ГОРЕНИЕ ^^^^^^^^^^^^^^ И ВЗРЫВ
536.46
ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ ДОБАВОК МЕТАЛЛОВ НА СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ СМЕСЕВЫХ КОМПОЗИЦИЙ
© 2004 г. В. А. Архипов, А. Г. Коротких*, В. Т. Кузнецов. Л. А. Савельева
Научно-исследовательский институт прикладной математики и механики при Томском государственном университете *Томский политехнический университет Поступила в редакцию 01.10.2003
Представлены результаты по влиянию дисперсности добавок металлов на скорость горения смесе-вых композиций в зависимости от давления окружающей среды и содержания металла в составе модельных композиций. Экспериментальные исследования проводились на модельных составах на основе перхлората аммония и бутилкаучука марки БКЛ. В качестве металлического горючего использовали порошки алюминия со средним размером частиц 10 мкм (АСД-1), а также ультра дисперсные порошки алюминия, полученные электровзрывным способом дисперсностью 0.12 мкм. Содержание добавок металлов варьировалось в диапазоне 10-20%. Кроме того, в состав смесевых композиций вводились катализаторы (порошок железа с диаметром частиц ~100 мкм и ультрадисперсные порошки железа, меди и никеля).
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2004, том 23, № 9, с. 18-21
УДК
Повышение энергетических характеристик смесевых композиций (СК) в последние 40 лет связано с использованием порошка металла (преимущественно алюминия) в качестве одного из основных компонентов, весовое содержание которого в составах достигает 22%. Опыт эксплуатации СК в ракетных двигателях, а также обширные экспериментальные и теоретические исследования таких композиций, проводившиеся в России, США, Западной Европе, Японии и Китае, выявили ряд крупных недостатков, обусловленных недогоранием металла, "двухфазными" потерями удельного импульса и эрозионным воздействием на стенки соплового блока.
Создание нового поколения высокоэнергетических материалов требует поиска альтернативных подходов, в качестве которых перспективными представляются разработки смесевых композиций с принципиально новыми рецептурами окислителей и горюче-связующих, а также применением ультрадисперсных порошков (УДП) металлов, размеры частиц в которых на порядки ниже, чем у штатных составов. В последнее время вопросы воспламенения и горения смесевых композиций с ультрадисперсным порошком алюминия интенсивно исследуются в ряде стран [1-4].
В настоящем сообщении представлены результаты экспериментального исследования процесса горения модельных смесевых композиций, содержащих порошки ультрадисперсных металлов со средним размером частиц ~0.12 мкм. В качестве добавок использовались металлы, полученные электровзрывным способом: алюминий, железо, медь и никель.
При проведении исследований использовалась установка для измерения скорости горения СК при постоянном давлении.
Измерение скорости горения смесевых композиций проводилось в воздухе при атмосферном давлении, а также в бомбе постоянного давления, заполненной аргоном, в диапазоне давлений 1-8 МПа. Использовались образцы смесевых композиций диаметром 10 мм и высотой 30-40 мм, которые изготавливали методом прессования с последующим отверждением в сушильном шкафу при температуре 70°С в течение 7 сут.
Порядок проведения экспериментов следующий. Образец крепился на специальной платформе и помещался в герметичный сосуд. Сосуд заполнялся аргоном до заданного давления. Зажигание образца производили с помощью проволочки при подаче напряжения 220 В. Горение фиксировалось визуально по появлению пламени через окна в сосуде. Скорость горения определялась по времени прохождения фронта волны горения через определенный участок заряда. Для каждой экспериментальной точки проводилось по три-четыре эксперимента.
Экспериментальные исследования проводились на смесевых композициях с бидисперсным перхлоратом аммония с размерами частиц менее 50 мкм и 160-315 мкм, соотношение которых составляло 40/60. В качестве горючего использовали бутилкаучук марки БКЛ и отвердитель - хино-ловый эфир. В качестве металлического горючего использовали штатные порошки алюминия со средним размером частиц 10 мкм типа АСД-1, основные свойства которого представлены в рабо-
Таблица 1. Исследуемые составы смесевых композиций на основе бутилкаучука (БКЛ) и перхлората аммония (ПХА), содержащих порошок алюминия
№ состава а БКЛ, % ПХА, % Al
Содержание, % Дисперсность, мкм Марка
1 0.40 18 62 20 10 АСД-1
2 0.40 22 68 10 10 »
3 0.54 16 74 10 10 »
4 0.40 18 62 20 0.12 Alex, получен-
ный в среде
аргона
5 0.40 22 68 10 0.12 »
6 0.54 16 74 10 0.12 »
7 0.43 25 75 - - -
те [5], и ультрадисперсные порошки алюминия дисперсностью 0.12 мкм, полученные электрическим взрывом проводников в атмосфере аргона (Alex) [6]. Содержание металлических порошков варьировалось в диапазоне 10-20%. Кроме того, в состав смесевых металлизированных композиций вводились добавки катализатора (порошок железа с диаметром частиц ~100 мкм (промышленная партия) и ультрадисперсные порошки железа, меди и никеля, полученные электровзрывным способом). Добавка катализатора в количестве до 4% вводилась в состав композиций за счет уменьшения содержания штатного порошка алюминия типа АСД-1. Составы исследуемых образцов представлены в табл. 1, 2.
В результате проведенных экспериментов получены закономерности исследуемых процессов горения, законы скорости горения в зависимости от содержания и дисперсности порошка металла в составе смесевых композиций, определены зна-
чения показателей в степенном законе скорости горения.
Рассматривали горение композиций в воздухе при атмосферном давлении на неотвержденных смесевых композициях, а при давлении 1-8 МПа в среде аргона - на отвержденных. Результаты экспериментов при повышенных давлениях для смесевых композиций на основе перхлората аммония и бутилкаучука представлены на рисунке.
Для представленных зависимостей определены значения показателя в степенном законе скорости горения (V) для исследуемых композиций в зависимости от дисперсности порошка алюминия (табл. 3).
В диапазоне давлений окружающей среды 18 МПа скорость горения СК, содержащих ультрадисперсный порошок алюминия, увеличивается в 2-3 раза по сравнению с безметалльными композициями и в 1.5-2.0 раза по сравнению с композициями, содержащими порошок алюминия дисперсностью 10 мкм. При увеличении коэффициента избытка окислителя а скорость горения композиций, содержащих 10% порошка алюминия, возрастает.
Влияние металлических добавок характеризовали коэффициентом эффективности К, т.е. отношением скорости горения металлизированного состава к скорости горения безметалльной системы при прочих равных условиях.
Из табл. 4 видно, что скорость горения смесевых композиций, содержащих 10% порошка алюминия типа АСД-1, увеличивается в 1-1.5 раза в диапазоне давлений окружающей среды 1-8 МПа по сравнению с безметалльными композициями. Для СК, содержащих ультрадисперсный порошок алюминия, скорость горения увеличивается в 1.22.6 раза. Увеличение содержания крупнодисперсного порошка алюминия типа АСД-1 приводит к снижению скорости горения по сравнению с безметалльной композицией (табл. 5). Снижение скорости горения систем при введении 20% крупнодисперсного алюминия связано с недогоранием
Таблица 2. Исследуемые составы смесевых композиций на основе бутилкаучука и перхлората аммония, содержащих порошки алюминия и катализатора
№ состава а БКЛ, % ПХА, % Al Катализатор
Содержание, % Дисперсность, мкм Марка Содержание, % Дисперсность, мкм
8 0.43 18 72 10 10 АСД-1 - -
9 0.43 18 72 9 10 » 1% УДП Fe 0.160
10 0.43 18 72 6 10 » 4% УДП Fe 0.160
11 0.43 18 72 9 10 » 1% УДП Cu 0.105
12 0.43 18 72 9 10 » 1% УДП Ni -
13 0.43 18 72 6 10 » 4% Fe 100
20
АРХИПОВ и др.
металла и уходом тепла из зоны горения. Отмеченный эффект характерен только для содержания алюминия выше 10%. При введении ультрадисперсного порошка алюминия отмечен рост скорости горения, который тем выше, чем больше содержание металла, введенного в топливную композицию.
В работах [2, 7] авторы отметили рост скорости горения смесевых композиций на основе полибутадиена с концевыми гидроксильными кольцами и перхлората аммония при замене штатного порошка алюминия на ультрадисперсный порошок дисперсностью 0.15 мкм. Лизард и др. [7] получили, что при давлении окружающей среды 6.9 МПа скорость горения СК, содержащих 10% УДП Al (Alex), увеличивается в 1.9 раза по отношению к безметалльным композициям и в 2.3 раза по сравнению с композициями, содержащими порошок алюминия дисперсностью 12 мкм. Для СК, содержащих 20% УДП алюминия, скорость горения увеличивается в 2.1 раза по отношению к безметалльным композициям и в 2.9 раза по сравнению с композициями, содержащими порошок алюминия дисперсностью 12 мкм. Введение крупнодисперсного порошка алюминия в СК в количестве 10-20% вызывает снижение скорости горения.
Влияние добавки УДП металла в качестве катализатора в состав смесевых композиций также оценивалось коэффициентом эффективности процесса горения Кк (отношением скорости горения ме-
u, мм/с
0 123456789
p, МПа
Скорость горения смесевых композиций (и) в зависимости от давления окружающей среды (Р). Точки соответствуют следующим номерам составов (см. табл. 1): О - № 1, □ - № 2, Д - № 3, • - № 4, ■ - № 5, ▲ - № 6, х - № 7.
таллизированного состава с добавкой катализатора к скорости горения металлизированной системы без добавки катализатора при прочих равных условиях). Результаты исследования приведены в табл. 6. Исследования проводились в воздухе при атмосферном давлении. В качестве металлического горючего использовали штатный порошок алюминия дисперсностью 10 мкм, содержание которого составляло 10%. При введении добавок металлов скорость горения смесевых композиций возрастает в 1.1-1.47 раза.
Таблица 3. Значения показателей в степенном законе скорости горения для смесевых композиций, содержащих порошок алюминия разной дисперсности
Дисперсность Al, мкм Значение v в диапазоне давлений p = 1-8 МПа
Без Al 0.39
10 0.43
0.12 0.64
Таблица 4. Эффективность горения смесевых композиций, содержащих 10% алюминия, при разных коэффициентах избытка окислителя а в за
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.