank the Future Requirement of Enhanced Energetics for Decisive Munitions (FREEDM) Program for funding, Mike Van De Waal and Gerard Gillen for their assistance in testing, Paula Cook for formulations assistance, and Ralph Acevedo and Brian Travers for pressing of the samples.

Several corrections were made to: Research and Development of High-performance Explosives

Erratum: Research and Development of High-performance Explosives

Desenvolvimento de altos explosivos para uso militar envolve considerações de segurança extensas e limitações de recursos, devido às exigências da instalação de ensaio. No Armament Research Exército dos EUA e Desenvolvimento e Comando de Engenharia (ARDEC), Picatinny Arsenal, explosivos são avaliados a partir do nível de pesquisa através da monitorização do ciclo de vida completo e desmilitarização. Novos explosivos que são mais seguros para o manuseio, armazenamento e carregamento são continuamente avaliados em um esforço para fornecer munições eficazes e seguros para o combatente. recente lei determina que, sempre que possível, munições Insensitive (IM) diretrizes e requisitos são seguidos. Portanto, sempre que novos explosivos são sintetizados e formulado, testes de desempenho é fundamental para garantir que atendam as necessidades dos utilizadores. Neste contexto, a medição das propriedades de detonação PAX-30 recentemente desenvolvido é comparado com o PBXN-5, um explosivo de alta performance tradicional. Em particular, a medição do seu velo de detonaçãocidade e detonação de pressão, que são importantes para a verificação de modelos teóricos e cálculos de desempenho, é compartilhado. A PAX-30 foi desenvolvido para substituir explosivos legados, como PBXN-5 usando alumínio reativo. Alumínio possui uma entalpia elevada de oxidação como o alumínio, numa base molar por: 2Al + 3/2 O2 -&gt; Al 2 O 3 (1,670 kJ / mol) Ao adicionar alumínio em lugar dos ingredientes explosivos sensíveis choque, a formulação torna-se mais segura a insultos de choque e de perigo externos. Isso ajuda a efetivamente cumprir Insensitive Munition (IM) requisitos Nações Unidas e, ao mesmo tempo mantendo o desempenho necessário para aplicações militares 2,3.4. As instalações para testar tais itens são únicos e altamente especializado. Alguns testes iniciais são realizados para rastrear explosivos antes de manusear em grandes quantidades. Ttestes stas incluem caracterização térmica com calorimetria exploratória diferencial (DSC) e ensaios de choque e de fricção. Para os ensaios de DSC, uma pequena amostra de teste é aquecida a uma taxa constante, numa atmosfera inerte, e a quantidade e direcção do fluxo de calor é monitorizado. Para os testes de impacto e de fricção, a amostra é submetido a insultos de um peso caindo padronizado (Bundesanstalt fur Materialprüfung ou BAM Impact), e para o teste de atrito de um pino de cerâmica padronizado e placa (Bundesanstalt fur Materialprüfung, ou Friction BAM). 5 Uma vez que as formulações são considerados seguros para o manuseio, ainda scale-up é realizado por tecnologias de mistura de propriedade. Em suma, explosivos de alta potência se dividem em três categorias: Derreter-fundido, em que o ligante é um material em fase fundida tal como uma cera, trinitrotolueno (TNT), dintroanisole (DNAN), ou outro material fundível. sólidos energéticas ou de combustível pode ser incorporado com uma análise cuidadosa do partamanho tigo e compatibilidade. Cast-cura, em que o ligante é um polímero fundível, tais como polibutadieno com terminação hidroxilo (HTPB), poliacrilato, ou qualquer outro tipo epóxi de plástico que é líquido no seu estado não reagido, mas após o início solidifica a um sólido. Os sólidos são incorporados na matriz durante o seu estado líquido. Pressionada, em que a carga de sólidos é muito elevada, muitas vezes aproximando-se cerca de 95% em peso, com um agente ligante que é adicionado para revestir os sólidos utilizando um processo de extrusão ou laca. Uma vez pressionado ou fundido, os materiais são maquinados utilizando metodologias padrão para se obter a geometria adequada para um teste desejado. Neste trabalho, PAX-30 e PBXN-5 são de alto desempenho pressionado explosivos. As formulações são feitas através de um processo de suspensão de revestimento, em que os cristais nitramine energéticos (HMX, RDX, ou Cl-20) e de alumínio partículas são suspensas numa solução aquosa. A laca com o ligante i proprietárias, em seguida, adicionado. Após a adição de verniz, as camadas de polímero se os cristais explosivas, a suspensão é aquecida sob vácuo para eliminar o solvente, e as partículas são, então, filtrou-se e secou-se. As partículas granulares semelhantes são então pressionado para a configuração desejada. velocidade de detonação A fim de determinar a velocidade de detonação, deve-se controlar a chegada da frente de detonação no material. Um detonação é definida como um aumento instantâneo auto-sustentação de pressão e de temperatura que é mais rápido do que a velocidade do som no material. Ele torna-se auto-sustentável quando a temperatura e a pressão são suficientes para proporcionar reacções exotérmicas atrás da frente da reacção de propagação. Tal comportamento é realizada através da incorporação de unidades de oxidação tal como grupos nitratos em certos materiais de formação. Dois exemplos conhecidos como RDX (ciclo-1,3,5-trimetileno-2,4,6-trinitramina) e HMX (cyclotetramethylenetetranitramine) são mostrados in Figura 1, que em grande parte são os materiais energéticos mais utilizado no DoD dos EUA (Departamento de Defesa). Nota o balanço de oxigénio das moléculas, o que resulta na reacção exotérmica auto-propagação para trás da frente de choque. <img alt="figura 1" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig1.jpg" /> Figura 1. RDX (ciclo-1,3,5-tri-2,4,6-trinitramina, à esquerda) e HMX (cyclotetramethylenetetranitramine, à direita). <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52950/52950fig1large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> Uma forma de determinar a velocidade da frente de detonação é para controlar a sua posição como uma função do tempo. velocidade de detonação (FODV) teste de fibra óptica é realizada para determinar a velocidade de detonação de um material explosivo. Uma luminária de acrílico foi projetado para manter a amostra explosivo, e localize o ópticofibras a distâncias conhecidas para baixo o comprimento de carga. O teste padrão usa a 5 polegadas de comprimento por diâmetro amostra explosiva de 0,75 polegadas com cinco fibras ópticas totais; a fibra parte inferior localiza-se 0,50 polegadas a partir do fundo da carga e fibra de cada sucessiva está localizado um polegadas acima do próximo. Os furos no suporte de acrílico são dois-escalonados buracos. O furo de maior diâmetro está dimensionada para se ajustar o núcleo e o revestimento da fibra óptica e o furo de menor diâmetro serve como um espaço de ar confinado. À medida que a detonação progride através da amostra de explosivo, a onda de choque produzida excita o espaço de ar confinado a produção de um curto flash, brilhante que pode ser observado com as fibras ópticas. As fibras ópticas usadas para este ensaio possui um núcleo de plástico barato. Devido à natureza destrutiva do teste e a consistência do choque de ar, fibras de maior qualidade não foram encontrados para ser necessário para manter dados de velocidade de alta qualidade. A instalação de ensaio em Picatinny Arsenalutiliza fotodiodos somados para traduzir a luz da detonação em tensão. A amplitude do pico de tensão não é importante para os propósitos deste teste. Um osciloscópio de 1 GHz é conectado à caixa soma dos fotodiodo, apesar de que a taxa de amostragem é muito além do que é necessário para este teste. As fibras ópticas &quot;picos&quot; pode ser determinada por qualquer um primeiro aumento dos valores de sinal ou de pico. Tendo em conta a distância entre as fibras ópticas e a diferença de tempo entre a chegada de detonação, é então determinada velocidade de detonação. Pressão de detonação pressão de detonação é estimada pela medição da profundidade dente em uma resultante placa de aço padrão de detonação do explosivo. Dent profundidades estão bem correlacionados com os valores de pressão conhecidas para uma variedade de compostos explosivos. Normalmente, uma vez que a maioria dos explosivos satisfazer a condição Chapman-Jouguet (CJ) para uma detonação a ocorrer, a pressão de detonação é tipicamente referidocomo a pressão CJ, e será a partir deste ponto para a frente neste artigo. A montagem de carga é colocada no topo de uma chapa de aço, uma chamada &quot;placa testemunha&quot;, e os resultados detonação num dente na placa. A profundidade do dente com o padrão de carga diâmetro de 0,75 polegadas por numerosos materiais explosivos com pressões de detonação conhecidos é então comparado com a profundidade de teste Dent. pressão de detonação pela dent placa é um método confiável, com muitos anos de dados documentados para correlações aceitáveis. No entanto, uma detonação é, uma reacção química rápida dinâmico, e nos últimos anos tornou-se desejável utilizar ferramentas com maior resolução para observar a história pressão-tempo. Para medir diretamente a pressão de detonação de um explosivo, Photonic dopplervelocimetria (PDV) também pode ser usado. Este sistema de interferômetro laser foi desenvolvido pelo Laboratório Nacional Lawrence Livermore e utiliza uma fonte de laser nm 1,550 CW. Ao dirigir o laser em um um alvo em movimentod recolher a luz, a frequência de batimento resultante desvio Doppler pode ser analisado para proporcionar um traçado da velocidade do alvo. Ao contrário das técnicas fotográficas tradicionais de alta velocidade, estes vestígios de velocidade proporcionam um registo contínuo da velocidade do alvo, como uma função do tempo. Esta técnica de medição ganhou atenção significativa nos últimos anos e está se tornando onipresente no DoD e Departamento de Energia (DoE) laboratórios de caracterização de explosivos. De modo a calcular a pressão de um novo CJ explosivo, um sistema PDV pode ser utilizado para medir a velocidade das partículas entre o explosivo e uma janela de polimetil metacrilato (PMMA). Uma folha muito fina, geralmente de alumínio ou cobre, é colocado nesta interface para actuar como uma superfície reflectora. Nestes estudos, foi utilizado o cobre. Esta folha deve ser fina o suficiente para evitar a atenuação da onda de choque significativa ao ser grossa o suficiente para evitar a luz detonante de passagem. Normalmente, uma espessura da folhade 1.000 angstroms é ideal para configurações mais experimentais. Dada a velocidade das partículas de PMMA e a velocidade de detonação do explosivo, a pressão de detonação pode ser calculado com as equações correspondentes choque Hugoniot. 6 Enquanto o teste FODV em 0.75 &quot;de diâmetro taxa é um padrão estabelecido pelo ARDEC, os testes baseados em PDV estão a sofrer continuamente requinte. Dependendo da formulação explosiva, quer um ou ambos os ensaios podem ser utilizados para caracterizar a velocidade de detonação e pressão de detonação.

<table><tbody><tr><td>cylcotetramethylenetetranitramine</td><td>BAE</td><td>Class 5</td><td>1.1D, High Explosive</td></tr><tr><td>Aluminum</td><td>Valimet</td><td>Proprietary</td><td></td></tr><tr><td>Viton</td><td>3M</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Grease</td><td>Dow Corning</td><td>Sylgard 182</td><td>Gap sealer</td></tr></tbody></table>

research and development of high-performance explosives

testes de desenvolvimento de explosivos de alta potência para aplicações militares envolve a formulação de pequena escala, testes de segurança, e, finalmente, os testes de desempenho de detonação para verificar cálculos teóricos. em pequena escala Para formulações recentemente desenvolvidos, o processo inicia-se com misturas de pequena escala, um teste térmico e impacto e sensibilidade atrito. Só então formulações posteriores de maior escala proceder a testes de detonação, que será abordado neste trabalho. Recentes avanços em técnicas de caracterização levaram a precisão sem paralelo na caracterização da evolução em tempo precoce de detonações. A nova técnica de velocimetria foto-Doppler (PDV) para a medição da pressão e da velocidade de detonação será partilhada e comparada com a velocidade de detonação de fibra óptica e a placa-Dent cálculo tradicional de pressão de detonação. Em particular, será discutido o papel de alumínio em formulações explosivas. Desenvolvimentos recentes levou ao desenvolvimento de f explosivoormulations que resultam na reacção de alumínio muito cedo na expansão do produto de detonação. Esta reacção aumentada leva a alterações na velocidade de detonação e devido à pressão da reacção do alumínio com o oxigénio nos produtos de gás em expansão.

Uma configuração típica para VPD é mostrado nas Figuras 2 e 3, enquanto que a configuração FODV é mostrado na Figura 4. Após a detonação, os resultantes placas dente de tiros FODV tradicionais são mostrados na Figura 5, com os resultados posição / tempo de PAX-30 e PBXN-5 na Figura 6. Ambos os materiais possuem velocidades de detonação semelhantes (a inclinação da linha), com PAX-30 ~ 0.4 ms / mm mais lento. Embora possa não parece haver uma diferença significativa, isto é, de facto, tendo em conta o facto de que PAX-30 possui cerca de 20% menos de peso de enchimento explosivo. velocidade de detonação não é o teste conclusivo para quantificar a reação de alumínio no ou imediatamente após a detonação frente, mas pode dar uma avaliação preliminar da reação de alumínio. <img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig2.jpg" /> Figura 2.<html> A configuração típica PDV. As pelotas explosivos ou varas fundidas são empilhados. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52950/52950fig2large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig3.jpg" /> Figura 3. Configuração PDV (vista próxima). A configuração PDV na base onde a placa insecto está localizado. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52950/52950fig3large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 4" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig4.jpg" /> Figura 4. FODV configuração. A vara é epoxied na placa testemunha de aço para assegurar um contato sólido e postura ereta durante a instalação. O detonador e de reforço são colocados no topo da vara.<html> = &quot;Https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52950/52950fig4large.jpg&quot; target = &quot;_ blank&quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <img alt="Figura 5" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig5.jpg" /> Figura 5. Dent de teste FODV. O dente é medida com um medidor de profundidade calibrado ou um profilometer. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52950/52950fig5large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a> <img alt="Figura 6" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig6.jpg" /> Figura 6. Cálculos da taxa de detonação. Cada ponto de dados é a partir dos pinos de fibra óptica na configuração FODV. PAX-30 R 2 = 0,999717, RMSE (raiz quadrada média do erro) = 0,519693; PBXN-5 R 2 = 0,998778, RMSE = 1,342272.om / files / ftp_upload / 52950 / 52950fig6large.jpg &quot;target =&quot; _ blank &quot;&gt; Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. <table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0"><tbody><tr><td> Explosivo </td><td> n </td><td> Detonação Velocidade (mm / ms) </td><td> Pressão CJ (GPa, placa dent) </td><td> Pressão CJ (GPa, PDV) </td></tr><tr><td> PBXN-5 </td><td> 3 </td><td> 8,83 ± 0,12 </td><td> 37,9 ± 1,4 </td><td> 34,7 ± 0,0 </td></tr><tr><td> PAX-30 </td><td> 3 </td><td> 8,48 ± 0,04 </td><td> 32,3 ± 1,3 </td><td> 30,5 ± 0,3 </td></tr></tbody></table> Tabela 1. Os dados de desempenho a partir de experimentos. N é o número total de testes, cada um com 5 pinos de fibra óptica. A pressão PDV CJ consiste em apenas um teste. o<html> saída do traço PDV da placa de insecto a partir do fundo da carga explosiva das Figuras 2-3 é mostrado na Figura 7. As oscilações surgem a partir do tocar na placa a partir da aceleração rápida para cerca de 4-5 km / s. A pressão CJ é calculado a partir modelar o Hugoniot gás produto com aproximação de Cooper, 6 e depois extrapolando o ponto CJ uma vez que o Hugoniot alumínio explosivo é correspondida. Uma tela de impressão típico de um tal cálculo é mostrado na Figura 8. A técnica tem ainda algumas limitações uma vez que os cálculos assumem uma extrapolação aceleração linear desde o início da velocidade de insecto. Isto resulta em subestimar ligeiramente a pressão, como evidenciado pelos resultados (Tabela 1). Estão em curso trabalhos para desenvolver novas equações para se adequar a aceleração inicial da placa flyer. carregar / 52950 / 52950fig7.jpg &quot;/&gt; Figura velocidade 7. Placa como uma função do tempo para a medição da pressão CJ na PBXN-5 explosivo. Observe a excelente concordância entre dois tiros diferentes, onde os traços praticamente caem uns sobre os outros. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52950/52950fig7large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior esta figura.</a> <img alt="Figura 8" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig8.jpg" /> Figura 8. O cálculo da pressão CJ a partir dos dados da placa de cobre panfleto sobre o experimento PDV. Note-se que a extrapolação pressupõe uma aceleração linear no impulso inicial da placa de insecto que atualmente conduz a uma subestimação da pressão CJ. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52950/52950fig8large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. &lt;</a>/ A&gt; <img alt="Figura 9" src="/files/ftp_upload/52950/52950fig9.jpg" /> Figura 9. Representação dos isentropes de expansão para Aluminum reagiu e não reagido nos produtos de detonação. As linhas retas azuis são as soluções tangentes que são proporcionais à velocidade de detonação. Note-se a solução de produtos de Al reagiu forçar a velocidade de detonação a ser menor do que a solução Al que não reagiu. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/52950/52950fig9large.jpg" target="_blank">Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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Research and Development of High-performance Explosives

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance tests to verify theoretical calculations. This paper will share typical development tests associated with the measurement of detonation velocity and detonation pressure.

Pesquisa e Desenvolvimento de explosivos de alto desempenho

Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance ...

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Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

17.5K visualizações.  US Army ARDEC, Picatinny Arsenal. Developmental testing of high explosives for military applications involves small-scale formulation, safety testing, and finally detonation performance tests to verify theoretical calculations. This paper will share typical development tests associated with the measurement of detonation velocity and detonation pressure.

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Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary interiors, design materials with novel properties, understand the mechanical behavior of materials exposed to very high stresses as in explosions or impacts. Synthesis and structural analysis of materials at extreme conditions of pressure and temperature entails remarkable technical challenges. In the laser heated diamond anvil cell (LH-DAC), very high pressure is generated between the tips of two opposing diamond anvils forced against each other; focused infrared laser beams, shined through the diamonds, allow to reach very high temperatures on samples absorbing the laser radiation. When the LH-DAC is installed in a synchrotron beamline that provides extremely brilliant x-ray radiation, the structure of materials under extreme conditions can be probed in situ. LH-DAC samples, although very small, can show highly variable grain size, phase and chemical composition. In order to obtain the high resolution structural analysis and the most comprehensive characterization of a sample, we collect diffraction data in 2D grids and combine powder, single crystal and multigrain diffraction techniques. Representative results obtained in the synthesis of a new iron oxide, Fe4O5 1 will be shown.

The laser heated diamond anvil cell combined with synchrotron micro-diffraction techniques allows researchers to explore the nature and properties of new phases of matter at extreme pressure and temperature (PT) conditions. Heterogeneous samples can be characterized in situ under high pressure by 2D mapping and combined powder, single-crystal and multigrain diffraction approaches.

Síntese e microdiffraction a pressões e temperaturas extremas

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

Engenharia

Quantitative Detection of Trace Explosive Vapors by Programmed Temperature Desorption Gas Chromatography-Electron Capture Detector

The direct liquid deposition of solution standards onto sorbent-filled thermal desorption tubes is used for the quantitative analysis of trace explosive vapor samples. The direct liquid deposition method yields a higher fidelity between the analysis of vapor samples and the analysis of solution standards than using separate injection methods for vapors and solutions, i.e., samples collected on vapor collection tubes and standards prepared in solution vials. Additionally, the method can account for instrumentation losses, which makes it ideal for minimizing variability and quantitative trace chemical detection. Gas chromatography with an electron capture detector is an instrumentation configuration sensitive to nitro-energetics, such as TNT and RDX, due to their relatively high electron affinity. However, vapor quantitation of these compounds is difficult without viable vapor standards. Thus, we eliminate the requirement for vapor standards by combining the sensitivity of the instrumentation with a direct liquid deposition protocol to analyze trace explosive vapor samples.

Trace explosive vapors of TNT and RDX collected on sorbent-filled thermal desorption tubes were analyzed using a programmed temperature desorption system coupled to GC with an electron capture detector. The instrumental analysis is combined with direct liquid deposition method to reduce sample variability and account for instrumentation drift and losses.

Detecção quantitativa de rastreamento vapores explosivos por temperatura programada Desorption Gas Chromatography-Electron Captura Detector

The direct liquid deposition of solution standards onto sorbent-filled thermal desorption tubes is used for the quantitative analysis of trace explosive ...

Química

A Method for Studying the Temperature Dependence of Dynamic Fracture and Fragmentation

The dynamic fracture of a body is a late-stage phenomenon typically studied under simplified conditions, in which a sample is deformed under uniform stress and strain rate. This can be produced by evenly loading the inner surface of a cylinder. Due to the axial symmetry, as the cylinder expands the wall is placed into a tensile hoop stress that is uniform around the circumference. While there are various techniques to generate this expansion such as explosives, electromagnetic drive, and existing gas gun techniques they are all limited in the fact that the sample cylinder must be at room temperature. We present a new method using a gas gun that facilitates experiments on cylinders from 150 K to 800 K with a consistent, repeatable loading. These highly diagnosed experiments are used to examine the effect of temperature on the fracture mechanisms responsible for failure, and their resulting influence on fragmentation statistics. The experimental geometry employs a steel ogive located inside the target cylinder, with the tip located about halfway in. A single stage light gas gun is then used to launch a polycarbonate projectile into the cylinder at 1,000 m/sec-1. The projectile impacts and flows around the rigid ogive, driving the sample cylinder from the inside. The use of a non-deforming ogive insert allows us to install temperature control hardware inside the rear of the cylinder. Liquid nitrogen (LN2) is used for cooling and a resistive high current load for heating. Multiple channels of upshifted photon Doppler velocimetry (PDV) track the expansion velocity along the cylinder enabling direct comparison to computer simulations, while High speed imaging is used to measure the strain to failure. The recovered cylinder fragments are also subject to optical and electron microscopy to ascertain the failure mechanism.

Fracture and fragmentation are late stage phenomena in dynamic loading scenarios and are typically studied using explosives. We present a technique for driving expansion using a gas gun which uniquely enables control of both loading rate and sample temperature.

Um Método de Estudar a dependência da temperatura da fratura dinâmica e fragmentação

The dynamic fracture of a body is a late-stage phenomenon typically studied under simplified conditions, in which a sample is deformed under uniform ...

Preparation and Reactivity of Gasless Nanostructured Energetic Materials

High-Energy Ball Milling (HEBM) is a ball milling process where a powder mixture placed in the ball mill is subjected to high-energy collisions from the balls. Among other applications, it is a versatile technique that allows for effective preparation of gasless reactive nanostructured materials with high energy density per volume (Ni+Al, Ta+C, Ti+C). The structural transformations of reactive media, which take place during HEBM, define the reaction mechanism in the produced energetic&#160;composites. Varying the processing conditions permits fine tuning of the milling-induced microstructures of the fabricated composite particles. In turn, the reactivity, i.e., self-ignition temperature, ignition delay time, as well as reaction kinetics, of high energy density materials depends on its microstructure. Analysis of the milling-induced microstructures suggests that the formation of fresh oxygen-free intimate high surface area contacts between the reagents is responsible for the enhancement of their reactivity. This manifests itself in a reduction of ignition temperature and delay time, an increased rate of chemical reaction, and an overall decrease of the effective activation energy of the reaction. The protocol provides a detailed description for the preparation of reactive nanocomposites with tailored microstructure using short-term HEBM method. It also describes a high-speed thermal imaging technique to determine the ignition/combustion characteristics of the energetic materials. The protocol can be adapted to preparation and characterization of a variety of nanostructured energetic composites.

This protocol describes the preparation of gasless nanostructured energetic materials (Ni+Al, Ta+C, Ti+C) using the short-term high-energy ball milling (HEBM) technique. It also describes a high-speed thermal imaging method to study the reactivity of mechanically fabricated nanocomposites. These protocols can be extended to other reactive nanostructured energetic materials.

Preparação e reactividade de Gasless Nanostructured materiais energéticos

High-Energy Ball Milling (HEBM) is a ball milling process where a powder mixture placed in the ball mill is subjected to high-energy collisions from the ...

Blast Quantification Using Hopkinson Pressure Bars

Near-field blast load measurement presents an issue to many sensor types as they must endure very aggressive environments and be able to measure pressures up to many hundreds of megapascals. In this respect the simplicity of the Hopkinson pressure bar has a major advantage in that while the measurement end of the Hopkinson bar can endure and be exposed to harsh conditions, the strain gauge mounted to the bar can be affixed some distance away. This allows protective housings to be utilized which protect the strain gauge but do not interfere with the measurement acquisition. The use of an array of pressure bars allows the pressure-time histories at discrete known points to be measured. This article also describes the interpolation routine used to derive pressure-time histories at un-instrumented locations on the plane of interest. Currently the technique has been used to measure loading from high explosives in free air and buried shallowly in various soils.

This protocol details the use of Hopkinson pressure bars to measure reflected blast loading from near-field explosive events. It is capable of interpolating a pressure-time history at any point on a reflective boundary and as such can be used to fully characterize the spatial and temporal variations in loading produced.

Explosão Quantificação Usando barras de pressão Hopkinson

Near-field blast load measurement presents an issue to many sensor types as they must endure very aggressive environments and be able to measure pressures ...

Minimum Burning Pressures of Water-based Emulsion Explosives

This manuscript describes a protocol to measure the minimum pressure required for sustained burning of water-based emulsion explosives. Pumping water-based emulsion explosives for blasting applications can be very hazardous, as demonstrated by a number of pump accidents around the globe in the last decades, including some that resulted in fatalities. In Canada, the recognition of this hazard has led to the development of pumping guidelines that were endorsed by both the explosives industry and the Explosive Regulatory Division of the Canadian government. In these guidelines, it was noted that the minimum burning pressures (MBP) measured in a laboratory would provide a good guide to characterize the behaviour of these products in pumping systems. The same guidelines also call for the design of pump systems that prevent, whenever possible, pressures from exceeding the MBP of the product being pumped. At the time of publication of these guidelines, a methodology existed for measuring such MBP values but it had never been validated to measure the MBP of ammonium nitrate water-based emulsions (AWEs). AWEs are now used much more widely than any other water-based explosives and precursors in on-site bulk loading operations.
The Canadian Explosives Research Laboratory (CanmetCERL) has been conducting research over the last ten years to develop a validated testing protocol to measure and interpret representative MBP values for AWEs. The test, as it is performed today, will be described and the critical components will be justified by reference to recent published data. Results of MBP measurements, for a range of AWE products, will be presented. Inclusion of the MBP test in the test standards for the authorization of high explosives in Canada will also be discussed.

We present an apparatus based on hot-wire ignition in a pressurized enclosure and an associated methodology to measure the minimum pressure required to induce sustained combustion in water-based emulsion explosives. This method improves product characterization to allow one to use them more safely during pumping and mixing operations.

Mínimo, queimando as pressões de explosivos de emulsão à base de água

This manuscript describes a protocol to measure the minimum pressure required for sustained burning of water-based emulsion explosives. Pumping ...

Standardized Method for Measuring Collection Efficiency from Wipe-sampling of Trace Explosives

One of the limiting steps to detecting traces of explosives at screening venues is effective collection of the sample. Wipe-sampling is the most common procedure for collecting traces of explosives, and standardized measurements of collection efficiency are needed to evaluate and optimize sampling protocols. The approach described here is designed to provide this measurement infrastructure, and controls most of the factors known to be relevant to wipe-sampling. Three critical factors (the applied force, travel distance, and travel speed) are controlled using an automated device. Test surfaces are chosen based on similarity to the screening environment, and the wipes can be made from any material considered for use in wipe-sampling. Particle samples of the explosive 1,3,5-trinitroperhydro-1,3,5-triazine (RDX) are applied in a fixed location on the surface using a dry-transfer technique. The particle samples, recently developed to simulate residues made after handling explosives, are produced by inkjet printing of RDX solutions onto polytetrafluoroethylene (PTFE) substrates. Collection efficiency is measured by extracting collected explosive from the wipe, and then related to critical sampling factors and the selection of wipe material and test surface. These measurements are meant to guide the development of sampling protocols at screening venues, where speed and throughput are primary considerations.

Optimized sampling protocols and the development of new wipe materials can be facilitated by standardized measurements of collection efficiency from wipe-sampling. Our approach for sampling trace explosives uses an automated device to control speed, force, and distance during wipe-sampling followed by extraction of collected explosives.

Método Padrão para medir a eficiência Coleção de Wipe-amostragem de Explosivos Traço

One of the limiting steps to detecting traces of explosives at screening venues is effective collection of the sample. Wipe-sampling is the most common ...

Nanothermite with Meringue-like Morphology: From Loose Powder to Ultra-porous Objects

The goal of the protocol described in this article is to prepare aluminothermic compositions (nanothermites) in the form of porous, monolithic objects. Nanothermites are combustible materials made up of inorganic fuel and an oxidizer. In nanothermite foams, aluminum is the fuel and aluminum phosphate and tungsten trioxide are the oxidizing moieties. The highest flame propagation velocities (FPVs) in nanothermites are observed in loose powders and FPVs are strongly decreased by pelletizing nanothermite powders. From a physical standpoint, nanothermite loose powders are metastable systems. Their properties can be altered by unintentional compaction induced by shocks or vibrations or by the segregation of particles over time by settling phenomena, which originates from the density differences of their components. Moving from a powder to an object is the challenge that must be overcome to integrate nanothermites in pyrotechnic systems. Nanothermite objects must have both a high open porosity and good mechanical strength. Nanothermite foams meet both of these criteria, and they are prepared by dispersing a nano-sized aluminothermic mixture (Al/WO3) in orthophosphoric acid. The reaction of aluminum with the acid solution gives the AlPO4 &#34;cement&#34; in which Al and WO3 nanoparticles are embedded. In nanothermite foams, aluminum phosphate plays the dual role of binder and oxidizer. This method can be used with tungsten trioxide, which is not altered by the preparation process. It could probably be extended to some oxides, which are commonly used for the preparation of high performance nanothermites. The WO3-based nanothermite foams described in this article are particularly insensitive to impact and friction, which makes them far safer to handle than loose Al/WO3 powder. The fast combustion of these materials has interesting applications in pyrotechnic igniters. Their use in detonators as primers would require the incorporation of a secondary explosive in their composition.

This manuscript describes the synthesis of combustible aluminophosphate matrices by the reaction of orthophosphoric acid (H3PO4) with aluminum nanopowder. When this reaction is carried out with excess aluminum in the presence of tungsten trioxide nanopowder, it leads to a solid, porous nanothermite foam.

Nanothermite com merengue, como morfologia: de pó solto para objetos ultra porosos

The goal of the protocol described in this article is to prepare aluminothermic compositions (nanothermites) in the form of porous, monolithic objects. ...

Processing of Bulk Nanocrystalline Metals at the US Army Research Laboratory

Given their potential for significant property improvements relative to their large grained counterparts, much work has been devoted to the continued development of nanocrystalline metals. Despite these efforts, the transition of these materials from the lab bench to actual applications has been blocked by the inability to produce large scale parts that retain the desired nanocrystalline microstructures. Following the development of a method proven to stabilize the nanosized grain structure to temperatures approaching that of the melting point for the given metal, the US Army Research Laboratory (ARL) has progressed to the next stage in the development of these materials - namely the production of large scale parts suitable for testing and evaluation in a range of relevant test environments. This report provides a broad overview of the ongoing efforts in the processing, characterization, and consolidation of these materials at ARL. In particular, focus is placed on the methodology used for producing the nanocrystalline metal powders, in both small and large-scale amounts, that are at the center of ongoing research efforts.

This paper provides a brief overview of the ongoing efforts at the Army Research Laboratory on the processing of bulk nanocrystalline metals with an emphasis on the methodologies used for the production of the novel metal powders.

Processamento de metais de nanocristalina em massa no exército E.U. Research Laboratory

Given their potential for significant property improvements relative to their large grained counterparts, much work has been devoted to the continued ...

Conducting Elevated Temperature Normal and Combined Pressure-Shear Plate Impact Experiments Via a Breech-end Sabot Heater System

A novel approach for conducting normal and/or combined pressure-shear plate impact experiments at test temperatures up to 1000 &#176;C is presented. The method enables elevated temperature plate-impact experiments aimed towards probing dynamic behavior of materials under thermomechanical extremes, while mitigating several special experimental challenges faced while performing similar experiments using the conventional plate impact approach. Custom adaptations are made to the breech-end of a single-stage gas-gun at Case Western Reserve University; these adaptations include a precision-machined extension piece made from SAE 4340 steel, which is strategically designed to mate the existing gun-barrel while providing a high tolerance match to the bore and keyway. The extension piece contains a vertical cylindrical heater-well, which houses a heater assembly. A resistive coil heater-head, capable of reaching temperatures of up 1200 &#176;C, is attached to a vertical stem with axial/rotational degrees of freedoms; this enables thin metal specimens held at the front-end of a heat-resistant sabot to be heated uniformly across the diameter to the desired test temperatures. By heating the flyer plate (in this case, the sample) at the breech-end of the gun-barrel instead of at the target-end, several critical experimental challenges can be averted. These include: 1) severe changes in the alignment of the target plate during heating due to the thermal expansion of the several constituents of the target holder assembly; 2) challenges that arise due to the diagnostics elements, (i.e., polymer holographic gratings, and optical probes) being too close to the heated target assembly; 3) challenges that arise for target plates with an optical window, where crucial tolerances between the sample, bond layer, and window become increasingly difficult to maintain at high temperatures; 4) in the case of combined compression-shear plate impact experiments, the need for high-temperature resistant diffraction gratings for the measurement of transverse particle velocity at the free surface of the target; and 5) limitations imposed on the impact velocity necessary for unambiguous interpretation of the measured free surface velocity versus time profile due to thermal softening and possibly yielding of the bounding target plates.By utilizing the adaptations mentioned above, we present results from a series of reverse geometry normal plate impact experiments on commercial purity aluminum at a range of sample temperatures. These experiments show decreasing particle velocities in the impacted state, which are indicative of material softening (decrease in post-yield flow stress) with increasing sample temperatures.

Here, we present a detailed protocol of a new approach for conducting elevated temperature reverse normal plate impact, and combined pressure-and-shear plate impact. The approach involves the use of a breech-end resistive coil heater to heat a sample held at the front-end of a heat-resistant sabot to the desired temperature.

Realização de elevada temperatura Normal e combinados de pressão-tesoura chapa impacto experiências através de um sistema de aquecedor de Sabot culatra-final

A novel approach for conducting normal and/or combined pressure-shear plate impact experiments at test temperatures up to 1000 &#176;C is presented. The ...