Состав термитного топлива


 


Владельцы патента RU 2418779:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет (RU)

Изобретение относится к малой теплоэнергетике, в частности к составам термитного топлива, способным при инициировании претерпевать химические превращения с выделением большого количества тепла, преимущественно к таким составам, которые не детонируют и в которых окислительно-восстановительные реакции идут в воздухе в режиме горения без участия специального окислителя и без образования жидкой фазы. Технической задачей изобретения является повышение удельного тепловыделения термитного топлива и снижение содержания жидкой фазы в продуктах сгорания этого топлива. Результат достигается за счет того, что в состав термитного топлива оксид алюминия и алюминий входят в виде нанопорошков, при следующем соотношении, мас.%: нанопорошок оксида алюминия 1,5-3,0; нанопорошок алюминия - остальное. При горении предложенного термита не образуется жидкая фаза и не происходит сплавления с подложкой. 1 табл.

 

Изобретение относится к малой теплоэнергетике, в частности к составам термитного топлива, способным при инициировании претерпевать химические превращения с выделением большого количества тепла, преимущественно к таким составам, которые не детонируют и в которых окислительно-восстановительные реакции идут в воздухе в режиме горения без участия специального окислителя и без образования жидкой фазы.

Известен термитный состав [Патент РФ №2255080 «Состав безгазового термитного топлива», С06В 33/12, опубл. 27.06.2005], включающий смесь порошков оксида железа и алюминия, дополнительно он содержит, по крайней мере, один оксид элемента, выбранного из ряда В, Si, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, РЗЭ, Hf, Та, W, Pb, Bi и восстановитель, в качестве которого выбран, по крайней мере, один элемент из ряда Mg, Са, Ва, С, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Оксид железа 16,6-62,5
Алюминий 5,0-24,0
Оксид одного из указанных элементов 12,5-52,5
Восстановитель указанных элементов 1,0-20,0

при этом соотношение суммы всех оксидов к сумме всех восстановителей, включая алюминий, составляет 2-3.

К основным недостаткам этого изобретения относятся: образование жидкой фазы восстановленного железа и шлаков, что приводит к взаимодействию с подложкой и ее разрушению.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому составу является состав безгазового термитного топлива [Патент РФ №2062194, В23К 23/00, С06В 33/00, опубл. 20.06.1996 г.], который был выбран за прототип. Состав содержит исходные компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Железная окалина (смесь оксидов железа) 40-45
Алюминий (в качестве восстановителя) 15-17
Глинозем 30-35
Металлофосфатное связующее 7-10

К основным недостаткам прототипа следует отнести наличие жидкой фазы железа и шлаков, которые взаимодействуют с материалами устройств, разрушая их, а также присутствие в составе значительного количества инертной добавки (α-оксида алюминия (глинозем) - 30-35 мас.%), что существенно снижает удельное тепловыделение. При горении фосфатное связующее переходит в паровую фазу, образуя оксид фосфора и свободный фосфор, которые являются ядовитыми веществами и загрязняют окружающую среду.

Основной технической задачей изобретения является повышение удельного тепловыделения термитного топлива и снижение содержания жидкой фазы в продуктах его сгорания.

Основная техническая задача достигается тем, что в заявленном составе термитного топлива, согласно которому, так же как и в прототипе, смесь включает оксиды металлов и порошок алюминия, в соответствии с предложенным решением, в состав термитного топлива оксиды и алюминий входят в виде нанопорошков, при горении которых не образуется жидкая фаза и не происходит сплавления с подложкой, при следующем соотношении, мас.%:

Нанопорошок оксида алюминия 1,5-3,0
Нанопорошок алюминия Остальное

Путем экспериментального подбора компонентов состава термитного топлива и их соотношения в смеси получаются продукты горения, не содержащие жидкой фазы, что позволяет легко удалять их и сохранять от разрушения устройство для сжигания топлива.

Горение составов заявленного топлива происходит самопроизвольно после инициирования искрой или нагретой электрическим током нихромовой спиралью. Продукты сгорания содержат в качестве компонента нитрид и оксинитриды алюминия. Согласно прототипу, состав термитного топлива с максимальным тепловым эффектом содержит: оксиды железа - 43 мас.%, алюминий - 17 мас.%, глинозем - 30%, фосфатное связующее - 10%. Для прототипа содержание алюминия составляет 170 г на 1 кг исходной смеси (максимальное содержание Аl), а для заявляемого состава 970 г нанопорошка алюминия содержится в 1 кг исходной смеси. Согласно справочным данным, при сгорании 27 г (1 моль) выделяется 837 кДж/моль теплоты. Для прототипа тепловой эффект составляет 5270 кДж/кг, а для заявляемого состава - 30070 кДж/кг. Заявленный состав термитного топлива дает существенно более высокий тепловой эффект, превышающий по энерговыделению прототип в 5,7 раза.

Пример

Используют нанопорошок алюминия (НП Аl), полученный в условиях быстрого электрического взрыва алюминиевого проводника в среде газообразного аргона. Форма частиц сферическая, распределение по диаметру - нормально-логарифмическое. Нанопорошок оксида алюминия (НП Аl2O3) получают путем гидротермального синтеза при взаимодействии нанопорошка алюминия с водой. Форма частиц неправильная, площадь удельной поверхности составляла 300 м2/г.

Из порошков готовили смеси массой 3 г при следующем соотношении компонентов (маc.%):

Нанопорошок оксида алюминия 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0
Нанопорошок алюминия Остальное

Образцы смесей приготавливали методом сухого смешения на кальке с применением малых нагрузок до оптически однородной смеси (пиротехнический метод перетирания порошков). Смешение осуществляли в течение 15 минут. Затем смесь высыпали на железную подложку (сплав «Сталь 3») и инициировали процесс горения нагретой нихромовой спиралью, находящейся в контакте со смесью. По окончании горения и последующего остывания подложки было обнаружено, что продукты сгорания легко отделяются от поверхности подложки.

Согласно седиментационному анализу продукты сгорания заявленной смеси - легкоразрушаемые спеки, характерный диаметр частиц которых не превышает 1 мкм. Наличие жидкой фазы приводит к образованию монолитных спеков большого размера, т.е. прямым признаком наличия жидкой фазы является наличие измельченных спеков большого размера (>1 мкм). Аналогичные результаты получены при сжигании заявленной термитной смеси на подложках из алюминия, корунда, алунда, гексагонального нитрида бора и других материалов.

В таблице представлены составы исходных смесей и содержание спеков размером более 63 мкм. При содержании в исходной смеси нанопорошка оксида алюминия менее 1,5 мас.% содержание спеков размером более 63 мкм в продуктах сгорания смесей составляет более 3,4 мас.%, что свидетельствует о наличии жидкой фазы. При содержании в исходной смеси нанопорошка оксида алюминия более 3,0 мас.% содержание спеков размером более 63 мкм в продуктах сгорания смесей практически не уменьшается, но происходит уменьшение энтальпии сгорания смеси (менее 28,0 кДж/г), что снижает энерговыделение при работе термитного топлива. Наиболее оптимальный состав смесей содержит от 1,5 до 3,0 мас.% нанопорошка оксида алюминия.

№, п/п Состав смеси, мас.% Энтальпия сгорания смеси, кДж/г Наличие спеков размером более 63 мкм, маc.% Примечание
НП Аl2O3 НП Аl
1 0,5 99,5 28,7 31,2
2 1,0 99,0 28,6 18,8
3 1,5 98,5 28,4 3,4 Заявляемый состав
4 2,0 98,0 28,2 2,9
5 3,0 97,0 28,0 1,6
6 4,0 96,0 27,7 1,5
7 5,0 95,0 27,4 1,5

Состав термитного топлива, включающий смесь порошков алюминия и оксида алюминия, отличающийся тем, что он содержит компоненты в виде нанопорошков, при горении которых не образуется жидкой фазы и не происходит сплавления с подложкой, при следующем соотношении, мас.%: нанопорошок оксида алюминия 1,5-3,0; нанопорошок алюминия остальное.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к пиротехнике. .
Изобретение относится к пиротехнике. .
Изобретение относится к пиротехническим дымообразующим составам для постановки маскировочного облака. .
Изобретение относится к дымообразующим пиротехническим составам. .
Изобретение относится к пиротехнике. .
Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано в замедлителях для различного рода устройств, относящихся к элементам взрывной автоматики, в частности во взрывных болтах и взрывных источниках звука.
Изобретение относится к зажигательным составам, которые могут быть использованы для пуль патронов стрелкового оружия зажигательного и комбинированного действия, применяемых для зажжения жидкого углеводородного топлива.
Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано для быстрой передачи огневого импульса к различным типам устройств, содержащих пиротехнические составы.
Изобретение относится к пиротехнике, а именно к пиротехническим составам для снаряжения реактивных летательных игрушек. .
Изобретение относится к области пиротехники. .
Изобретение относится к области воспламенительных составов для электровоспламенителей
Изобретение относится к пиротехническим светозвуковым составам и может быть использовано для снаряжения боеприпасов нелетального действия, применяющихся для вывода из строя правонарушителей или воздействия на террористов
Изобретение относится к области пиротехники, а именно к пиротехническим составам для иллюминации, увеселительным, зрелищным и сигнальным целям, и может быть использовано для изготовления фейерверков. Пиротехнический фейерверочный состав содержит цветопламенный окислитель - нитрат бария или нитрат стронция, поливинилхлорид, порошок алюминиево-магниевого сплава, фенолформальдегидную смолу и в качестве утилизируемых отходов пироксилинсодержащего материала содержит материал сгорающей гильзы, включающий тринитротолуол, пироксилин и целлюлозу в массовом соотношении как 1:0,5:0,5 соответственно. Изобретение позволяет утилизировать неизбежные технологические отходы материала сгорающей гильзы, исключив экологически вредные выбросы в атмосферу при их обычном сжигании. При этом пиротехнический состав для фейерверков и салютов характеризуется улучшенными показателями назначения по насыщенности пламени характерным цветом за счет повышения скорости горения и удельного выхода целевого продукта. 1 табл.
Изобретение относится к пиротехническим составам, при горении которых генерируется аэрозоль, образующий дымовое облако на воздухе, используемое для постановки маскирующей завесы. Пиротехнический литьевой состав для образования дымовой завесы содержит, мас.%: смесь порошка хлорпарафина 41-48 и жидкого хлорпарафина 10-12, порошок металлического горючего 5-10, дымообразующую окись цинка 15-20, хлорнокислый калий 9-15 и эпоксидную смолу 1-2, причем в качестве металлического горючего он содержит порошок алюминия или алюминиево-магниевого сплава. Решение обеспечивает достижение необходимой несущей прочности зарядов из модифицированного пиротехнического литьевого состава, который характеризуется повышенной эффективностью дымообразования при создании маскирующей завесы, имеющей более высокую оптическую плотность.
Изобретение относится к энергосодержащим резервным источникам тока, приводимым в действие посредством воспламенения пиротехнических электродов батареи примыкающими эластичными воспламенителями. Пиротехнический состав для эластичных воспламенителей включает, в мас.%: хромат бария 62-70, циркониевый порошок 26-30, стабилизатор шлаков - диоксид циркония 2-4 и связующее - диспергированный асбест хризотиловый дисперсностью 0,2-2 мм в количестве 2-4. Решение направлено на стабилизацию формы тонколистовых эластичных воспламенителей при горении, повышение теплопроводности формируемых шлаков и обеспечивает гарантированно одновременное воспламенение пиротехнических электродов резервного источника электропитания за счет стабилизации скорости горения воспламенителей и оптимизации их качественного и количественного пиротехнического состава. В предложенных эластичных воспламенителях практически исключено диспергирование шлаков, за счет формирования при горении состава газопроницаемого коксового остатка с пористостью 10%, а также минимизировано газовыделение при горении, что расширяет область применения. 2 табл., 5 пр.
Изобретение относится к дымообразующим пиротехническим составам, генерирующим при горении аэрозоль, образующий на воздухе дымовое облако, используемое для постановки маскирующей завесы. Дымообразующий металлохлоридный состав включает, в мас.%: гексахлорэтан 58-70, окись цинка 24-29, алюминиевый порошок 4-9 и технологическую добавку - фторкаучук 2-4. При этом размер частиц алюминиевого порошка не превышает 60 мкм. Соотношение указанных компонентов и ограниченная дисперсность алюминиевого порошка позволяют повысить температуру горения без изменения скорости горения состава, что обеспечило получение контрастного белого дыма и повышение маскирующей способности генерируемой дымовой завесы, обеспечивающей максимальное рассеяние оптического излучения на длине волн 0,40-1,56 мкм, что соответствует диапазону излучения средств обнаружения и наведения противника.
Изобретение относится к пиротехнике, а именно к воспламенительным пиротехническим составам, инициирующим воспламенение и горение функционального снаряжения различных специзделий и боеприпасов, который содержит мелко раздробленный металл в комбинации с кислородвыделяющим веществом, не являющимся взрывчатым. Воспламенительный пиротехнический состав содержит, мас.%: нитрат калия 62-70, тиомочевину 4-6, искрообразователь - ферросилиций 9-11, металлическое горючее - порошок алюминиево-магниевого сплава 9-11 и связующее - идитол 8-10. Состав обладает высокой эффективностью воспламенения основного заряда и обеспечивает зажигательное действие от раскаленных точечных источников, распределенных в продуктах горения, и детонации боевого снаряжения. 1 табл., 5 пр.
Наверх