научная статья по теме ГОРЕНИЕ И ДЕТОНАЦИЯ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ СМЕСЕЙ АЛЮМИНИЯ С ПЕРХЛОРАТОМ КАЛИЯ Химия

Текст научной статьи на тему «ГОРЕНИЕ И ДЕТОНАЦИЯ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ СМЕСЕЙ АЛЮМИНИЯ С ПЕРХЛОРАТОМ КАЛИЯ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 7, с. 22-32

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

УДК 662.612

ГОРЕНИЕ И ДЕТОНАЦИЯ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫХ СМЕСЕЙ АЛЮМИНИЯ С ПЕРХЛОРАТОМ КАЛИЯ

© 2015 г. А. Ю. Долгобородов1, 2 *, Б. С. Ермолаев3, А. А. Шевченко2, В. А. Теселкин3, В. Г. Кириленко3, К. А. Моногаров3, А. Н. Стрелецкий3

Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, Москва 2Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва 3Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва

*E-mail: aldol@chph.ras.ru Поступила в редакцию 20.05.2014

Изучены свойства механоактивированных энергетических композитов на основе алюминия и перхлората калия, отличающихся высокими скоростями самоподдерживающихся химических реакций в условиях горения и детонации. Приводятся результаты опытов по горению и переходу горения в детонацию, а также по чувствительности композитов к трению. В опытах варьируются длительность активации и содержание алюминия в смеси. Опыты по переходу горения в детонацию в механоак-тивированых композитах дополнены результатами численного моделирования. Получено качественное согласие расчетов с экспериментом по динамике развития взрывной волны и скорости установившейся детонации. Показано, что наблюдаемый процесс значительно (почти на 40%) ниже по скорости по сравнению с нормальной детонацией, значение скорости которой получено путем термодинамического расчета.

Ключевые слова: механоактивация, перхлорат калия, алюминий, переход горения в детонацию.

DOI: 10.7868/S0207401X15070043

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в различных научных центрах активно проводятся работы по разработке новых способов получения энергетических материалов с повышенными скоростями энерговыделения. Один из таких способов — механохимическая обработка в шаровых мельницах смесей окислитель—горючее на основе частиц микронного размера. При этом компоненты измельчаются до субмикронных размеров и перемешиваются, а также происходит образование дефектов кристаллической структуры материалов. Полученные ранее результаты по механической активации подобных смесей [1—4] показали перспективность данного направления для получения механоактивированных энергетических композитов (МАЭК) с высокими скоростями самоподдерживающихся химических реакций в условиях горения и детонации.

В данной работе изложены результаты исследования, направленного на создание МАЭК на основе алюминия и перхлората калия (КС104, ПХК). Приводятся результаты экспериментов по горению и переходу горения во взрыв, а также по чувствительности к трению. В опытах варьируются

длительность активации и содержание алюминия в смеси. Эксперименты по переходу горения ме-ханоактивированых композитов в детонацию дополнены результатами численного моделирования и термодинамическими расчетами параметров детонации исследуемых смесей.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В качестве исходных материалов для приготовления смесей использовались порошок химически чистого ПХК (размер частиц — 50—100 мкм) и порошки А1: пудра марки ПП-2 (частицы в форме чешуек размером 50—200 мкм и толщиной 2—5 мкм) и порошок марки АСД-6 (сферические частицы со средним размером ~3.6 мкм). Весовое содержание А1 в смеси изменялось от 30 до 40% вблизи стехиометрического весового соотношения компонентов А1/ПХК, которое равно 34.2/65.8.

Смешение и активация компонентов проводились в планетарной мельнице "Активатор-28Ь" (ООО "Активатор", Новосибирск) со стальными шарами и барабанами. Вес смеси составлял 10 г, вес шаров — 300 г. Наиболее важным на стадии ме-ханоактивации является предотвращение взрыва смеси, поэтому необходимо наличие жидкой про-

слойки между компонентами для снижения фрикционного разогрева и перегрева смеси. Для этого в смесь вводили гексан, а обработку проводили при водяном охлаждении барабанов циклами по 60 с. Общее время обработки Тас1 составляло от 2 до 60 мин. После обработки продукт высушивали. Последний содержал довольно крупные агломераты, поэтому после сушки продукт просеивали через сито с размером ячеек, равным 0.4 мм. Анализ исходных веществ и механоактивиро-ванных композитов проводили методами рентгеновской дифракции и растровой электронной микроскопии.

Рентгено-дифракционный анализ показал, что при времени активации до 30 мин химическая реакция между компонентами отсутствует. На ди-фрактограммах видны линии только двух фаз: ПХК и А1. Также наблюдаются следы Fe на уровне долей процента. Примесь Fe в продукте появляется в результате намолота со стальных барабанов и шаров.

Результаты электронной микроскопии показали, что механоактивированные композиты, изготовленные на основе алюминиевой пудры марки ПП-2, оказываются в целом более однородными, чем композиты на основе алюминия марки АСД-6. В качестве примера на рис. 1 приведены изображения, полученные с помощью растрового электронного микроскопа, для двух композитов, А1(АСД-6)/ПХК и А1(ПП-2)/ПХК 40/60, имеющих одинаковый состав, но различающихся маркой алюминия. При одинаковом времени активации в обоих случаях происходит достаточно быстрый размол частиц ПХК до субмикронных размеров, однако А1 измельчается по-разному. В случае алюминия АСД-6 сферические частицы деформируются с образованием достаточно крупных частичек ("таблеток") размерами в несколько микрон, которые располагаются отдельно от частиц ПХК, а в случае пудры ПП-2 образуются более однородные композиты микронных и субмикронных размеров в виде фрагментов чешуек А1, покрытых окислителем.

Для полученных МАЭК проведены исследования по переходу горения в детонацию и чувствительности к механическим воздействиям. Опыты по переходу горения в детонацию проводились в стальных трубках диаметром 10 мм и длиной до 200 мм при пористости образцов около 80%. Исходная смесь порционно засыпалась в трубки и уплотнялась металлическим стержнем для получения зарядов одинаковой плотности. Горение инициировали нихромовой проволокой, нагретой электрическим током. Последняя размещалась у закрытого конца трубки. Скорость волны горения измерялась путем регистрации светового излучения продуктов горения, которое по световодам подавалось на фотодиоды. Световоды вво-

дились через отверстия в стенках трубки до оси заряда, что исключало влияние на регистрацию возможных проскоков пламени вдоль стенок трубки. Измерения скорости проводились на нескольких измерительных базах длиной 20 мм, начиная от точки, расположенной на расстоянии 70 мм от места инициирования. По виду трубок после опытов и результатам измерений определялись длина участка перехода в детонацию (Ь) и скорость установившейся детонации (П). В зависимости от времени активации и состава композита Ь составляла от 10 до 80 мм, а П = 1200—1500 м/с. Для МАЭК на основе ПП-2 были зарегистрированы более высокие скорости детонации и меньшие длины перехода, чем для аналогичных смесей на основе АСД-6, при одинаковом времени активации. Это согласуется с более высокой однородностью композитов на основе ПП-2, что отмечалась выше. Поэтому в дальнейшем наибольшая часть опытов проводилась с МАЭК на основе ПП-2. Зависимости скорости детонации П от состава композитов и Тс приведены на рис. 2. При Тс = 2 мин переход в детонацию отсутствует (длина зарядов — до 200 мм), наблюдается взрывное горение со скоростями 400—600 м/с, трубка после опыта сохраняется практически без разрушений. При увеличении Тс до 5 мин и более горение переходит в детонацию. При этом максимальные значения П получены для композитов с небольшим избытком окислителя, т.е. А1/ПХК 30/70. При увеличении Тс до 40 мин и более величина П заметно снижается, что может быть следствием частичного реагирования компонентов в процессе механообработки. Несмотря на достаточно большой разброс данных, полученные результаты позволяют сделать вывод, что оптимальное время обработки лежит в диапазоне Тс = 10—20 мин. Большинство опытов проведено с композитами со сроком хранения 7—10 дней. Увеличение срока хранения до 2—3 недель не повлияло на изменение скорости процессов.

Формирование детонационного фронта в ходе распространения волны горения вдоль заряда исследовали с помощью регистрации оптического излучения продуктов в видимом диапазоне. Опыты проводились с зарядами пористостью 80—82% в дюралюминиевой трубке диаметром 18 мм. Горение композита инициировали нагретой нихро-мовой проволокой, размещенной у одного торца трубки, а на другом торце помещалось оптическое окно (пластины из полиметилметакрилата (ПММА), LiF толщиной 8 мм или из стекла К-8 толщиной 30 мм). Интенсивность излучения продуктов детонации на контактной границе с окном записывалась двухканальным пирометром с интерференционными светофильтрами с максимумами пропускания 627 и 420 нм и пересчитывалась на яркостную температуру по стандартной проце-

а

б

Рис. 1. Изображения механоактивированных композитов А1/ПХК марки 40/60 при времени активации 30 мин: а — композит с алюминиевым порошком марки АСД-6, б — композит с алюминиевой пудрой марки ПП-2.

дуре [5]. Результаты измерений яркостной температуры на контактной границе между композитом А1/ПХК 30/70 (время активации Тас( = 10 мин) и окнами из ПММА в зависимости от длины заряда представлены на рис. 3. Значения температуры получены путем усреднения по двум длинам волн. Разброс данных в различных опытах не превышал приборную погрешность, равную ±150 К. Цифрами на рисунке обозначена длина зарядов; профили

температуры смещены по шкале времени и расположены в соответствии с длиной зарядов.

По сравнению с МАЭК на основе наноразмер-ного кремния и перхлората аммония и81/ПХА, которые исследовались ранее [3], детонационно-подобный процесс в А1/ПХК формируется существенно быстрее. Так, уже на длинах заряда, близких к 20 мм, происходит резкое нарастание интенсивности сигнала (время нарастания ? < 5 мкс), а к

1600

1400

к 1200

к

я

се

§ 1000

н

о

ч

13

о о л о

О 600

800

400

10

20 30 40

Время активации, мин

Рис. 2. Зависимость скорости волны от времени активации для композитов А1/ПХК разного состава: 1 — 30/70, 2 -35/65 и 3 — 40/60 (стальные трубки диаметром 10 мм, пористость зарядов

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком