The work described involves the study of shock-induced reactions in binary/heterogeneous reactive powder mixtures that produce little or no gas and the possibility that a detonation could be produced in such mixtures. The first task was to identify the mechanism by which these mixtures reacted when shocked. Critical initiating shock pressure and autoignition temperature were determined for a number of mixtures by recovery of shocked samples and differential thermal analysis, respectively. In addition, recovery experiments using Mn+S in two different charge geometries and at two different nominal densities (60% TMD and 90% TMD) were carried out to study the effect of the rigid confining walls. It was found that in general mixtures that were the most thermally sensitive were not necessarily the most shock sensitive, and vice-versa. For the majority of mixtures tested, the minimum shock energy required to cause the entire sample mixture to react was much less than the minimum autoignition enthalpy. This result implies that initiation caused by the shock wave must be due to local shock energy concentration at particle contact interfaces and at locations where pores exist, where hot spots are formed, rather than bulk heating of the sample. The shock initiation process was then directly observed in different powder mixtures (Mn+S, Zn+S, 2Al+Bi2O3, 2Al+3PbO, 8Al+3Pb3O4, 8Al+MoO3, 4Al+Fe2O3, Ti+2B, Ti+B, Ni+Al, 5Ti+3Si, and Ti+Si; note that some of those mixtures were alsoimechanically activated in a ball-milling machine) contained in recovery capsules over long time scales using light detectors and thermocouples. Shortly following shock passage (a few μs), it appeared that only a small fraction of the mixture had reacted. The bulk of the mixture reacted only after many milliseconds. The observed time of bulk reaction was found to be mostly independent of shock pressure but seemed to correlate with the burning speed of the mixtures. This further confirmed the hypothesis that initiation onset first took place in hot spots and continued from there via a burning reaction, which is relatively slow and pressure-independent in the powders considered in this study.Finally, the possibility of detonating reactive powder mixtures that produce little or no gas was considered in light of the known shock initiation mechanism. It was shown that two conditions must be satisfied: 1) the volumetric expansion of the products must be sufficient to support a shock wave in the reactants and 2) the reaction time must be short compared to lateral relief time. It was shown that due to the fact that products usually contract upon reaction, compared to the reactants, few mixtures can satisfy the first requirement especially when the initial reactants are very porous. Those mixtures that satisfy the first condition typically produce large reaction temperatures and/or products that have low densities and large thermal expansion coefficients. The second condition could be satisfied when the charge diameter is large enough so that the lateral relief time scale is greater than the reaction time scale. This condition ensures that the expansion occurs mainly in the direction of shock propagation. A quasi one-dimensional model of the detonation reaction zone was developed to account for the competition between the energy release rate and the momentum and energy losses due to lateral expansion. Using this model with a relation for the reaction rate derived from the experimental results mentioned above and a model that accounts for the lateral losses, it was shown that unless burning velocities can be increased significantly (by at least two orders of magnitude for Ni-Al mixtures and three orders of magnitude in Mn-S mixtures) compared to that in mixtures of micron-sized powders, detonations may not be observable in charges with diameters less than one meter. / L'étude décrite porte sur l'initiation par onde de choc de réactions dans les mélanges de poudres dont les produits ne contiennent que peu de gaz, et la possibilité que ces mélanges puissent produire une détonation. La première tâche fut d'identifier le mécanisme responsable de la réaction de ces mélanges sous choc. La pression de choc et la température d'ignition minimum ont été obtenues pour plusieurs mélanges par l'entremise de la récupération d'échantillons choqués et de l'analyse thermique différentielle, respectivement. De plus, des échantillons de Mn+S contenus dans des capsules de géométries différentes ont été récupérés afin d'étudier l'effet des murs rigides. Les résultats ont démontré qu'en général, les mélanges qui sont les plus sensibles à la chaleur ne sont pas nécessairement les plus sensibles au choc, et vice-versa. La quantité d'énergie minimum requise pour initier les mélanges avec un choc était beaucoup plus basse que celle nécessaire pour initier ces mêmes mélanges de façon thermique. Ce résultat suggère que l'énergie du choc doit être concentrée aux interfaces entres les particules et dans les pores, donc dans des points chauds, plutôt que distribuée dans l'ensemble du mélange.Le processus d'initiation par onde de choc a ensuite été observé directement avec des capteurs de lumière et des thermocouples sur une longue échelle de temps dans différents mélanges de poudre (Mn+S, Zn+S, 2Al+Bi2O3, 2Al+3PbO, 8Al+3Pb3O4, 8Al+MoO3, 4Al+Fe2O3, Ti+2B, Ti+B, Ni+Al, 5Ti+3Si, and Ti+Si) contenus dans des capsules rigides. Il semble que seule une petite fraction du mélange ait réagit dans un délai de quelques microsecondes après le passage du choc, le reste du mélange ayant réagit seulement après plusieurs millisecondes. Dans tous les mélanges, le temps requis pour que la réaction ait lieu dans l'ensemble du mélange n'est pas une fonction de la pression du choc alors qu'il se corrèle bien avec la vitesse de combustion du mélange. Ce résultat confirme l'hypothèse que l'initiation des réactions se produit dans des points chauds et que les réactions se propagent ensuite par combustion, cette dernière étant lente et indépendante de la pression ambiante dans les mélanges de poudres étudiés dans cette thèse.Finalement, la possibilité qu'une détonation puisse se produire dans les mélanges réactifs qui ne produisent que peu de gaz fut considérée à la lumière du mécanisme d'initiation par choc identifié au préalable. Il fut démontré que deux conditions doivent être remplies : 1) l'expansion des produits doit être suffisante pour supporter une onde de choc dans le mélange frais, et 2) le temps de réaction doit être suffisamment court comparé au temps de relaxation. Il fut démontré qu'étant donné que la densité du mélange frais est habituellement moindre que celle des produits, peu de mélanges remplissent la première condition. Les mélanges qui remplissent la première condition produisent typiquement des températures de réaction élevées, ou des produits qui sont peu dense et qui ont un grand coefficient d'expansion thermique. La deuxième condition peut être remplie lorsque le diamètre de la charge est tel que la relaxation latérale se produit sur une échelle de temps plus grande que celle des réactions. Un modèle quasi- unidimensionnel de la zone de réaction d'une détonation a été développé. Ce modèle tient compte de la compétition entre le taux de libération de l'énergie et du taux des pertes causé par la relaxation latérale. Incorporées dans ce modèlent furent des expressions qui décrivent le taux de réaction (basé sur les résultats expérimentaux ci-haut) et les pertes latérales. Ce modèle a démontré qu'une détonation ne pourrait se produire dans une charge dont le diamètre est inférieur à un mètre que si la vitesse de combustion pouvait être considérablement accélérée (par plusieurs ordres de magnitude) par rapport à la vitesse de combustion dans des poudres micrométriques.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.104522 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Jetté, François-Xavier |
| Contributors | Andrew J Higgins (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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