CC BY
15УДК 544.77:532.584.22
ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ
ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ МОДИФИЦИРОВАННЫЙ НАНОАЛЮМИНИЙ
М.В. Комарова, А.Б. Ворожцов, А.Г. Вакутин
Приведены результаты экспериментальных исследований линейной скорости горения металлизированных высокоэнергетических материалов при давлениях 0,1 МПа и 4 МПа, содержащих различные наноразмерные порошки металлов, в том числе модифицированный аминоуксусной кислотой наноалюминий марки «Alex». Предложен метод прогнозирования, основанный на термографических и термогравиметрических измерениях.
Ключевые слова: наноразмерные порошки металлов, высокоэнергетические материалы, скорость горения.
ВВЕДЕНИЕ
Преимущества использования в высокоэнергетических материалах (ВЭМ) наноалю-миния вместо микроалюминия, а именно: увеличение скорости горения [1, 2] и ожидание уменьшения потерь основных энергетических характеристик при применении такого материала в составе высокоэнергетической системы [3] - могут быть сведены не только к нулю, но даже обусловить невозможность его использования.
Дело в том, что наноалюминий, обладая высокой удельной поверхностью, проявляет высокую химическую активность по отношению к другим компонентам энергетической конденсированной системы, что способствует выделению газов и внутри высокоэнергетического материала при его хранении, обуславливая трещинообразование, снижение физико-механических характеристик и несанкционированную поверхность горения при работе в составе ВЭМ. Снижения химической активности нанопорошков металлов можно достичь нанесением защитных слоёв (покрытий) на поверхность наночастиц [4].
Нами в [5, 6] экспериментально исследованы различные приёмы пассивации электровзрывного наноразмерного порошка алюминия с целью выяснения влияния наносимого покрытия на химическую совместимость с полимерным горючим связующим веществом (ГСВ), содержащим активный пластификатор - смесь нитроэфиров с нитроаминами. Показано, что наиболее эффективным способом защиты наноалюминия является обработка стабилизированного воздухом порошка спиртовым раствором аминоуксусной кислоты (глицина; С).
Измерение термодинамических параметров универсальными экспресс-методами оценки быстропротекающих реакций в конденсированных средах: дифференциального термического (ДТА) и термогравиметрического (ТГА) анализов, также показали преимущества Al(G) в энергетических композициях.
Тем не менее, для принятия окончательного решения о возможности применения наноразмерного алюминия в составе высокоэнергетической композиции необходимо не только получить и оценить кинетическую информацию, решить проблемы химической совместимости компонентов и стойкости композиций, но и определить, насколько модификация поверхности глицином влияет на одну из основных характеристик применимости ВЭМ - скорость горения.
В настоящей работе приводятся результаты экспериментального исследования модифицированного аминоуксусной кислотой нанопорошка алюминия марки «Alex», в том числе с добавками других нанометаллов (железа, никеля, цинка и титана).
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ
Скорость горения при давлении 0,1 МПа определяли ионизационным методом, сущность которого заключается в измерении времени прохождения фронтом горения фиксированной базы - участка заряда между двумя и более датчиками. Принцип измерения основан на превращении исходной смеси - диэлектрика в токопроводящую систему -ионизированные продукты горения. Данный метод характеризует высокая точность, он пригоден для определения скорости горения
составов, находящихся в порошкообразном, литом или прессованном виде.
Общая длина базы в экспериментах составляла 12-10"3 м. В заряде прокалывались отверстия для размещения ионизационных датчиков (расстояние от воспламенителя до первого датчика не менее 510-3 м); после этого сборка помещалась на стенд для определения скорости горения, где на заряд устанавливался воспламенитель.
После сжигания образца обработка полученной информации проводилась средствами программного обеспечения цифрового осциллографа. Погрешность измерений составляла < 1 %.
Скорость горения при давлении 4 МПа определяли в приборе постоянного давления в атмосфере азота. Изготовление модельных образцов осуществлялось путём перемешивания нанопорошка со связующим с последующим введением в состав октогена. Изготавливались цилиндрические заряды высотой 20-10"3 м и диаметром 910-3 м, которые помещались в полиэтиленовую оболочку.
Компонентный состав модельных зарядов включал: октоген - 70 % масс., «активное» ГСВ (15 %-ный раствор метилполиви-нилтетразола в эвтектической смеси нитро-эфиров с нитроаминами) - 20 % масс., на-ноалюминий - 10 % масс., либо смесь А1 с другими наноразмерными порошками металлов Ре, Ы1, И, 2п (9 % масс., и 1 % масс. соответственно). Исследовались также аналогичные составы с наноалюминием пассивированным аминоуксусной кислотой А!(С).
В таблице 1 приведены результаты экспериментов. Линейная скорость горения вычислялась по формуле:
U = IabB
(1)
где U - скорость горения, /AB - расстояние между соседними точками базы, тАВ - время прохождения фронтом пламени расстояния между точками А и В. Коэффициент вариации U < 5,3 %.
Для получения кинетической информации проводились термоаналитические исследования (термогравиметрический и дифференциальный термический анализы), указанных выше составов без октогена. Использовался термоанализатор TGA/SDTA 851е «Mettler Toledo». Эксперименты проводились в условиях программируемого линейного нагрева в диапазоне температур от 25 °С до 1200 °С со скоростью нагрева 0,8 Кс-1. Результаты измерений приводились к виду, удобному для интерпретации (программное обеспечение «STARe Software 8.0». Получен-
ные значения параметров Ю (суммарное тепло), Утах (максимальная скорость тепловыделения), Тно (температура начала окисления) перечислены в таблице 2. Коэффициенты вариации: Тно < 0,4 %; Ю, Утах < 5,1 %.
Таблица 1 - Скорость горения составов
U , 10-3м/с
металл 0,1 МПа 4 МПа
AI 0,52 6,91
Al+Fe 0,58 7,02
Al+Zn 0,40 6,60
Al+Ti 0,60 7,13
Al+Ni 0,54 6,91
Al(G) 0,52 6,90
Al(G)+Fe 0,59 7,01
Al(G)+Zn 0,40 6,61
Al(G)+Ti 0,60 7,10
Al(G)+Ni 0,54 6,90
Таблица 2 - Параметры IQ, Vmax композиций
и Tu,
Металл IQ, 104Дж/кг Vmax, 1 1 кДж кг- с- Тно, °С
Al 635,1 23,22 560
Al+Fe 685,3 22,76 560
Al+Zn 535,1 18,03 600
Al+Ti 706,2 20,25 570
Al+Ni 645,6 19,12 580
Al(G) Al(G)+Fe Al(G)+Zn Al(G)+Ti Al(G)+Ni 627,2 620,0 534,7 705,0 650,2 23,30 22,43 17,95 20,50 19,04 560 560 600 570 580
Результаты экспериментов показали, что значения скорости горения для составов с А! и А!(С) практически совпадают (таблица 1). Значения термодинамических параметров Ю, Утах и Тно для всех составов, содержащих А! и А!(С) (таблица 2) отличаются незначительно (0,5-1,5 %).
Показатель степени, рассчитанный согласно степенному закону горения, для составов с А!(С) составил V = 0,70, также как и для состава с А!. Наибольшие отличия получены для композиций с добавками цинка и титана к алюминию (рисунок 1). При добавке Т показатель V = 0,75, В случае 2п V = 0,67.
Количество тепла, образующегося во время разложения и окисления компонентов высокоэнергетического материала, влияет на процесс горения. Рисунки 3 и 4 иллюстрируют изменение скорости горения составов (при давлениях 0,1 МПа и 4 МПа) в зависимости от добавленного к алюминию металла, добавка которого влияет величину параметра Ю (таблица 2).
AB
М.В. КОМАРОВА, А.Б. ВОРОЖЦОВ, А.Г. ВАКУТИН
U, 10"3 м/с 7,2
U, 10"3 м/с
P, МПа
Рисунок 1 - Зависимость U от P составов с Al и Al+Zn
EQ, 104 Дж/кг
Рисунок 3 - Зависимость U от IQ композиций при давлении 4 МПа
Следует заметить: несмотря на то, что скорость горения исследуемых высокоэнергетических материалов зависит от ряда факторов (например, нитроамины имеют более высокую термостабильность и более низкую летучесть по сравнению с нитроэфирами [7], добавка быстрогорящего октогена может снижать скорость горения связующего [8], значимы дисперсность наполнителя и металлического горючего и т.п.), именно параметр Ю (количество тепла, определённое в ходе термографических измерений) имеет наиболее важное значение для изменения параметра и, и может быть использовано для прогнозирования линейной скорости горения таких составов при давлениях 0,1 МПа и 4 МПа (рисунки 2 и 3).
U, 10"3 м/с
0,35 -.-1-.-.-!
520 560 600 640 680 720
EQ, 104 Дж/кг
Рисунок 2 - Зависимость U от IQ композиций при давлении 0,1 МПа
В целом составы с Al(G) горят также активно, как составы с непокрытым Al, при этом, химическая совместимость с другими компонентами ВЭМ значительно лучше и сопоставима с микронными порошками алюминия «АСД» [5] (объём газообразных продуктов, определявшийся по стандартной ам-пульно-хроматографической методике составил для Al(G) - 0,01 см3/г, Al - 0,26 см3/г, «АСД» - 0,04 см3/г).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Экспериментально исследованы скорости горения ВЭМ, содержащих наноразмерные порошки металлов, в том числе и стабилизированный аминоуксусной кислотой алюминий « Alex ».
Показано, что пассивация наноалюми-ния глицином не только обеспечивает его химическую совместимость с другими компонентами высокоэнергетического материала и последующую химическую стойкость, но и не влияет на основную интегральную характеристику горения, что открывает возможности использования такого наноалюминия в качестве топлива в высокоэнергетических композициях для применения в газогенераторах и космических двигателях [9].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сакович, Г. В. Исследования процессов горения ВЭМ с нанопорошками алюминия / Г. В. Сакович,
B. А. Архипов, А. Б. Ворожцов, С. С. Бондарчук и др. // Российские нанотехнологии. - 2010. - Т. 5., № 1-2. -
C. 89-101.
2. Комарова, М. В. Процессы, протекающие в высокоэнергетических системах, содержащих наноразмерные порошки металлов / М. В. Комарова,
В. Ф. Комаров, А. Б. Ворожцов. // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2011. - Т. 54, № 12,
- С. 107-111.
3. Bondarchuk, S. S. Analysis of Multidimensional and Two-phase Flows in Solid Rocket Motors / S. S. Bondarchuk, A. B. Vorozhtsov, E. A. Kozlov, Yu. V Feshchenko // Journal of Propulsion and Power.
- 1995. - V. 11, № 4. - P. 593-599.
4. Лернер, М. И. Пассивация наноразмерного порошка алюминия для применения в высокоэнергетических материалах / М. И. Лернер, Е. А. Глазков, А. Б. Ворожцов, Н. Г. Родкевич и др. // Химическая физика. - 2015. - Т. 34, № 1. - С. 46.
5. Komarov, V. F. Processes Proceeding High-Energy Systems comprising Nanodimensional Alminum and other Nanometals / V. F. Komarov, M. V. Komarova, A. B. Vorozhtsov, M. I. Lerner et al. // Russian Physics Journal. - 2013. - V. 55, № 4. - P. 365-369.
6. Komarov, V. F. Stabilizing Coatings for Nanodi-mensional Aluminum / V. F. Komarov, M. V. Komarova, A. B. Vorozhtsov, M. I. Lerner // Russian Physics Journal.
- 2013. - V. 55, № 10. - P. 1117-1122.
7. Синдицкий, В. П. Механизм горения нитро-эфирных связующих с нитроаминами / В. П. Синдицкий, В. Ю. Егоршев, М. В. Березин, В. В. Се-рушкин и др. // Физика горения и взрыва. - 2012. -Т. 48, № 2. - С. 45-59.
8. Zenin, A. A. Combustion Mechanisms of New Polymer/Oxidizer Compositions / A. A. Zenin, S. V. Fin-jakov // Proc. 34ht Inter. Annual Conf. ICT, Karlsruhe, FRG. - 2003. - P. 54-112.
9. Vorozhtsov, A. Mathematical Simulation of Airbag Inflation by Low Temperature Gas Generator Products / A. Vorozhtsov, S. Bondarchuk, A. Salko, O. Kondratova // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. - 2000. - V. 25, № 5. - P. 220-223.
Комарова М.В., м.н.с. ИПХЭТ СО РАН, тел: (3854)305971, e-mail: [email protected].
Ворожцов А.Б., д.ф.-м.н., профессор, зам. директора по НР ИПХЭТ СО РАН.
Вакутин А.Г., м.н.с. ИПХЭТ СО РАН, e-mail: [email protected].
