Способ приготовления пиротехнического состава - RU2146237C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано в технологии приготовления малогазовых пиротехнических составов (ПТС), которые могут быть применены для пиротехнических замедлителей и нагревательных изделий.

Известен способ приготовления пиротехнических полидисперсных смесей на основе NH₄ClO₄, заключающийся в обычном смешении компонентов [1], где окислитель взят в виде смеси двух (или нескольких) фракций, существенно отличающихся друг от друга по дисперсности. Данный способ позволяет путем изменения дисперсности компонентов и соотношения между крупной и мелкой фракцией, влиять на скорость горения без изменения состава смеси, а, следовательно, и без изменения калорийности состава. Таким образом, энергетика состава сохраняется постоянной, газовыделение также существенно не изменяется.

Известен способ приготовления пиротехнических составов (обычное смешение компонентов) на основе системы титан - бор (66,7 мас.% Ti; 33,3 мас.% В), где размер частиц используемого металла меняется в пределах от 10 мкм до 550 мкм [2] . Газовыделение составов, приготовленных таким способом (при использовании одной партии титана), постоянно и не зависит от размера частиц металла. Само значение удельного газовыделения достаточно высоко и составляет 30-40 см³/г смеси. Кроме того, приготовленные составы характеризуются некоторым удлинением сгоревших образцов при использовании мелких фракций титана (<100 мкм), что негативно сказывается на их применении в конструкциях, требующих сохранения первоначальных размеров образца.

Наиболее близким техническим решением к заявленному является способ приготовления пиротехнического состава [3], заключающийся в перемешивании порошков бора и металла, выбранного из группы, включающей Ti, V, Zr, Nb, Hf, Ta. Указанные компоненты предварительно перемешивают в стехиометрическом соотношении, а затем дополнительно вводят металл, выбранный из группы, включающей Al, Li, Mg, Na, K и др. Причем размер частиц добавки металла больше, чем размер частиц металла в стехиометрической смеси.

Практика использования составов, приготовленных таким способом, показывает, что ввиду высоких температур, развиваемых в процессе горения при взаимодействии переходных металлов с бором, газовыделение таких высококалорийных составов достаточно большое. Их применение в герметичных конструкциях создает избыточное давление, способное негативно повлиять на работоспособность изделия и его выходные характеристики.

Задачей изобретения является уменьшение газовыделения высококалорийных пиротехнических составов на основе системы: бор - избыток металла побочной подгруппы IV и V групп Периодической системы.

Использование предлагаемого способа приготовления пиротехнического состава обеспечивает следующий технический результат:
У приготовленного таким способом состава Ti + 0,7В, газовыделение составляет 3,4-1,0 см³/г смеси (первое значение - газовыделение, соответствующее максимальному давлению выделяющихся газов, второе значение - газовыделение, соответствующее давлению газов после прошедшего газопоглощения продуктами горения и естественного охлаждения образца до комнатной температуры), что почти в 4 раза меньше, чем у состава Ti, Al, приготовленного по способу-прототипу;
Возможность изменения энергетических параметров приготовленного состава без изменения соотношения исходных компонентов;
Увеличен круг использования различных ПТС, ранее не применяемых из-за достаточно большого газовыделения.

Для решения указанной задачи в известном способе приготовления пиротехнического состава, заключающемся в предварительном перемешивании в стехиометрическом соотношении порошков бора и металла, выбранного из побочной подгруппы IV и V групп Периодической системы, и дополнительном перемешивании с добавкой металла с размером частиц больше, чем размер частиц металла в стехиометрической смеси, согласно изобретению в качестве добавки вводят тот же металл, что и в стехиометрическую смесь.

Предварительное перемешивание компонентов в стехиометрическом соотношении необходимо для того, чтобы достичь их равномерного распределения, не нарушая стехиометрии между горючим и окислителем, во всем объеме смеси. В результате перемешивания частицы окислителя вбиваются в более пластичные частицы горючего (металла), в случае, когда размеры частиц окислителя намного меньше размеров частиц горючего, либо они обволакиваются пластичным горючим, когда их размер больше размеров частиц горючего. Кроме того, показано, что в результате длительного перемешивания происходит слипание частиц, следствием чего является образование крупных агломератов стехиометрического состава (1-2 мм). Таким образом, при перемешивании приготовленной смеси с крупнодисперсной добавкой, представляющей собой тот же металл, что и в стехиометрической смеси, реализуется разделение частиц окислителя от частиц крупнодисперсного металла. Дополнительное перемешивание необходимо для равномерного распределения крупнодисперсного горючего в объеме смеси. В результате использования такого способа приготовления смеси с избытком полидисперсного горючего и реализации процесса горения возникает кинетическое торможение при взаимодействии окислителя и крупнодисперсной фракции добавки металла, причем оно усиливается по мере увеличения ее дисперсности. Таким образом, приведенный способ приготовления пиротехнического состава с избытком металла позволяет, в отличие от известного способа, влиять на соотношение основных продуктов (моно и диборидных фаз), и тем самым, изменяя долю свободного металла в конечном продукте (табл. 1), изменять количество сорбируемых газов. Увеличение размеров частиц добавки металла при двухстадийном перемешивании позволяет увеличивать отношение (мольное) диборидной фазы, при ее образовании, к моноборидной, в результате увеличивается доля свободного металла и количество поглощаемых газов за счет физической и в особенности химической сорбции. Кроме того, увеличение доли свободного металла ведет к понижению температуры горения, что в свою очередь уменьшает количество выделяемых газовых примесей. Следует отметить, что варьирование в некоторых пределах соотношения получаемых продуктов становится возможным без изменения соотношения исходных компонентов, что важно при необходимости изменения газовыделения и калорийности состава определенной рецептуры.

Предлагаемый способ приготовления пиротехнического состава с избытком металла в системе бор - металл побочной подгруппы IV, V групп Периодической системы реализован следующим образом. Исходные компоненты брались в стехиометрическом соотношении - горючее : окислитель = 1 : 2. При этом горючее использовалось в виде мелкой фракции (^*60 мкм). Компоненты перемешивались в шаровой мельнице. Затем, в стехиометрическую смесь дополнительно вводили избыток того же металла, но более крупной фракции до соотношения - горючее : окислитель = 1 : 0,7. Размер частиц добавки составлял 100-300 мкм. С целью достижения равномерности распределения добавки металла производили дополнительное перемешивание компонентов. В табл. 2 приведен пример конкретного выполнения (опыт 22) и достигаемый при этом результат.

В табл. 1 приведены возможные химические реакции для пиротехнического состава Me + 0,7В при изменении доли x образующейся диборидной фазы (крайний случай с x=0,35 практически не реализуется). Как видно из табл. 1, с изменением x, при неизменном соотношении исходных компонентов претерпевает изменение и калорийность состава, и адиабатическая температура горения. Причем изменение энергетических параметров (калорийность, температура горения) при изменении x не столь существенно, как изменение доли свободного металла в конечном продукте (табл. 1). Так, в случае Me = Ti, Zr (табл. 1), при изменении x от 0 до 3,5 температура меняется всего на 450-500 градусов, доля же свободного металла в конечном продукте изменяется более чем в 2 раза. Данный эффект может быть использован при создании высококалорийных и малогазовых составов. При использовании ПТС Ti + 0,7В, приготовленного по предложенному способу (табл. 2, оп. 22), согласно данным рентгенофазового анализа, образуется диборидная фаза, причем мольное соотношение TiB/TiB<₂ 1. В итоге увеличена доля свободного титана, способного при высоких температурах быть эффективным геттером газовой среды (табл. 1).

В составе прототипа добавка металла, например алюминия (табл. 2, оп. 12), не выполняет функцию поглотителя, как в составе, приготовленном по предложенному способу. Для анализа также был приготовлен ПТС, имеющий полидисперсный состав титана (табл. 2, оп. 14). Согласно проведенному рентгенофазовому анализу продуктов реакции, при его горении также образуется диборидная фаза. Однако, в данном случае, мольное соотношение (TiB/TiB>) из оп. 14 больше (TiB/TiB₂) из оп 22, т. е. количество свободного титана в конечном продукте опыта 22 больше, чем в опыте 14. В результате этого и количество сорбируемых газов в опыте 22 также больше (табл. 2, оп. 14, 22).

Таким образом, использование предлагаемого способа приготовления пиротехнического состава обеспечивает по сравнению с известными способами:
возможность увеличения доли диборидной фазы в конечном продукте x(MeB₂), и как следствие увеличение доли свободного металла и количества сорбируемых газов;
возможность изменения энергетических параметров приготовленного состава без изменения соотношения исходных компонентов;
создание высококалорийных и малогазовых составов;
Возможность использования различных ПТС, ранее не применяемых из-за достаточно большого газовыделения.

Источники информации
1. Бахман Н.Н., Беляев А.Ф. Горение гетерогенных конденсированных систем. М.: 1967, с. 142-144.

2. Вершинников В.И., Филоненко А.К. - Физика горения и взрыва, 1978, N 5, с. 42-47.

3. PCT, WO 92/03394, 05.03.92, C 06 B 33/00.

Реферат

Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано в технологии приготовления малогазовых пиротехнических составов, которые могут быть применены для пиротехнических замедлителей и нагревательных изделий. Предлагаемый способ позволяет изменить энергетические параметры ПТС без изменения соотношения исходных компонентов и увеличить круг использования различных ПТС без изменения соотношения исходных компонентов и увеличить круг использования различных ПТС. Способ заключается в перемешивании порошков бора и металла побочной подгруппы IV и V групп Периодической системы в стехиометрическом соотношении с последующим добавлением избытка металла и дополнительным перемешиванием, причем размер частиц добавки металла больше, чем размер частиц в стехиометрической смеси. 2 табл.

Формула