CC BY
85
УДК 662.352:662.311.11
Шведова А.В., Крутилин А.В., Сизов В.А., Денисюк А.П.
ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГОРЕНИЯ БАЛЛИСТИТНЫХ ПОРОХОВ
Шведова Анна Владимировна, студентка 5 курса инженерного химико-технологического факультета; Крутилин Александр Владимирович, студент 5 курса инженерного химико-технологического факультета; Сизов Владимир Александрович, аспирант, ассистент кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений, e-mail: [email protected];
Денисюк Анатолий Петрович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой химии и технологии высокомолекулярных соединений.
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Изучено влияние различных углеродных материалов на скорость горения порохов различного состава и калорийности, а также на характеристики зон волны горения низкокалорийного пороха (р = 1 МПа). Показано, что с ростом калорийности эффективность действия добавок снижается. Ввод 1,5% сажи и углеродных нанотрубок приводит к повышению температуры поверхности и температуры горения низкокалорийного пороха. УНТ также значительно увеличивают температурный градиент вблизи поверхности горения.
Ключевые слова: порох, скорость горения, углеродные материалы, углеродные нанотрубки, температурный профиль.
INFLUENCE OF THE CARBON MATERIALS ON THE COMBUSTION PROPERTIES OF THE PROPELLANTS
Shvedova A.V., Krutilin A.V., Sizov V.A., Denisyuk A.P.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Influence of carbon materials on the burning rate of the propellants of various composition and caloricity was studied, as well as on the temperature distribution of the propellant (p = 1 MPa) with and without carbon materials. It was shown that with increase of caloricity efficiency of additives is getting lower. Addition of 1,5% of carbon black and carbon nanotubes leads to increase of surface temperature and maximum temperature. CNT also increase temperature gradient near the surface.
Keywords: propellant, burning rate, carbon materials, carbon nanotubes, temperature distribution.
В [1] изучено влияние высокодисперсной сажи (КГО-250) на скорость и параметры волны горения высокотемпературного пороха = 5619 кДж/кг). Показано, что сажа в зависимости от её количества в порохе и давления, при котором происходит горение, может как увеличивать скорость горения (на 10-20% при 0,1-1,5% сажи), так и уменьшать её (на ~20% при 5% сажи). Установлено, что 1,5% сажи оказывают существенное и сложное влияние на температурный профиль в газовой зоне, вероятно, за счет катализа экзотермических реакций с участием N0 и за счет эндотермического взаимодействия с С02 и Н20. При горении пороха над реакционным слоем к-фазы формируется слой сажи, температура верхней границы которого на ~50-80 К выше температуры реакционного слоя к-фазы. Углеродные нанотрубки (УНТ), представляющие собой протяженные квазиодномерные
наномасштабные нитевидные образования поликристаллического графита цилиндрической формы с внутренним каналом, состоящие из одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных (геометрически похожих на пчелиные соты) графитовых плоскостей [3], обладают высокой теплопроводностью (для некоторых углеродных нанотрубок [3] в ~ 6000 раз больше, чем у сажи). В
работе [4] было исследовано влияние углеродных материалов, на горение низкокалорийного пороха (0ж = 5619 кДж/кг). Так, 1,5% УНТ в индивидуальном виде значительно увеличивает скорость горения, в 2,5 раза при давлении 0,5 МПа и в 1,2 раза при давлении
10 МПа, снижая также показатель степени V до 0,68. Сажа (УМ-76) оказывает значительно меньшее влияние, чем УНТ, увеличивая скорость горения в 1,8 раза при давлении 0,5 МПа, и не оказывая влияния при давлении 10 МПа.
Целью данной работы явилось изучение влияние различных углеродных материалов на скорость горения порохов различного состава и энергетики, а также экспериментальное подтверждение
предположения, выдвинутого в [4], что УНТ не только формирует сажистый каркас, но и интенсивно реагирует с N0, повышая градиент температуры зоны над поверхностью горения, и тем самым увеличивая количество тепла, поступающего в к-фазу. Отметим, что для порохов средней и повышенной калорийности N0 реагирует в зоне вторичного пламени далеко от поверхности и почти не влияет на скорость горения.
Объектами исследования выступили два пороха - низкокалорийный порох = 2518 кДж/кг)
состава 57% НЦ (12% N), 18% НГЦ, 16% ДНТ, 6% ДБФ, 2% централита и 1% индустриального масла, и высококалорийный порох (Qx = 5218 кДж/кг) состава 49% НЦ, 49% НГЦ, 1% дифениламина и 1 % индустриального масла. В качестве углеродных материалов представлены - сажа УМ-76, углеродные нанотрубки производства Bayer (УНТ), производства ООО «Нанотехцентр» (г. Тамбов) «Таунит-М» (Т-М) и «Таунит-МД» (Т-МД), графен (ООО «Нанотехцентр») а также астралены, представляющие собой многослойные
полиэдральные углеродные наночастицы (содержащие 99,99% углерода) фуллероидного типа (НТЦ Прикладных Нанотехнологий). Образцы порохов получали в лабораторных условиях, углеродные материалы в количестве 1,5% вводили в порох сверх 100%. Скорость горения порохов определяли на бронированных образцах диаметром 7 мм и высотой ~15 мм в приборе постоянного давления (ППД) в атмосфере азота с регистрацией времени горения датчиком давления. Точность определения скорости горения ±2%. Эффективность действия добавок на скорость горения оценивали величиной Z - отношением скорости горения образца с катализатором к скорости горения пороха без них. Результаты по влиянию углеродных материалов на низкокалорийный порох представлены в табл. 1.
Таблица 1 - Параметры горения низкокалорийного
Добавка Закон скорости горения U = Bpv (Ар = 0,5-15 МПа) Z0,5 Z2 Z10
B, [мм/(с-МПа)1 v
Без добавок 1,03 0,83 - - -
1,5% Астралены 1,06 0,92 1,0 1,1 1,3
1,5% УМ-76 1,19 0,76 1,2 1,1 1,0
1,5% УНТ 1,64 0,68 1,7 1,4 1,1
1,5% Т-М 1,93 0,57 2,2 1,6 1,0
1,5% Т-МД 1,99 0,60 2,2 1,7 1,1
1,5% Графен 1,98 0,61 2,2 1,7 1,2
Среди углеродных материалов наибольшее влияние на скорость горения оказывают Т-МД и графен, которые увеличивают скорость горения в 2,2 раза при давлении 0,5 МПа и в 1,7 раза при давлении 2 МПа, влияние УНТ Bayer и Т-М очень близко (в 1,4 и 1,6 раза при давлении 2 МПа), наименьшее влияние в области низкого давления оказывают сажа УМ-76 и астралены. Для всех углеродных материалов, кроме астралена, эффективность действия добавки падает с ростом давления, что и приводит к уменьшению показателя степени v в
законе горения. При вводе 1,5% астраленов показатель V увеличивается от 0,83 до 0,92.
Результаты по влиянию углеродных материалов на скорость горения высококалорийного пороха представлены в табл. 2.
Таблица 2 - Параметры горения высококалорийного
Добавка Закон скорости горения U = Bpv (Ар = 1-18 МПа) Z2 Z10
B, [мм/(с-МПа)] v
Без добавок 3,03 0,76 - -
1,5% Т-М 3,15 0,78 1,1 1,1
1,5% УМ-76 3,71 0,70 1,2 1,1
1,5% УНТ 4,63 0,63 1,4 1,2
1,5% Т-МД 6,16 0,58 1,8 1,4
Наибольшее влияние на скорость горения оказывают углеродные нанотрубки Т-МД, которые увеличивают скорость горения в 1,8 раза при давлении 2 МПа и в 1,4 раза при давлении 10 МПа. Значение V снижается с 0,76 до 0,58. Ввод 1,5% Т-М и УМ-76 не оказывает влияния на скорость горения пороха.С ростом давления эффективность действия всех углеродных материалов снижается.
Температурный профиль при горении образцов низкокалорийного пороха без добавок и с добавлением 1,5% УМ-76 и УНТ определяли по методике [5] с помощью вольфрам-рениевых термопар толщиной ~5 мкм. За температуру поверхности горения (Тп) принимали резкий перегиб на осциллограмме температуры (Т) время, соответствующий выходу спая термопары из к-фазы в газовую зону (рис. 1).
Т, К 1 3
f xj \ /
/
j"
Г" 1
х, мм
-0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Рисунок 1 - Температурные профили в волне горения образцов низкокалорийного пороха с различными углеродными материалами при р = 1 МПа: 1 - без добавок, 2 - 1,5% УМ-76; 3 - 1,5% УНТ.
Основные результаты обработки осциллограмм представлены в табл. 3.
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
Добавка U1, мм/с * Т Тп, K Ф1*10-4, K/см Tmax (ТгХ K Трасч, К
K li, мм
Без добавок 1,0 399 0,06 581 3,9 1656 ~ 1200
1,5% УМ-76 1,2 414 0,07 623 3,0 1538 ~ 1500
1,5% УНТ 1,6 416 0,03 628 11,2 1538 ~ 1500
Для образца без добавок максимальная температура достигается на расстоянии ~ 0,3 мм и составляет всего ~ 1200 К, оставаясь постоянной, что значительно ниже расчётной температуры (1656 К). Это связано с тем, что горение остановилось в тёмной зоне, т.е. вторичное пламя, в котором выделяется около половины от всей энергии пороха [6], не образуется, следовательно, происходит неполное горение. Это характерно для большинства порохов различного состава, не содержащих катализаторов горения.
Углеродные материалы значительно изменяют параметры волны горения: температура поверхности увеличивается на 42-47 К, максимальная температура горения порохов с 1,5% углеродных материалов составляет ~ 1500 К, что близко к расчетной температуре (1538 К), и достигается на одинаковом расстоянии от поверхности (~ 0,6 мм). При этом для образца с 1,5% УНТ резко увеличивается температурный градиент, который в 3-4 раза больше, чем для образца с 1,5% УМ-76 и без добавок. За счет своей высокой теплопроводности УНТ увеличивают поток тепла из газовой зоны в к-фазу, что и приводит к значительному росту скорости горения.
Список литературы
1. Е Зо Тве, Денисюк А.П., Сизов В.А. Влияние сажи на скорость и параметры волны горения высококалорийного пороха // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т.16, №8. С. 100-105.
2. Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены. - М.: Университетская книга, 2006. - 376 с.
3. Nan C. W., Shi Z., Lin Y. A simple model for thermal conductivity of carbon nanotube-based composites // Chemical Physics Letters. 2003. Vol. 375. Р. 666-669.
4. Киричко В.А., Сизов В.А., Денисюк А.П. Влияние углеродных нанотрубок на эффективность действия катализаторов горения низкокалорийного пороха // Успехи в химии и химической технологии 2016. T.XXX. №8. -С.16-20
5. Зенин, А.А. Изучение распределений температуры при горении конденсированных веществ: дис. ... канд. физ.-мат. наук - М.: ИХФ АН СССР. 1962. - 164 с.
6. Денисюк А.П., Шепелев Ю.Г. Определение баллистических характеристик и параметров горения порохов и ТРТ. - М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2009. - 136 с.
