Композиционный материал для осуществления взрывопроникающего действия



Композиционный материал для осуществления взрывопроникающего действия
Композиционный материал для осуществления взрывопроникающего действия
Композиционный материал для осуществления взрывопроникающего действия

 


Владельцы патента RU 2579586:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления энергоёмких композиционных материалов, применяемых для разрушения скальных и бетонных преград, а также в перфорационной технике при прострелочно-взрывных работах в нефтеразведке. Композиционный материал для осуществления взрывопроникающего действия содержит вольфрам, активное металлическое горючее и фторполимер. Компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %: вольфрам - 68-98, активное металлическое горючее - 1-29, фторполимер - 1-14. Плотность композиционного материала составляет не менее 7,8 г/см3. В качестве активного металлического горючего могут быть использованы Al, Mg, Ti, Zr или их смеси и сплавы. В качестве фторполимера могут быть использованы фторопласты Ф-4, Ф-3, Ф-2, Ф-42, Ф-32 и фторкаучуки СКФ-32, СКФ-26 и их аналоги. Технический результат заключается в повышении эффективности устройств за счет дополнительной химической энергии, выделяемой такими композиционными материалами. 2 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления энергоемких композиционных материалов, применяемых для разрушения скальных и бетонных преград, а также в перфорационной технике при прострелочно-взрывных работах в нефтеразведке.

Существует множество энергоемких композиций, содержащих активное металлическое горючее и фторполимеры в качестве основного или дополнительного окислителя. В ряде случаев, при проектировании изделий народнохозяйственного назначения, необходима высокая масса ударника, содержащего энергоемкий состав, например, чтобы обеспечить необходимые баллистические характеристики на воздушной траектории полета или террадинамические при столкновении с преградой. Одним из способов обеспечить необходимую массу является повышение плотности самого состава за счет включения в него компонента с высокой плотностью. Такими компонентами являются тяжелые металлы (U, W, Th, Та, Hf, Nb и др.), а также некоторые оксиды тяжелых металлов (WO2, WO3, CuO, PbO2, Pb3O4 и др.). Одним из наиболее привлекательных компонентов является вольфрам, т.к. он относительно дешев, малотоксичен, не повышает чувствительность смеси и при этом является одним из наиболее высокоплотных материалов. Его использование для повышения плотности описано во многих патентах и публикациях.

Известны порошковые смеси (патент US №2007051267, МПК F42B 1/02; F42B 1/032; F42B 3/28; опубл. 08.03.2007), составы, содержащие W, перхлорат калия и 7,5% фторполимера (патент US №2008229963; МПК С06В 25/00; С06В 27/00; С06В 33/02; опубл. 25.09.2008). Однако содержание вольфрама в приведенных аналогах, во-первых, не превышает 80-82,2%, а во-вторых, в смеси отсутствует активное металлическое горючее, что резко снижает их энергоемкость.

Известен состав (патент US №6962634; МПК С06В 27/00; C08K 3/00; C08L 27/12; опубл. 05.02.2004), содержащий от 15 до 90% фторполимера (предпочтительнее 25-75%), от 10 до 85% металлического порошка (Mg, Al, их сплавы, Fe,Cu, Zr, Ti, Zn, Mn, Sn, В, Si, Hf, W, U, Та) и др. компоненты. В известных составах при горении температура не может обеспечивать быструю и полную химическую реакцию между компонентами; кроме того, резко ухудшается прессуемость состава из-за низкого объемного содержания пластичных компонентов (фторполимер, Al и др.).

Задачей изобретения является создание энергоемких композиционных материалов, которые можно использовать для замены инертных конструкционных материалов (сталь, медь, свинец и др.) в ударниках, способных пробивать прочные преграды, перфорационной технике и других приложениях, с плотностью, не ниже плотности заменяемого материала.

Технический результат при использовании изобретения заключается в повышении эффективности устройств за счет дополнительной химической энергии, выделяемой такими композиционными материалами.

Технический результат достигается тем, что композиционный материал для осуществления взрывопроникающего действия содержит вольфрам, активное металлическое горючее и фторполимер. Компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: вольфрам - 68-98, активное металлическое горючее - 1-29, фторполимер - 1-14. Плотность композиционного материала составляет не менее 7,8 г/см3. В качестве активного металлического горючего могут использоваться Al, Mg, Ti, Zr или их смеси и сплавы. В качестве фторполимера могут использоваться фторопласты Ф-4, Ф-3, Ф-2, Ф-42, Ф-32 и фторкаучуки СКФ-32, СКФ-26.

Отличием предлагаемого состава от известных аналогов является обязательное наличие не менее двух типов порошков - активного горючего (В, Al, Si, Mg, Ti, Zr, их смесей или сплавов), обеспечивающего высокую температуру реакции, и тяжелого компонента (W), обеспечивающего нужную плотность состава. Другим отличием является то, что содержание вольфрама в предлагаемом составе может быть значительно больше и достигать 98 (мас.% от всего состава). При более высоком содержании вольфрама развиваемая при горении температура не может обеспечивать быструю и полную химическую реакцию между компонентами; кроме того, резко ухудшается прессуемость состава из-за низкого объемного содержания пластичных компонентов (фторполимер, Al и др.).

Содержание в композиционном материале фторполимера - 1-14 (мас.%) обеспечивает окисление активного горючего и необходимые механические и технологические характеристики, содержание вольфрама в количестве 68-98 обеспечивает необходимую плотность; а активного горючего (В, Al, Si, Mg,Ti, Zr или их смеси и сплавы) в количестве 1-29 обеспечивает высокую энергоемкость. Плотность композиционного материала 7,8 г/см3 и выше обеспечивает возможность изготовления из него деталей с теми же массогабаритными характеристиками, как и из распространенных конструкционных материалов (сталь, медь, свинец и др.).

Нижний предел массовой доли W определяется требуемой плотностью состава. Например, если необходимо обеспечить плотность состава 7,8 г/см3 для состава, содержащего в качестве активного горючего алюминий, то массовая доля W должна быть не меньше 77-83%. При замене алюминия на более плотный металл (например, цирконий), доля вольфрама может быть снижена до 68%.

Относительно высокое энергосодержание (~10 кДж/см3) обеспечивается при содержании вольфрама 90% и менее, при увеличении содержания вольфрама оно снижается, например, при 98% W - менее 3 кДж/см3. Таким образом, оптимальное соотношение между плотностью композиционного материала и его энергоемкостью соответствует содержанию вольфрама 70-90%.

Соотношение между другими компонентами (активное металлическое горючее/фторполимер) определяется назначением состава. Стехиометрическое соотношение обеспечивает полное окисление металла до фторида и восстановление связей C-F до углерода (например, если фторполимер - ПТФЭ, то содержание активного металла в смеси с фторполимером - Al 26,5%; ПАМ 28%; Ti 32%; Zr 48%). В составах, рассчитанных на реакцию без доступа воздуха, максимальное энерговыделение соответствует небольшому (10-20%) избытку активного металла по сравнению со стехиометрическим соотношением. Однако составы, предназначенные для догорания продуктов реакции на воздухе, должны содержать максимальное количество активного металла, при котором обеспечивается устойчивое горение. Для указанных металлов и сплавов это соответствует соотношению 80-90% металла и 10-20% фторполимера. Термодинамические расчеты, проведенные по программе ТЕРМО-2010 (Имховик Н.А. Программа термодинамического расчета параметров детонации, равновесного состава и характеристик продуктов взрыва многокомпонентных гетерогенных взрывчатых систем (МГВС). Руководство пользователя. МГТУ им. Баумана, М., 2010), показывают, что максимальная работоспособность продуктов сгорания достигается при содержании активного металла 50-100% от стехиометрии. Порошки тяжелого вольфрама также могут участвовать в реакции с фторуглеводородами; хотя выделяемая энергия намного меньше, чем с активным металлом, но летучесть высших фторидов вольфрама делает их привлекательными в качестве рабочего тела, увеличивающего фугасное действие. Поэтому в тройных системах фторполимер-вольфрам-активный металл минимальное количество последнего может составлять 20% и менее от стехиометрии. Таким образом, интервал соотношения активный металл - фторполимер для указанных металлов (Al, Mg, Ti, Zr) составляет 5-90% металла и 95-10% фторполимера. Минимальное количество фторполимера определяется также соображениями технологии - для обеспечения прессуемости композита желательно содержание полимера на уровне не менее 1-2%.

В зависимости от содержания W (68-98%) массовая доля, приходящаяся на фторполимер и активный металл, составляет соответственно 2-32%. Доля фторполимера, таким образом, может варьировать от 1% (минимальное количество, при котором обеспечивается прессуемость) до 14%. Массовая доля активного металла может составлять от 1% (состав 98% W+1% ФП+1% активного металла) до 29% (при котором состав с 68% W еще горит и имеет максимальную теплоту догорания на воздухе).

Пример использования композиционного материала для осуществления взрывопроникающего действия.

В таблице 1 представлено несколько составов композиционных материалов. Некоторые из них использовались для изготовления цилиндрических вставок для ударника-проникателя. На фиг. 1 представлено фото проникателя, на фиг. 2 схематически изображен проникатель, на фиг. 3 - фото преграды до опыта, на фиг. 4 изображена бетонная преграда, на фиг. 5 - фото лицевой стороны бетонной преграды после опыта, на фиг. 6 - фото тыльной стороны бетонной преграды после опыта, на фиг. 7 и фиг. 8 показана глубина каверны бетонной преграды после опыта, на фиг. 9 - схема разрушения преграды в опыте №1, на фиг. 10 - профиль каверны в бетоне в четырех сечениях в опыте №3, где 1 - вставка из композиционного материала, 2 - корпус проникателя.

Для оценки проникающего и разрушающего действия проникателей с композиционными материалами были выбраны составы №1 и №6 (табл. 1).

Состав №1 (8,5% Ф - 1,5% Al - 90% W) выбран исходя из требования высокой плотности, которая обеспечивалась содержанием вольфрама 90%. Содержание активного металла (алюминия), составляющее 50% от стехиометрического (2,6% Al+7,4% ПТФЭ), выбрано исходя из результатов термодинамических расчетов, как обеспечивающее максимальную работоспособность продуктов реакции. При одинаковых габаритах вставка, изготовленная из состава №6, в 4 раза легче, чем вставка, изготовленная из состава №1.

Проникатели со вставками-стержнями, изготовленными из составов №1 (опыт №1) и №6 (опыт №3), выстреливались из легкогазовой баллистической установки в бетонные преграды. Общий вид бетонной преграды, ее состав и размеры (в миллиметрах) приведены на фиг. 3 и фиг. 4. Опыты №1 и №3 проведены с идентичными начальными условиями.

Использование композиционного материала заявляемого состава в конструкции проникателя позволило реализовать взрывопроникающее действие, увеличившее диаметр и объем каверны в бетоне. Так, на фиг. 5 и фиг. 6 показана преграда после опыта №1, из которого видно, что с лицевой стороны (по отношению к легкогазовой баллистической установке) получена глубина проникания Н≈210 мм, практически полностью разрушен прочный бетон с образованием тыльного откола (фиг. 6), разрушена часть цементно-песчаного раствора.

На фиг. 7 и фиг. 8 показана преграда после опыта №3 с глубиной каверны Н≈70 мм без тыльного откола. Каверна имеет коническую форму с основанием диаметром примерно 140 мм (фиг. 8).

Сравнение результатов опытов №1 и №3 показало, что взрывопроникающее действие значительно больше у проникателя со вставкой, изготовленной из более «тяжелого» состава композиционного материала.

Для сравнительной оценки эффективности террадинамических параметров проникателей с композиционными материалами и с инертными конструкционными материалами использовались результаты, проведенного ранее опыта №3 со стержнем из сплава ВНЖ - 7-3 (плотностью 17,1 г/см3) диаметром 7 мм и длиной 30 мм. Редакции опытов были идентичны.

На фиг. 9 и фиг. 10 для сравнения показана схема разрушения преграды в опыте №1 (фиг. 9) (размеры в миллиметрах), и профиль каверны в бетоне в четырех сечениях в опыте №3 (фиг. 10). Очевидно, разрушающее действие у проникателя с композиционным материалом значительно больше, чем у проникателя, изготовленного из «инертного» материала.

1. Композиционный материал для осуществления взрывопроникающего действия, содержащий вольфрам, активное металлическое горючее и фторполимер, отличающийся тем, что компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:
вольфрам - 68-98,
активное металлическое горючее - 1-29,
фторполимер - 1-14,
при этом плотность композиционного материала составляет не менее 7,8 г/см3.

2. Композиционный материал для осуществления взрывопроникающего действия по п. 1, отличающийся тем, что в качестве активного металлического горючего используют Al, Mg, Ti, Zr или их смеси и сплавы.

3. Композиционный материал для осуществления взрывопроникающего действия по п. 1, отличающийся тем, что в качестве фторполимера используют фторопласты Ф-4, Ф-3, Ф-2, Ф-42, Ф-32 и фторкаучуки СКФ-32, СКФ-26



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к пиротехническим составам, при горении генерирующим дым, используемый для постановки маскирующих завес. Пиротехнический состав маскирующего дыма включает, мас.%: гексахлорэтан 54-62, окись цинка 6-8, алюминиевый порошок 27-29, органическое горючее связующее - канифоль сосновую 3-5 и хлорпарафин ХП-470.
Изобретение относится к воспламенительным составам для использования в электровоспламенителях. Воспламенительный состав для электровоспламенителей содержит окислитель, горючее, связующее и дополнительный окислитель.

Изобретение относится к способу получения пиротехнического воспламенительного состава для зажигания основных пиротехнических составов, например осветительных, сигнальных, твердых пиротехнических топлив.
Изобретение относится к пиротехническим составам, способным при горении выделять световую энергию для освещения местности ночью. Пиротехнический осветительный состав включает, мас.%: полуводный сульфат кальция 25,0-40,0, магниевый порошок 56,0-67,0, политетрафторэтилен 3,0-6,0, индустриальное масло 1,0-2,0.

Изобретение относится к пиротехническим составам и может быть использовано в зажигательных блоках, применяемых в фугасных, осколочных, фугасно-осколочных и термобарических боеприпасах для придания им зажигательного действия или его усиления.
Изобретение относится к способу получения топлива. .

Изобретение относится к пиротехническим составам. .

Изобретение относится к термопластичным пиротехническим составам для изготовления эластичного огнепроводного шнура методами экструзии или проходного прессования.

Изобретение относится к пиротехническим составам и может быть использовано для изготовления гибких воспламенительных шнуров и стопинов. .

Изобретение относится к метательным взрывчатым веществам, а именно смесевым порохам, используемым в качестве заряда к легкогазовому оружию. Рассмотрены комбинации декаборана с шестью разными окислителями: пятиокисью азота, нитратом аммония, динитрамидом аммония, нитратом бора, нитратом бериллия, шестиокисью азота.

Изобретение относится к водородовыделяющим взрывчатым веществам. Согласно изобретению взрывчатое вещество содержит декаборан в комбинациях с шестью разными окислителями: пятиокисью азота, нитратом аммония, динитрамидом аммония, нитратом бора, нитратом бериллия, шестиокисью азота.

Изобретение относится к взрывчатым веществам. Предложены варианты взрывчатых веществ, включающие боргидрид и гидрид бериллия, лития, алюминия, литий-алюминия или кремния или тетраборан и азотсодержащий окислитель - динитрамид аммония, нитрат аммония, нитрат бора, нитрат бериллия, пятиокись азота или шестиокись азота.

Изобретение относится к заряду для легкогазового оружия. Заряд представляет собой смесь азотосодержащих веществ: динитрамид аммония, нитрат аммония, нитрат бора или бериллия, пятиокись азота или шестиокись азота и тетраборана или боргидрида и гидрида металлов - бериллия, лития, алюминия, лития-алюминия или кремния.

Изобретение относится к кумулятивным боеприпасам. Кумулятивный заряд состоит из шашки взрывчатого вещества с конусной выемкой и, возможно, с внутренней облицовкой выемки, при этом в качестве взрывчатого вещества содержит вещество, выделяющее при взрыве из газов водород.

Изобретение относится к метательным взрывчатым веществам, а именно смесевым порохам. Изобретения основано на том, что кислород реагирует только с металлом боргибрида (согласно ряду напряжений), а бор экзотермически реагирует с азотом и увеличивает энергетику реакции.

Изобретение относится к ракетным топливам. Ракетное топливо содержит жидкий или связанный кислород и гидрид или смесь гидридов.

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.

Изобретение относится в основном к артиллерии, но также может быть полезно для стрелкового оружия. Легкогазовое орудие, содержащее ствол и затвор, в зарядной камере содержит смесь пироксилина, коллоксилина, нитроглицеринового пороха и гидрида/гидридов щелочных металлов, особенно - лития и алюминия, а для увеличенного экзотермического теплового эффекта реакции - декаборана.

Изобретение относится к смесевым взрывчатым веществам. Взрывчатое вещество основано на том, что бор или бериллий экзотермически реагируют с азотом и увеличивают энергетику реакции.
Изобретение относится к ракетным топливам. Рассмотрены варианты ракетных топлив, включающие нитрат аммония или динитрамид аммония в комбинациях с дибораном, тетрабораном, боргидридом бериллия, гидридом бериллия и бором. Бор экзотермически реагирует с азотом и увеличивает энергетику реакции. Соединения бора, например, бораны, боргидриды, кроме того, еще дают большое количество водорода. Изобретение обеспечивает повышение скорости реактивной струи. 11 н.п. ф-лы.
Наверх