En utilisant des films minces (pas plus de quelques morceaux de papier de cahier épais) d'un produit chimique explosif courant, des chercheurs de Sandia National Laboratories ont étudié le début et la croissance des explosions à petite échelle. Sandia est le seul laboratoire aux États-Unis capable de fabriquer de telles couches minces détonables.

Ces expériences ont fait progresser les connaissances fondamentales sur les détonations. Les données ont également été utilisées pour améliorer un programme de modélisation informatique développé par Sandia et utilisé par les universités, des entreprises privées et le ministère de la Défense pour simuler le déclenchement et la propagation des détonations à grande échelle.

"C'est chouette, nous repoussons vraiment les limites de l'échelle à laquelle vous pouvez exploser et de ce que vous pouvez faire avec les explosifs en termes de modification de diverses propriétés, " a déclaré Eric Forrest, le chercheur principal du projet. "La théorie des explosifs traditionnels dit que vous ne devriez pas pouvoir exploser à ces échelles de longueur, mais nous avons pu le démontrer, En réalité, vous pouvez."

Forrest et le reste de l'équipe de recherche, ont partagé leur travail étudiant les caractéristiques de ces couches minces et les explosions qu'elles produisent dans deux articles récemment publiés dans Matériaux et interfaces appliqués ACS et Propulseurs, Explosifs, Pyrotechnie .

Pour leurs études, l'équipe a utilisé le PETN, également connu sous le nom de tétranitrate de pentaérythritol, qui est un peu plus puissant que la TNT, livre pour livre. Il est couramment utilisé par l'industrie minière et par l'armée.

Typiquement, Le PETN est pressé en cylindres ou en pastilles pour être utilisé. L'équipe de recherche a plutôt utilisé une méthode appelée dépôt physique en phase vapeur, également utilisée pour fabriquer des panneaux solaires de deuxième génération et pour revêtir certains bijoux, pour « faire pousser » des films minces de PETN.

Sandia est le seul laboratoire aux États-Unis qui possède les compétences et l'équipement pour utiliser cette technique pour fabriquer des films explosifs minces qui peuvent exploser, dit Rob Knepper, un expert en explosifs de Sandia impliqué dans le projet.

Culture et étude de couches minces explosives

À partir de fin 2015, l'équipe a fait pousser des films minces de PETN sur différents types de surfaces pour déterminer comment cela affecterait les caractéristiques des films. Ils ont commencé avec des morceaux de silicone de la taille d'un petit ongle et ont fait pousser des films d'environ un dixième de l'épaisseur d'un morceau de papier, trop mince pour exploser. Certaines pièces en silicone étaient très propres, certains étaient moyennement propres, et certains étaient prêts à l'emploi et avaient donc une très fine couche de saleté - 50, 000 fois plus mince qu'une feuille de papier.

Sur les surfaces en silicone très propres, les films PETN formaient ce qui semblait être des plaques lisses par microscopie électronique à balayage, mais avait de minuscules fissures entre les plaques, un peu comme de la boue séchée sur un lit de lac asséché. Sur les surfaces de silicone sales, la surface des films PETN ressemblait davantage à des collines régulières.

En utilisant une technique basée sur les rayons X, les chercheurs ont déterminé que c'est parce que les molécules de PETN s'orientent différemment sur les surfaces sales par rapport aux surfaces très propres, et ainsi le film grandit différemment, dit Forrest.

"Cette étude en particulier a montré que nous pouvons obtenir non seulement du roman, mais des formes très utiles d'explosifs traditionnels que vous ne pourriez jamais réaliser par des moyens traditionnels, " Forrest a déclaré. " Contrôler finement les propriétés du film nous permet d'étudier des théories pour mieux comprendre l'initiation explosive, qui nous permettra de mieux prédire la fiabilité, performances et la sécurité des systèmes explosifs grâce à des modèles améliorés."

Knepper, qui a servi de mentor à Forrest sur le projet, D'accord. "Développer un moyen de contrôler de manière reproductible la microstructure des films, juste par la manipulation de surface, est important. À l'heure actuelle, notre objectif est d'utiliser ces films pour approfondir notre compréhension des propriétés explosives à petite échelle, tels que l'amorçage et la défaillance d'explosifs.

Des tests à petite échelle pour améliorer les modèles informatiques

Une fois les caractéristiques et propriétés des couches minces mieux comprises, l'équipe de recherche a fait pousser des films plus épais, cette fois de l'épaisseur de deux feuilles de papier pour cahier, sur des morceaux de plastique très propres de la taille d'un petit doigt.

Puis, avec un coup, ils ont fait exploser les films explosifs à l'intérieur d'une enceinte de sécurité spécialement conçue appelée "boombox, " qui a été conçu pour empêcher une détonation de démarrer alors que l'enceinte était ouverte et contenir tous les débris de la détonation. En utilisant une caméra ultra-rapide qui peut prendre jusqu'à un milliard d'images par seconde, ils ont vu l'onde de choc s'élever alors que l'explosion courait à travers le film mince.

En collaboration avec le New Mexico Institute of Mining and Technology à Socorro, l'équipe de recherche a développé une configuration spécialisée pour voir l'onde de choc malgré la fumée et les débris des explosions de test en utilisant l'imagerie de Schlieren, une technique qui peut détecter des différences de densité de l'air similaires au miroitement sur une autoroute chaude.

Étudiant à la maîtrise en génie mécanique de New Mexico Tech, Julio Peguero, utilisé les données de ces expériences pour affiner le programme de modélisation informatique des explosifs de Sandia. Le programme, appelé CTH, peut être utilisé pour des applications, comme déterminer la meilleure façon de façonner les charges explosives lors du forage pétrolier, dit Knepper.

Peguero a tracé la vitesse des ondes de choc au-dessus des films avec et sans espaces et a adapté le programme informatique pour mieux correspondre à leurs résultats expérimentaux sur des films très minces. L'équipe a conçu des films minces avec des fissures au milieu de différentes tailles - allant d'un tiers de la largeur d'un cheveu humain à 1 1/3 de la largeur d'un cheveu - pour mieux comprendre la fiabilité des films minces et comment les détonations peuvent échouer. L'équipe a découvert que des espaces autour de la taille d'un cheveu pouvaient empêcher une détonation de continuer.

Forrest était particulièrement intéressé par les études d'espacement car la première étude a trouvé de fines fissures entre les plaques très lisses de certains des films. Bien que ces fissures étaient bien plus petites qu'un dixième de la largeur d'un cheveu, les données de l'étude des lacunes ont fourni des informations sur la façon dont ces films fonctionneraient.

Péguero, qui est maintenant un employé de Sandia a commencé à travailler sur le projet en janvier 2018, d'abord en tant qu'étudiant, puis plus tard en tant que stagiaire de Sandia. "En plus de l'excitation de faire de la recherche sur les explosifs, J'ai acquis une appréciation de l'incertitude de mesure et des risques, " Peguero a déclaré. "C'est particulièrement important pour le travail de sécurité nationale pour s'assurer que notre confiance dans nos mesures est bien comprise."

Knepper a reconnu l'importance du projet. Il a dit, « Quand vous avez des données expérimentales à petite échelle, en particulier ceux qui sont pertinents pour la frontière entre ce qui peut exploser et ce qui ne peut pas, ces données peuvent être très utiles pour calibrer les modèles informatiques. Aussi, pouvoir avoir une bonne caractérisation de la microstructure explosive pour entrer dans les modèles aide à avoir des paramètres qui peuvent prédire avec succès les performances sur une plus large gamme de comportements explosifs. »