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Submitted on 1 Jan 1987
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APPROCHES MICROSCOPIQUE ET MACROSCOPIQUE DES DETONATIONS.
QUESTIONS POUR LE FUTUR
J. Boileau
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J. Boileau. APPROCHES MICROSCOPIQUE ET MACROSCOPIQUE DES DETONATIONS.
QUESTIONS POUR LE FUTUR. Journal de Physique Colloques, 1987, 48 (C4), pp.C4-99-C4-104.
�10.1051/jphyscol:1987405�. �jpa-00226637�
JOURNAL DE PHYSIQUE
Colloque C4, supplément au no9, Tome 48, septembre 1987
APPROCHES MICROSCOPIQUE ET MACROSCOPIQUE DES DETONATIONS.
QUESTIONS POUR LE FUTUR
J. BOILEAU
Société NationaZe des Poudres et ExpZosifs, 75181 Paris Cedex 04, France
Résumé
Ln guise d'introduction, il est exposé quelques résultats expéricentaux connus sur les propriétés de détonation des explosifs, au plan macroscopique, dont des théories au niveau moléculaire
devront tenir cortpte (célérités de détonation, diamètres critiques, cas des mélanges, des sensibilisants~ rôle de la densité). Sont citées aussi des questions qui se posent sur des phénomènes ou des relations mal connus. Des suggestions sont faites concernant notam- xent la recherche de procédures de mesures mieux établies pour être re~roductibles et comparables d'un laboratoire à l'autre et la mise au point de méthodes de mesure de type différentiel et non absolu pour l'étude fine de facteurs intervenant dans la détonation.
Abstract
Some experimental known results about detonation properties of explosives are given, they must be taken into account, in any molecular theory of detonation (velocity, critical diameter, density, explosive mixtures,-sensitizers
...
1, with some research to be done about unsolved questions. It is suggested to establish standard procedures of measurements, and to find differential (and not absolute) methods in order to obtain fine relation ships between some factors and the corresponding detonation datas.En guise d'introduction à cet atelier de travail qui a pour thème "Approches ~~icroscopique et macroscopique des détonations", rappelons quelques unes ees idées exprimées au cours de 1'Ecole d'été de l'OTAN à Preveza (Grèce) en juillet 1980 (Fast Reactions in energetic systerr.~) par Raymond F. i7alker :
-
la réponse d'un explosif à des excitations (choc, électricité statique etc...
) de nature différente tout en ayant des niveaux d'éner- gie du &me ordre de grandeur, peut être différente d'une excita- tion à l'autre-
on ne sait pas actuellement prédire si et dans quelles conditions une mol6cule nouvelle non encore isolée pourra déflagrer ou détoner-
on connait fort mal le mécanisme d'action d'additifs sensibili- sants ou flegmatisants d'explosifsArticle published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1987405
JOURNAL DE PHYSIQUE
-
parmi les difficultés pour connaître les mécanismes dé la déto- nation au niveau moléculaire, il faut signaler le manque de moyens de mesure de phénomènes ultrarapides, et le fait que les explosifs se prêtant à des expérimentations précises sont formés de molé- cules trop complexes pour que leur étude par des calculs de méca- nique quantique puisse être menée à bien par les moyens de cal- culs actuels.Nous y ajouterons une réflexion de C. Capellos, organisateur de cette école d'été, sur la nécessité de trouver des méthodes pour saisir au passage ou piéger les espèces intermédiaires se formant au cours d'une détonation.
Ces quelques idées, toujours d'actualité, peuvent aider aux ré- flexions des participants au groupe de travail.
Nous rappellerons aussi quelques ordres de grandeur intervenant dans les détonations, et qui en montrent les caractères de circons- tances extrêmes : au niveau moléculaire, de l'ordre du nanomètre
(10-6 mm), l'onde de détonation traverse cette épaisseur en une picoseconde environ (10-12 s). Or, au niveau macroscopique, les connaissances en détonique concernent en général des longueurs de l'ordre du ~illimètre au minimum, à des pressions allant jusqu'à quelques dizaines de F2a (mégapascals). Il y a un hiatus entre
Imm et 10-6 mm où l'on ne connait pas grand chose sur les phénomènes de détonation.
Dans toute tentative d'explication ou de moüélisation des phéno- mènes üe détonation au niveau moléculaire, il y a une démarche d'al- lers et retours à adqpter : une hypothèse d'explication devra ne pas être en contradiction avec des faits expérimentaux bien établis ;
d'autre part, elle amène à suggérer des expériences destinées à la valider, expériences souvent plus fines que celles déjà faites ;
les résultats observés doivent servir à conforter, affiner ou modi- fier l'hypothèse théorique ou le modèle correspondant.
Dans les paragra~hes qui suivent, nous allons passer en revue un certain nombre de faits expérimentaux bien établis au plan macros- copique, nais nous citerons à cette occasion les incertitudes et les questions qu'elles soulèvent, et qui peuvent constituer un thème de recherches.
1.- Pour un explosif pur solide, il existe une valeur maximale Dmax de la célérité de détonation, correspondant à la densité maxi- male de cet explosif, cette valeur étant une constante pour le produit dans une forme cristalline donnée, à une température donnée, et sous réserve d'un environnement approprié. Ce der- nier point signifie qu'il est nécessaire d'avoir un confinement et un diamètre de la charge suffisants ; cependant, pour cer- tains explosifs, la détonation peut dans ces conditions ne plus avoir lieu, et la valeur Dmax est alors obtenue par extrapola- tion.
2.- Cette valeur Dmax est d'autant plus élevée que la densité réelle p de l'explosif est plus élevée : donc Dmax est plus faible pour un explosif à l'état liquide ou fondu que pour le même à l'état solide. Mais, quelle est la relation liant Dmax et p ? A-t-on pour un même produit une même valeur de Dmaxjp, que le produit soit solide ou liquide ?
3.- De même pour un explosif solide pulvérulent comprimé à une densité apparente pc, correspondant à un taux de compression c = pc/p, et-détonant dans des conditions dlenvironner.ent appro- priées pour être en régime stationnaire, il existe une relation entre la célérité de détonation Dc et la densité de chargement pc ; cette relation est en gros linéaire lorsque Pc n'est pas trop éloigné de la densité p du cristal d'explosif.
Par contre, si des valeurs sont données dans la littérature pour la pente des droites correspondantes, on ignore la signification physique de ces valeurs. Existe-t-il par exemple des relations entre cette pente et la granulométrie ou la surface spécifique de l'explosif ou la nature de la phase gazeuse constituant les interstices (air, vide, hydroyène, argon, etc) ? Les valeurs des pentes donnees dans la littérature sont différentes d'un explosif à l'autre nais il n'y a pas de kelation claire entre ces valeurs et la constitution chimique de l'explosif. Les données expérinentales à acquérir nécessiteront des méthodes de mesure plus fines et des conditions d'expérimentation plus précises. On peut en outre chercher à mieux préciser le carac- tère plus ou moins "idéal" de la détonation.
4.- Lorsque la phase non explosive est un liant solide ou liquide, on entre dans le domaine des mélanges explosifs où il y a beau- coup à faire. Il existe certaines formules empiriques reflé- tant les résultats d'essais. Mais il sera nécessaire d'explorer deux voies :
- le rôle de la granulom6trie et de la surface spécifique de la phase granulaire lorsqu'on passe du millimétrique au submicro- nique
-
l'effet éventuel du contact ou non-contact entre les grains de la phase granulaire (percolation).
5.- Comme indiqué plus haut ( 5 l ) , l'établissement d'une onde de détonation en régime stationnaire ne peut se faire que sous cer- taines conditions : une initiation suffisante, une dissipation latérale d'énergie limifée, un confinement approprié. Les explo- sifs ont été classés par Donna Price en deux catégories, en qros selon le fait que la détonation se transmet ou non lorsque l'explosif est comprimé à sa densité maximale.
Il existe d'autre part un diamètre critique ou une épaisseur cri- tique en dessous desquels, en fonction d'ailleurs de la nature du confinement et de la densité de chargement, il n'y a pas pro- pagation de la détonation. Le diamètre critique minimal, par exemple en cordeau sous cuivre ou sous argent avec compression isostatique, est une valeur intéressante relative à un explosif.
Elle est indépendante de la valeur de la célérité de détonation Dmax. Cette valeur est-elle prévisible pour un explosif ? 6.- Il existe une distance plus ou moins grande selon les explosifs
entre le point ou le plan où a lieu l'initiation et celui où l'onde de détonation prend naissance dans l'explosif. Cette distance dépend aussi des conditions expérimentales (initiation, forme géométrique, confinement, etc...).
7.- Le cas des explosifs primaires serait à étudier plus finement car les distances précédentes ainsi que les diamètres ou épaisseurs critiques deviennent très petits, et en général mal connus.
Des méthodes expérimentales de mesure sont à mettre au point, avec naturellement les précautions appropriées. On entre là dans un domaine de détonation submillimétrique qui peut a ~ p r t e r
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des informations intGressantes dans des milieux condenses (soli- des ou liquides). Dans les explosifs primaires on trouve des rroduits à la fois très sensibles à des initiations variées, mais en même temps de célérité de détonation très modérée. En outre, la sensibilité peut dépendre fortement de la nature de l'initia- tion ; par exemple, certains produits sont très sensibles au choc et au frottement et peu à la chaleur.
Rappelons aussi que la sensibilité à un stimulus peut être pour un même produit très différente lorsqu'il est à l'état solide, liquide ou gazeux ; dans certains cas, la sensibilité est exa- cerbée aux changements de phase. Naturellement, les conditions d'exécution des tests doivent être précisées ; mais le produit liquide peut être plus ou moins sensible que le solide corres- pondant selon la nature du produit.
8.- Des expériences particulières ont été faites sur des monocristaux explosifs pour observer d'éventuelles différences de comportement selon les phases cristallines, et selon les directions par rap- port aux axes cristallins. C'est le cas notamment de l'hexo- gène, l'octogène, la pentrite (ISL, CEA, LASL). Les théories rr.icroscopiques et moléculaires .devront pouvoir en rendre compte.
Mais on se heurte là à plusieurs difficultés :
-
il n'y a que peu d'explosifs qui peuvent être mis sous forme de monocristaux de taille suffisante, et les molécules corres- pondantes sont en général trop complexes pour être étudiées au plan théorique par des calculs quantiques fins-
Four les mesures expérimentales, sur les explosifs secondaires il faut travailler sur des monocristaux assez gros pour être sûr d'arriver à une détonation en régime. La confection de ces monocristaux est délicate, voire actuellement impossible pour certains produits ; il est en outre difficile d'éviter la présence de défauts.Pour contourner ces difficultés, on pourrait envisager de prendre comme matériel d'étude un polymère explosif. S'il a l'inconvé- nient d'avoir une structure plus complexe qu'un monocristal, il peut posséder certains avantages : taille plus grande des échan- tillons, existence de plusieurs phases et de points de transi- tions, possibilité de créer certaines anisotropies, par exemple par étirage, ou d'avoir une variation continue de propriétés.
Comme polymères, on pourrait par exemple prendre le nitrate de polyvinyle, dans des arrangements moléculaires variés (iso, syn- dio et atactique), et peut-être le polynitroéthylène s'il peut détoner.
9.- En général, les additifs agissant à faible dose sur des explosifs pour modifier certaines de leurs propriétés détoniques de façon importante ne sont pas miscibles à ces explosifs. Une exception importante : les amines ajoutées à faible dose (moins de 2 %
molaire) au nitraméthane liquide auquel elles sont miscibles le
"sensibilisent" de façon importante. Une étude fine de ces mé- langes peut être une voie intéressante pour comprendre les méca- nismes moléculaires de détonation par comparaison avec le nitro- méthane non sensibilisé.
(Signalons des publications de P.J. Haskins et MD Cook au Congrès International de Pyrotechnie Spatiale de Juan les Pins - Juin 1987, rappelant aussi les travaux de Engelke ; la forme aci
CH NO H est signalée comme la forme sensible. Cependant,
= .
2
Ur anski (C emistry and Technology of Explosives) mentionne un
léger rôle sensibilisateur d'acides min€raux. Il y a là une situation à clarifier).
De même, il pourrait être intéressant de comparer les propriétés de 2 explosifs liquides aussi voisins que possible, l'un constitué Far un seul produit (nitrate organique ou dérivé nitré), l'autre fornié d'un mélange approprié de 2 produits très différents, tels que tétranitrométhane d'une part, hydrocarbure ou alcool ou autre combustible d'autre part.
Les considérations précédentes nous amènent, au plan pratique et expérimental à faire deux suggestions importantes :
1). En dépouillant la littérature, on s'aperçoit que les données expérimentales macroscopiques concernant les explosifs sont souvent imprécises, les modes opératoires pas toujours bien d-éfinis, les mesures pas forcément reproductibles ou entachées d'une assez grande dispersion. En outre et surtout, de nom- breuses mesures sont faites dans des conditions différentes et non comparables (par exemple degré et nature de confinements).
Si des progrès ont été faits dans la chronométrie Four les mesures de célérité de l'onde de détonation, la connaissance de la valeur de la densité de chargement correspondante de l'explo- sif n'est pas toujours très précise.
Avec les progrès des moyens expérimentaux, nous pensons qu'un effort doit être entrepris pour anéliorer la procédure de déter- mination des propriétés explosives, la préciser, et vérifier par exemple par des essais interlaboratoires qu'elle est utili- sable d'un lieu à l'autre.
2). Pour pouvoir étudier plus finement certains mécanismes de déto- nation, en faisant varier le moins de facteurs à la fois, et sur des essais au niveau macroscoyique, il est en géneral intéres- sant de ne pas chercher une détermination absolue, mais compa- rative entre deux produits ou deux situations presque identiques :
--
on peut alors espérer arriver à une bien meilleure précision, et aborder l'étude de l'influence de divers facteurs précis tels que ceux cités plus haut.Ces Ceux actions nous paraissent nécessaires,ne serait-ce que pour disposer de données fiables, tout en étant raisonnables au plan des coûts, si l'on veut améliorer les connaissances sur la déto- nation non seulement au niveau macroscopique, mais aussi au niveau moléculaire.
C o m m e n t a i r e - J . DANGREAUX
Nous avons beaucoup p a r l é de " p o i n t s chauds" depuis ce matin. J ' a u r a i s aimé que l ' o n e u t évoqué l e s travaux de "Bowden" qui a joué un r ô l e de pionnier dans ce domaine e t dont l ' o e u v r e peut encore ê t r e c o n s u l t é e avec f r u i t . M. Boileau a évoqué l e s r e l a t i o n s qui p o u r r a i e n t e x i s t e r e n t r e "diamètre c r i t i q u e " e t " v i t e s s e de détonation". J e me permets de r a p p e l e r quelques travaux f a i t s i l y a 25 ans au CERCHAR s u r l e s diamètres c r i t i q u e s des
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