Направления модификации компонентов для пиротехнических малогазовых составов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология» Направления модификации компонентов для пиротехнических малогазовых составов
Д.т.н. проф. Романов П. С. 1, д.т.н. доц. Бурдикова Т. В. 2, д.т.н. проф. Павловец Г. Я., д.т.н. проф. Мелешко В. Ю., 3 к.т.н. Романова И. П., Тихомирова М. А.
1 Университет машиностроения, Коломенский институт (филиал)
8−916−584−91−65, romanov_p_s@mail. ru 2Казанский национальный исследовательский технологический университет
8−927−419−92−25, burdickova@yandex. ru 3Военная академия РВСН имени Петра Великого 8−926−792−43−39, irom84@mail. ru
Аннотация. В статье рассмотрены возможности применения ультра- и нано-дисперсных металлических горючих, окислителей и модификаторов горения для улучшения характеристик горения и эксплуатационных параметров пиротехнических малогазовых составов. Исследована зависимость характеристик горения пиротехнического элемента от природы и содержания ультра- и наноразмерных порошков алюминия, бора, оксидов железа и меди, полученных методом электродуговой плазменной переконденсации.
Ключевые слова: пиротехнические малогазовые составы, ультра- и нано-дисперсные металлические горючие, окислители и модификаторы горения
Введение
Пиротехнические малогазовые составы (ПМС) находят применение в самых различных областях науки и техники [1]. Генерирование энергии в таких источниках происходит при горении пиротехнического заряда специальной рецептуры, отдельные части которого выполняют функции анода, катода и электролита.
Принципиальными достоинствами ПМС являются способность одновременной работы в огневых и электрических цепях, возможность изготовления образцов любой геометрической формы, универсальность задействования, малое время активации, что придает таким системам принципиально новые, более качественные и широкие возможности.
Развитие и совершенствование областей применения требуют расширения пределов регулирования основных характеристик ПМС (напряжение, сила тока, время работы в оптимальном режиме, время выхода на режим) до уровней, обеспечивающих требования к элементам перспективных образцов систем двойного назначения.
Постановка задачи
Уровень характеристик большинства пиротехнических составов (ПС), в том числе и малогазовых ПС, определяется природой, соотношением и дисперсностью компонентов. Горение малогазовых ПС проходит в конденсированной фазе, на поверхности металлического горючего, следовательно, физико-химические свойства поверхности частиц металлов оказывают существенное влияние на горение ПС.
Проведенными расчетами и экспериментами показано, что характеристики горения и эксплуатационные параметры ПМС могут быть существенно улучшены за счет совершенствования рецептур пирозарядов-электродов, применения новых и модифицированных компонентов, включая ультра- и нанодисперсные металлические горючие, окислители и модификаторы горения. Ранее реализация указанных направлений совершенствования ПМС сдерживалась практически отсутствием теоретических и экспериментальных данных о влиянии природы, содержания, дисперсности и способов модификации основных компонентов на закономерности малогазового горения пиротехнических элементов для источников тока.
Результаты
Тонкослойные анодные и катодные пиротехнические заряды на основе циркония имеют высокую надежность воспламенения, безотказность действия, устойчиво горят при раз-
Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология»
личных внешних условиях [2]. Однако цирконий является дефицитным, дорогим и пирофорным металлом. Проведенными исследованиями показана возможность модификации циркония и снижения его содержания в составах ПМС за счет более дешевого и доступного титана [3, 4]. При этом модификация порошков титана нанопокрытиями на основе никеля и меди (1 — 2%) приводит к увеличению электрических характеристик в 1,1 — 1,2 раза, времени работы в 1,4 — 1,6 раза по сравнению с элементарной ячейкой на основе исходного титана.
Применительно к металлическим горючим, окисление, воспламенение и горение которых протекают в конденсированной фазе, перспективным методом изменения реакционной способности порошкообразных веществ является модифицирование поверхности частиц добавками различной природы. Цирконий, титан и их оксиды имеют высокие температуры кипения, поэтому их горение и предшествующие ему стадии окисления и воспламенения проходят на поверхности.
Используя данные об электрохимических свойствах циркония, титана и ряда металлов, имеющих переменную валентность, нами были получены покрытия на основе железа, меди, никеля. Основное назначение этих покрытий — изменение полноты окисления при низкотемпературном окислении, увеличение теплопроводности поверхностного слоя, снижение коэффициента трения, влияние на процесс разложения окислителя и полноту окисления рассматриваемых металлических порошков.
Учитывая химические свойства циркония, титана и их оксидов, а также свойства тех солей, которые можно получить на поверхности частиц циркония, мы выбрали оксигидрат-ные покрытия, которые могут образовываться при обработке порошка циркония и титана в растворах фторидов аммония при комнатной температуре.
Проведенные исследования показали, что окисление модифицированных порошков циркония происходит по параболическому закону. При этом обработка порошков циркония во фторидно-фосфатных растворах (содержание фосфора в покрытии 0,1%), а также использование металлических покрытий на основе меди (1,0 — 2,3%), железа (1,0 — 2,0%) и никеля (1,1 — 2,1%) приводит к снижению степени их окисления в 1,5 — 2,6 раза по сравнению с исходным порошком при температуре 670 К, причем никелевое покрытие в большей степени защищает поверхность циркония от окисления (см. таблицу 1).
Таблица 1
Влияние природы и содержания модифицирующей добавки на изменение массы порошков циркония при окислении
Добавки на Содержание Изменение массы циркония, %
основе добавки, % 700 К 800 К 900 К 1000 К 1100 К
исходный — 8 20 25 27 28
никеля 2,3 5 12 20 25 27
фосфора 0,1 4 10 18 22 25
Исследования процесса окисления модифицированных порошков циркония методом дифференциально-термического анализа при температурах до 1100 К показали, что модифицированные порошки циркония в меньшей степени окисляются до температуры 1000 К. Заметное окисление исходного кальциетермического порошка циркония начинается при температуре 570 К, интенсивно процесс проходит при температуре 690 — 700 К и заканчивается при температуре 1100 К. Температура начала окисления модифицированных порошков циркония на 20 — 60 градусов выше, чем у исходного циркония, причем порошок циркония, содержащий фторидно-фосфатное покрытие, начинает окисляться при более высокой температуре, чем порошки циркония, покрытые никелем.
Таким образом, исследования по влиянию природы, содержания и способа введения модифицирующих добавок на полноту окисления порошков циркония, энергию активации их окисления показали, что металлические и фторидно-фосфатные покрытия выполняют
Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология» функции термодиффузионного барьера на пути проникновения атомов кислорода через оксидную пленку металла.
Природа и содержание легирующих добавок оказывают существенное влияние на кинетику окисления титана. Рентгеноструктурным анализом установлено, что при содержании до 55% никеля в сплаве с титаном продукт окисления представляет собой рутил, т. е. минерал, кристаллическая решетка которого образована ионами кислорода и четырехвалентными ионами титана и который является полупроводником п-типа с избытком электронов. Никель, имея меньшую валентность, чем титан, ухудшает защитные свойства оксидной пленки и тем самым резко увеличивает воспламеняемость титана, хотя сам в условиях проведенных экспериментов не воспламеняется.
Степень окисления титана, модифицированного никелем химическим способом, в 1,3 — 2,0 раза выше по сравнению с не модифицированным порошком. При этом температура начала заметного окисления снижается на 50 — 100 К, а с увеличением содержания никеля до 6 — 8% - на 200 К, а энергия активации процесса окисления порошков титана, содержащих никель, снижается в 1,1 — 1,3 раза по сравнению с исходным в зависимости от способа введения модифицирующей добавки. Энергия активации процесса окисления порошков титана, обработанных фосфатами металлов, увеличивается в 1,2 — 1,3 раза по сравнению с исходным образцом.
Исследована зависимость характеристик горения (напряжения, силы тока, временных характеристик и скорости горения) пиротехнического элемента от природы и содержания ультра- и наноразмерных компонентов — порошков алюминия, бора, оксидов железа и меди, полученных методом электродуговой плазменной переконденсации. Данный способ обеспечивает возможность получения ультра- и нанодиспесных металлических порошков, их сплавов и оксидов в виде частиц с узкофракционным распределением по дисперсности, удельной поверхностью 5 — 100 м2/г и содержанием активных металлов в порошке не менее 95%.
Установлено, что при горении пиротехнических элементов, содержащих ультра- и наноразмерные компоненты, электрические характеристики увеличились в 1,2 — 1,3, а время работы снизилось в 1,3 — 1,5 раза. Эффективное влияние ультрадисперсного алюминия и наноразмерного оксида меди на характеристики горения элементов для ПМС объясняется увеличением поверхности контакта между частицами окислителя и горючего, что приводит к увеличению скорости окислительно-восстановительных реакций в пределах к-фазы и, как следствие, к росту электрических характеристик горения и скорости нарастания напряжения. К аналогичным эффектам приводит использование наноразмерного оксида железа (III) совместно с пероксидом бария и наноразмерного аморфного бора.
Одним из эффективных способов модификации поверхности материалов твердых тел различной природы является низкотемпературная плазменная обработка[5, 6]. Установлено, что обработка порошков циркония и титана низкотемпературной плазмой приводит к изменению свойств поверхности металлов, что связано с внедрением атомов плазмообразующего газа. При горении пиротехнических элементов, содержащих порошки титана и циркония, обработанных плазмой в среде аргона, получено, что напряжение и сила тока увеличиваются в 1,2 — 1,3 раза по сравнению с исходным элементом. Использование в качестве плазмообра-зующего газа смеси аргон-пропан приводит к насыщению поверхности частиц титана углеродом, водородом, в процессе нагревания образуются наноструктурные карбиды — термостойкие соединения, обладающие хорошей электропроводимостью.
Заключение
В результате проведенных исследований показано, что использование нанотехнологий при модификации циркония и титана для ПМС, а также применение нанодисперсных порошков алюминия, бора, оксидов меди и железа позволяет формировать пиротехнические элементы, не уступающие по электрическим характеристикам штатному элементу на основе циркония.
Серия «Химическое машиностроение и инженерная экология»
Установлено, что направленное изменение поверхностных свойств порошков циркония и титана модификацией их поверхности, в том числе обработка порошков титана низкотемпературной плазмой, позволяет увеличивать в 1,2 — 1,4 раза силу тока и напряжение тонкослойных элементов на их основе, регулировать время работы в оптимальном режиме и ряд других характеристик горения.
Впервые показано, что использование ультра и наноразмерных порошков алюминия, бора, оксидов меди и железа в тонкослойных элементах для ПМС увеличивает напряжение и силу тока в 1,2 — 1,6 раза, скорость горения и нарастания напряжения в 2,3 — 2,8 раза по сравнению с элементом на основе исходных компонентов.
Литература
1. Демяненко Д. Б., Дударев А. С. Пиротехнические генераторы электрического тока в автоматизированных системах управления и аварийной защиты// Современные проблемы пиротехники: Материалы 2-ой Всеросс. конф., С. Посад, 2003. -с. 56 — 57.
2. Коробков А. М., Бурдикова Т. В., Просянюк В. В., Евсюкова О. В. Влияние содержания циркония на характеристики пиротехнических источников тока// Современные проблемы технической химии: Матер. докл. науч. -техн. конф. /КГТУ, Казань 2003.- с. 312 — 313.
3. Бурдикова Т. В., А. М. Коробков и др., Резервные источники электрического тока на основе модифицированных металлов // Вестник Казан. технол. ун-та. -Казань, 2008. № 11 — 12. с. 266 — 275.
4. Бурдикова Т. В., Павловец Г. Я., Бабушкина О. В. Разработка электродных составов для пиротехнических источников тока на основе модифицированных компонентов // В Сб. тезисов докладов НТК «Байкальские чтения: наноструктурированные системы и актуальные проблемы механики сплошной среды». -Ижевск, ИПМ УрО РАН, 2010. с. 65 — 68.
5 Абдуллин И. Ш., Желтухин В. С. Применение ВЧ плазмы пониженного давления для газонасыщения поверхности металлов //Вестник Казанского технологического университета, Казань, 2003, № 1. С. 172−179. 6. Абдуллин И. Ш., Желтухин В. С., Сагбиев И. Р., Шаехов М. Ф. Модификация нанослоев в высокочастотной плазме пониженного давления. -Казань: Изд-во Казан. технол. ун-та, 2007. -356 с.
Методика определения массовой доли активного вещества в ультра- и нанодисперсных металлических горючих методом калориметрии сжигания
Д.т.н. проф. Романов П. С. 1, д.т.н. проф. Павловец Г. Я. 2, д.т.н., проф. Мелешко В. Ю. 2,
2 2 2 2 к.т.н. Романова И. П., к.х.н. Златкина В. Л., Куликова Т. Л., Михайловская Л. А.
1 Университет машиностроения, Коломенский институт (филиал)
8−916−584−91−65, romanov_p_s@mail. ru 2Военная академия РВСН имени Петра Великого 8−926−792−43−39, irom84@mail. ru
Аннотация. В статье рассмотрена возможность применения метода калориметрии сжигания для определения массовой доли основного вещества в металлическом горючем и указаны недостатки методов, установленных нормативной документацией. Отработана методика подготовки проб, проведения эксперимента и математической обработки результатов измерений. Работоспособность указанной методики подтверждена экспериментальными результатами анализа ультра- и нанодисперсных металлических горючих.
Ключевые слова: ультра- и нанодисперсные металлические горючие, диагностика, массовая доля активного вещества, калориметрия сжигания

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой