Взрывчатое вещество староверова (варианты)

Изобретение относится к смесевым взрывчатым веществам. Изобретение основано на том, что кислород реагирует только с металлом боргидрида (согласно ряду напряжений), а бор экзотермически реагирует с азотом и увеличивает энергетику реакции. Соединения бора, например бораны, боргидриды, кроме того, дают большое количество водорода. Для увеличения количества выделяющегося водорода в реакцию добавлен аммиак. Рассмотрены наиболее энергетичные боргидриды бериллия, алюминия, лития, лития-алюминия, кремния, тетраборан и декаборан в комбинациях с шестью разными окислителями: пятиокисью азота, нитратом аммония, динитрамидом аммония, нитратом бора, нитратом бериллия, шестиокисью азота. Техническим результатом изобретения является повышение давления на фронте ударной волны путем выделения преимущественно водорода, а также увеличение газовыделения реакции. 32 н. и 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к смесевым взрывчатым веществам, далее ВВ, (пора вводить отдельный подкласс - ВВ с выделением водорода или преимущественно водорода) и имеет повышенное по сравнению с другими реакциями выделение водорода.

Известны ВВ, см., например, пат. №№2486436, 2486437 «Заряд Староверова - 7 и 10», состоящие из взрывоопасной смеси веществ. Они имеют хорошее тепловыделение, но не очень большое количество выделившегося водорода.

Задача и технический результат изобретения - повышение давления на фронте ударной волны путем выделения преимущественно водорода и путем рационального применения двух энергетических реакций - окисление углерода, бора или металлов и образование нитрида бора, а также увеличение газовыделения реакции и регулирование скорости реакции.

Эта цель достигается, во-первых, тем, что происходит реакция «половинного горения» гидридов и боргидридов (то есть окисляется только металл, иногда бор), и, во-вторых, тем, что идет вторая энергетическая реакция - реакция бора с азотом с образованием нитрида бора. При температуре 800-1200°С происходит реакция:

То есть на единицу добавленного бора получается добавочное тепловыделение 23,37 кДж/г. Такая добавка улучшит тепловыделение любого ВВ.

Понятно, что количество атомов бора и азота должно относиться как 1:1 ±20% (не считая тех случаев, когда бор используется и в качестве основного горючего).

Реакция образования нитрида бора лучше идет в присутствии восстановителей - угля, сажи, графита, графена, водорода. В некоторых реакциях происходит выделение углерода, поэтому в добавочных количествах восстановителя они не нуждаются, в других случаях рекомендуется добавлять мелкодисперсного угля, графита, сажи или графена в количестве 0,0001-1% (оптимально 0,01-0,1%). Присутствие водорода в продуктах реакции уменьшает или даже исключает потребность в углероде.

В ВВ возможны тройные (три исходных компонента) двухэнергетические реакции (две энергетические реакции: кислород металл и азот-бор) типа «боргидрид-окислитель-гидрид» (они рассмотрены мной ранее). Они обеспечивают хорошее тепловыделение. Но иногда бывает полезнее увеличить объем выделяющегося водорода и снизить температуру реакции, чтобы не допустить потери тепла на испарение или плавление твердых получившихся компонентов реакции и не допустить загрязнения водорода парами этих веществ. Для этого в реакцию можно добавить аммиак. Разумеется, корпус таких взрывных устройств должен быть герметичен и достаточно прочен, чтобы выдерживать давление сжиженного аммиака. ВВ при этом представляет собой порошок, пропитанный жидким аммиаком.

Для боевых ВВ повышенное выделение водорода полезно еще и тем, что ВВ имеет сильное зажигательное и термобарическое действие.

Рассмотрим составы таких ВВ с некоторыми наиболее перспективными соединениями.

СОЕДИНЕНИЯ БЕРИЛЛИЯ

Применение гидридов бериллия, лития и алюминия известно в ракетной технике, но они применяются в других комбинациях и с другим количеством окислителя. Рассмотрим реакции наиболее энергетичных гидрида и боргидрида бериллия с разными окислителями.

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 41,21±15%, пятиокись азота - 24,67±15%, аммиак - 31,12±15% (здесь и далее - мас.%).

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 43,93±15%, нитрат аммония 30,29±15%, аммиак - 25,78±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 44,60±15%, динитрамид аммония (далее ДНА) - 35,76±15%, аммиак - 19,64±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 42,60±15%, нитрат бора 24,07±20%, аммиак - 33,33±15%. Исходное количество аммиака в этой реакции слишком велико, а тепловыделение мало, поэтому желательно добавить к предыдущей реакции гидрид бериллия, при этом пойдет параллельная реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 17,20±15%, нитрат бора - 58,30±20%, гидрид бериллия - 24,50±10%. Комбинируя эти две реакции можно добиться нужного оптимального исходного содержания аммиака. То есть реакция получится четырехкомпонентной. Этот же способ можно применить и ко всем рассмотренным выше и ниже реакциям.

Также все выше- и нижеописанные реакции можно комбинировать между собой для получения нужной общей скорости реакции.

Возможна реакция боргидрида бериллия и гидрида бериллия с нитратом бериллия:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 41,81±15%, нитрат бериллия - 28,75±15%, аммиак - 29,44±15%.

С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрида бериллия - 44,35±15%, шестиокиси азота - 26,37±15%, аммиак - 29,28±15%.

Может пойти побочная реакция образования воды из водорода, но при таких температурах гидрид бериллия или сам бериллий будут реагировать с водяными парами и разлагать воду обратно до водорода.

Может пойти побочная реакция образования оксида бора, но в присутствии вышеназванных восстановителей он будет реагировать с азотом с образованием нитрида бора.

СОЕДИНЕНИЯ ЛИТИЯ-АЛЮМИНИЯ

Более дешевой химической реакцией может быть также тройная двухэнергетическая реакция лития или алюминия и их соединений с участием бора. Литий обладает вторым после бериллия тепловыделением на единицу смеси - 19,93 кДж/г, а алюминий - на четвертом месте - 16,43 кДж/г-смеси. Но алюминий обладает другими достоинствами - он недефицитен и нетоксичен. Литий трудно разделяется с алюминием, и поэтому наиболее распространено их комплексное соединение.

Реакция боргидрида лития:

Соотношение компонентов: боргидрид лития - 47,55±15%, динитрамид аммония - 33,85±15%, аммиак - 18,60±15%.

Или возможна такая же реакция с боргидридом алюминия:

Соотношение компонентов: боргидрид алюминия - 49,80±15%, динитрамид аммония - 32,40±15%, аммиак - 17,80±15%.

Реакция ДНА с боргидридом лития-алюминия является суммой этих двух реакций (далее также следует иметь в виду, что реакция с литием-алюминием эквивалентна двум реакциям - с литием и с алюминием).

Рассмотрим возможные реакции:

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 48,85±15%, пятиокись азота - 22,62±15%, аммиак - 28,53±10%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 48,57±15%, нитрат аммония - 27,78±15%, аммиак - 23,65±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 49,26±15%, динитрамид аммония - 32,75±15%, аммиак - 17,99±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 47,22±15%, нитрат бора - 22,14±15%, аммиак - 30,64±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 46,41±15%, нитрат бериллия - 26,47±15%, аммиак - 27,12±15%.

С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 49,00±15%, шестиокись азота - 24,16±15%, аммиак - 26,34±15%.

СОЕДИНЕНИЯ КРЕМНИЯ

Кремний находится на пятом месте по тепловыделению реакции с кислородом - 15,06 кДж/г-смеси. Но он обладает другим достоинством - это один из наиболее широко распространенных в природе элементов, и его оксид совершенно не токсичен.

Могут использоваться боргидрид кремния и аммиак с разными окислителями.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 47,22±15%, пятиокись азота - 23,33±15%, аммиак - 29,46±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 46,96±15%, нитрат аммония безводный - 28,65±15%, аммиак - 24,39±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 47,65±15%, динитрамид аммония - 33,80±15%, аммиак - 18,55±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 45,61±15%, нитрат бора - 22,81±15%, аммиак - 31,58±15%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 44,81±15%, нитрат бериллия - 27,26±15%, аммиак - 27,92±15%.

С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 47,39±15%, шестиокись азота - 24,93±15%, аммиак - 27,68±15%.

СОЕДИНЕНИЯ БОРА - ТЕТРАБОРАН (жидкий)

Бор находится на третьем месте по тепловыделению реакции с кислородом - 18,02 кДж/г-смеси.

Бор может выступать и в качестве горючего, и в качестве источника второй энергетической реакции с азотом. Наиболее перспективен тетраборан - он содержит чуть меньше водорода, чем диборан (2,5 атома водорода на 1 атом бора вместо 3), зато легко сжижается (+18°С), и имеет примерно в 4 раза большую плотность в сжиженном состоянии, чем диборан в сверхкритическом состоянии. Еще более удобен в обращении декаборан - он твердый, но он содержит мало водорода - всего 1,4 атома водорода на 1 атом бора.

Рассмотрим реакции тетраборана с разными окислителями:

При этом следует иметь в виду, что так как бор является в данных реакциях и горючим веществом и реагирует с азотом, то соотношения компонентов могут быть различными. Именно поэтому в разделе «соединения бора» взяты такие большие допуски содержания ингредиентов. То есть каждая реакция с боранами представляет собой две параллельные реакции (то же относится и к декаборану, см. ниже):

Соотношение компонентов: тетраборан - 43,91±15%, аммиак - 56,09±15%. И вторая реакция:

Соотношение компонентов: тетраборан - 39,69±15%, пятиокись азота - 60,31±15%. Комбинируя эти две реакции, можно получить различные сочетания коэффициентов реакции, в том числе дробные. Например:

Соотношение компонентов: тетраборан - 40,49±35%, пятиокись азота - 49,17±45%, аммиак - 10,34±10%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 41,85±35%, нитрат аммония - 31,41±25%, аммиак - 26,74±25%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 42,08±35%, ДНА - 48,96±43%, аммиак - 8,96±8%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 37,65±35%, нитрат бора - 46,32±45%, аммиак - 16,03±16%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 36,33±35%, нитрат бериллия - 54,38±44%, аммиак - 9,29±9%.

Соотношение компонентов: тетраборан - 40,75±35%, шестиокись азота - 52,74±41%, аммиак - 6,51±6%.

СОЕДИНЕНИЯ БОРА - ДЕКАБОРАН (твердый)

Как сказано выше, все реакции с боранами представляют собой две параллельные реакции, например реакции \23\ и \24\. Рассмотрим реакции тетраборана с разными окислителями:

Соотношение компонентов: декаборан - 38,40±35%, пятиокись азота - 50,90±45%, аммиак - 10,70±10%.

Соотношение компонентов: декаборан - 39,12±35%, нитрат аммония - 42,71±35%, аммиак - 18,17±18%.

Соотношение компонентов: декаборан - 40,33±35%, ДНА - 40,94±35%, аммиак - 18,73±18%.

Соотношение компонентов: декаборан - 34,61±25%, нитрат бора - 55,74±34%, аммиак - 9,65±9%.

Соотношение компонентов: декаборан - 34,35±25%, нитрат бериллия - 56,08±34%, аммиак - 9,57±9%.

Соотношение компонентов: декаборан - 39,26±35%, шестиокись азота - 44,33±35%, аммиак - 16,41±16%.

Все перечисленные водородовыделяющие ВВ повысят обороноспособность нашей страны.

Для повышения выделения водорода, а также щелочных металлов, оказывающих мощное вторичное термобарическое действие, все перечисленные ВВ могут дополнительно содержать гидрид металла или бора или боргидрид металла. Они почти не участвуют в реакции, а лишь термически разлагаются с выделением водорода и порошкообразного (возможно, наноразмеров) металла и/или бора. Например:

1. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 41,21±15 мас.%, пятиокись азота - 24,67±15 мас.%, аммиак - 31,12±15 мас.%.

2. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 43,93±15 мас.%, нитрат аммония 30,29±15 мас.%, аммиак - 25,78±15 мас.%.

3. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 44,60±15 мас.%, динитрамид аммония (ДНА) - 35,76±15 мас.%, аммиак - 19,64±15 мас.%.

4. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 42,60±15 мас.%, нитрат бора 24,07±20 мас.%, аммиак - 33,33±15 мас.%.

5. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 41,81±15 мас.%, нитрат бериллия - 28,75±15 мас.%, аммиак - 29,44±15 мас.%.

6. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 44,35±15 мас.%, шестиокись азота - 26,37±15 мас.%, аммиак - 29,28±15 мас.%.

7. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития - 47,55±15 мас.%, динитрамид аммония - 33,85±15 мас.%, аммиак - 18,60±15 мас.%.

8. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид алюминия - 49,80±15 мас.%, динитрамид аммония - 32,40±15 мас.%, аммиак - 17,80±15 мас.%.

9. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 48,85±15 мас.%, пятиокись азота - 22,62±15 мас.%, аммиак - 28,53±10 мас.%.

10. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 48,57±15 мас.%, нитрат аммония - 27,78±15 мас.%, аммиак - 23,65±15 мас.%.

11. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 49,26±15 мас.%, динитрамид аммония - 32,75±15 мас.%, аммиак - 17,99±15 мас.%.

12. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия 47,22±15 мас.%, нитрат бора - 22,14±15 мас.%, аммиак - 30,64±15 мас.%.

13. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 46,41±15 мас.%, нитрат бериллия - 26,47±15 мас.%, аммиак - 27,12±15 мас.%.

14. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 49,00±15 мас.%, шестиокись азота - 24,16±15 мас.%, аммиак - 26,34±15 мас.%.

15. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 47,22±15 мас.%, пятиокись азота - 23,33±15 мас.%, аммиак - 29,46±15 мас.%.

16. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 46,96±15 мас.%, нитрат аммония безводный - 28,65±15 мас.%, аммиак - 24,39±15 мас.%.

17. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 47,65±15 мас.%, динитрамид аммония - 33,80±15 мас.%, аммиак - 18,55±15 мас.%.

18. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 45,61±15 мас.%, нитрат бора - 22,81±15 мас.%, аммиак - 31,58±15 мас.%.

19. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 44,81±15 мас.%, нитрат бериллия - 27,26±15 мас.%, аммиак - 27,92±15 мас.%.

20. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 47,39±15 мас.%, шестиокись азота - 24,93±15 мас.%, аммиак - 27,68±15 мас.%.

21. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 40,49±35 мас.%, пятиокись азота - 49,17±45 мас.%, аммиак - 10,34±10 мас.%.

22. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 41,85±35 мас.%, нитрат аммония - 31,41±25 мас.%, аммиак - 26,74±25 мас.%.

23. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 42,08±35 мас.%, динитрамид аммония - 48,96±43 мас.%, аммиак - 8,96±8 мас.%.

24. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 37,65±35 мас.%, нитрат бора-46,32±45 мас.%, аммиак - 16,03±16 мас.%.

25. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 36,33±35 мас., нитрат бериллия - 54,38±44 мас.%, аммиак - 9,29±9 мас.%.

26. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: тетраборан - 40,75±35 мас.%, шестиокись азота - 52,74±41 мас.%, аммиак - 6,51±6 мас.%.

27. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: декаборан - 38,40±35 мас.%, пятиокись азота - 50,90±45 мас.%, аммиак - 10,70±10 мас.%.

28. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: декаборан - 40,33±35 мас.%, ДНА - 40,94±35 мас.%, аммиак - 18,73±18 мас.%.

29. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: декаборан - 34,61±25 мас.%, нитрат бора - 55,74±34 мас.%, аммиак - 9,65±9 мас.%.

30. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: декаборан - 34,35±25 мас.%, нитрат бериллия - 56,08±34 мас.%, аммиак - 9,57±9 мас.%.

31. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: декаборан - 39,26±35 мас.%, шестиокись азота - 44,33±35 мас.%, аммиак - 16,41±16 мас.%.

32. Взрывчатое вещество по любому из пп.1-31, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит гидрид металла или бора или боргидрид металла.

33. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что представляет собой смесь веществ по любому из пп.1-32.