ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК C06B45/14 C23C14/14 

Изобретение относится к пиротехническому материалу и способу его изготовления, и, в частности, к пиротехническим цепям, пригодным для использования в системах задержки с одинарными или множественными цепями для передачи зажигания и детонации.

Обычные пиротехнические устройства, как правило, изготавливаются из гранулированных пиротехнических композиций, состоящих из плотных смесей тонкоизмельченных частиц материалов, выбранных и перемешанных для получения желаемых скоростей сгорания. Системы задержки обычно конструируются посредством упаковки таких композиций в виде частиц в свинцовые трубки. Затем они могут быть подвергнуты весьма тонкому вытягиванию (волочению), с тем, чтобы создать корды (шнуры), пригодные для встраивания в узел с пиротехническими цепями.

Такой процесс является громоздким, приводит к большим затратам, опасен и требует проведения сборки в чистых помещениях. Кроме того, гранулированные пиротехнические композиции приводят к ряду проблем, которые могут изменить эксплуатационные свойства, например, в отношении отклонения от дозы к дозе, поглощения влаги и наличия естественных поверхностных окислых слоев на реагирующих частицах.

В патенте Великобритании N 2224729 кл. C 06 B 45/12, 1990, раскрыто, что эти проблемы могут быть частично разрешены посредством парового осаждения пиротехнической композиции на подложку в виде чередующихся слоев из совместно вступающих в реакцию материалов. Полученный таким образом материал имеет повышенную прочность, при этом поверхностный оксидный слой отсутствует, так что могут быть достигнуты более подходящие скорости реакции, чем в случае гранулированных композиций.

Однако многослойный материал все еще содержит дискретные фазы составляющих пиротехнических материалов, так что реакция происходит только на поверхности раздела между дискретными фазами. Поэтому как в системах с частями, так и в многослойных системах скорость реакции определяется следовательно диффузией материала к поверхности раздела. Это определяющий фактор в скорости реакции, причем он устанавливает верхний предел толщины отдельного слоя, если реакция должна оставаться самоподдерживающейся.

Техническим результатом настоящего изобретения является создание пиротехнического материала, обеспечивающего более высокие скорости распространения и более устойчивое распространение через материал, чем в существующих пиротехнических системах, а также создание способа изготовления такого материала, обеспечивающего возможность механизации и позволяющего проводить быстрый контроль относительных пропорций составляющих пиротехнических материалов, а также применять новые составляющие пиротехнические материалы и новые экзотермические процессы.

Этот технический результат достигается тем, что в пиротехническом материале, содержащем по меньшей мере два различных материала и полученном их осаждением в паровом состоянии, согласно изобретению в качестве по меньшей мере двух различных материалов использованы материалы, при одновременном осаждении которых в паровом состоянии образована однофазная в значительной степени неупорядоченная структура и способные при воздействии тепла совместно вступать в самоподдерживающуюся экзотермическую реакцию для получения более упорядоченной структуры.

Нагрев материала обеспечивает необходимый ввод энергии для преодоления термодинамических барьеров с целью перехода от в значительной степени неупорядоченной структуры, образуемой посредством совместного осаждения компонентных материалов, к более упорядоченной структуре, тем самым инициируя реакцию перехода. Составляющие материалы выбираются таким образом, что экзотермический характер перехода обеспечивает достаточную дополнительную энергию, так, чтобы переход был самоподдерживающимся. Квалифицированным специалистам в области пиротехники известен ряд соответствующих средств нагрева, например, может быть применен электрический ток, непосредственный нагрев пламенем или вторым пиротехническим материалом, лазерный нагрев, нагрев посредством трения, удара, микроволн.

В качестве по меньшей мере двух различных материалов могут быть использованы материалы, способные при воздействии тепла совместно вступать в самоподдерживающуюся экзотермическую химическую реакцию. Проще говоря, пиротехнический материал предпочтительно содержит два различных материала, один из которых в течение пиротехнической реакции функционирует соответственно как донор электронов, а второй - как акцептор электронов.

Процесс одновременного осаждения паров может обеспечить создание однофазного энергетического слоя, хотя и с полуаморфной структурой, демонстрирующей ограниченный по длине диапазон упорядочения, когда два химически активных материала находятся в непосредственной близости в атомном объеме. Поэтому здесь не требуется объемная диффузия материала к месту реакции, которая обычна для всех известных систем, причем реакция, как только она началась последовательно протекает с гораздо более высокой скоростью, чем в существующих материалах эквивалентной композиции. Реакция может протекать в трех измерениях, а это способствует гарантии того, что она поддерживается, когда она проходит через пиротехнический материал.

Изобретение нелегко применить к термитному (металл/окись металла) классу пиротехнических композиций, поскольку одновременное осаждение этих материалов представляет собой значительные практические трудности. Эти пиротехнические композиции требуют химически активных составляющих, содержащих отдельный металлический компонент и отдельный компонент в виде окиси металла, что наиболее легко достигается посредством сохранения в материале двух отдельных фаз. Однако это, в частности, применимо к материалам, которые образуют интерметаллические продукты реакции, которые, как будет понятно квалифицированным специалистам в этой отрасли, включают композиции, где материалом-акцептором электронов является бор, углерод, кремний или германий. Примером являются композиции с переходным металлом, состоящие из переходного металла в качестве донора электронов и элемента из группы IIIB или IVB системы обозначений Международного союза чистой и прикладной химии в качестве акцептора электронов. Этот класс пиротехнических композиций подвергается в значительной степени экзотермической, фактически безгазовой реакции в твердом состоянии для образования интерметаллических продуктов.

Следовательно композиция пиротехнического материала предпочтительно такова, что в ней материалом-донором электронов является переходный металл, а материал-акцептор электронов выбирается из материалов, содержащихся в группах IIIB и IVB системы обозначений Международного союза чистой и прикладной химии периодической таблицы.

Преимущество настоящего изобретения заключается в том, что оно не ограничено обычными составляющими пиротехнических материалов, в которых происходит самоподдерживающаяся экзотермическая химическая реакция. Поскольку пиротехнический материал осаждается в виде частично аморфной, неупорядоченной структуры, изобретение обеспечивает возможность применения экзотермических физических реакций, которые обеспечивают повышение структурной упорядоченности для пиротехнических целей. Например, осаждение двух или более элементов с соотношением, соответствующим композиции в виде устойчивого сплава, позволяет образовать слой, имеющий неустойчивую структуру, в которой разные компонентные материалы находятся в непосредственном контакте на атомном уровне, но не точно в твердом растворе. Такие материалы, когда они подвергаются воздействию тепла для обеспечения энергии, инициирующей преобразование, могут подвергаться самоподдерживающемуся переходу в истинное состояние сплава, где энергия для поддерживания перехода получается от тепла раствора конкретной композиции.

Поэтому в качестве по меньшей мере двух различных материалов могут быть использованы материалы, способные при воздействии тепла совместно вступать в самоподдерживающуюся экзотермическую физическую реакцию.

При этом в качестве различных материалов могут быть использованы материалы, один из которых в твердом состоянии растворим в другом материале, отличном от первого.

Кроме того, пиротехнический материал может быть получен осаждением по меньшей мере двух различных материалов на подложку. Подложка может представлять собой инертный или химически активный материал. Использование подложки особенно целесообразно при применении изобретения к пиротехническим цепям, которые могут содержать пиротехнический слой, осажденный на подложку в соответствующей конфигурации.

Вышеуказанный технический результат достигается также и тем, что в способе изготовления пиротехнического материала, заключающемся в том, что по меньшей мере два различных материала в виде паров осаждают на подложку, согласно изобретению, в качестве по меньшей мере двух различных материалов выбирают материалы, способные при воздействии тепла совместно вступать в самоподдерживающуюся экзотермическую реакцию, а осаждение их на подложку осуществляют одновременно.

При этом осаждение по меньшей мере двух различных материалов в виде паров осуществляют посредством напыления несбалансированным магнетроном.

Ниже варианты осуществления изобретения будут описаны более подробно лишь со ссылками на фигуры, на которых фиг. 1 изображает вид в плане варианта планарной пиротехнической цепи задержки, содержащей пиротехнический материал, согласно изобретению; фиг. 2 - поперечное сечение по линии А-А пиротехнического материала согласно фиг. 1; фиг. 3 - вид в плане примера планарной пиротехнической множественной цепи. Содержащей пиротехнический материал, показанный на фиг. 2; фиг. 4 графически представляет рентгеновский дифракционный анализ пиротехнического материала, показанного на фиг. 2, до и после пиротехнической реакции; фиг. 5 - рентгеновский дифракционный анализ известного из уровня техники многослойного пиротехнического материала эквивалентной композиции до и после пиротехнической реакции; фиг. 6 изображает поперечное сечение альтернативного варианта выполнения пиротехнического материала, согласно изобретению; фиг. 7 - вид в плане альтернативного варианта выполнения пиротехнического материала, согласно изобретению; фиг. 8 - вид устройства, используемого для осаждения энергетического слоя; фиг. 9 - поперечное сечение по линии В-В устройства, показанного на фиг. 8.

На фиг. 1 представлена пиротехническая цепь задержки, образованная пленкой 1 подложки, на которую осажден пиротехнический материал 2, содержащий смесь одновременно осажденных паров двух совместно химически активных материалов в соответствующих пропорциях, так что может быть начата самоподдерживающая экзотермическая химическая реакция, при этом один из совместно химически активных материалов функционирует в качестве донора электронов, а другой в качестве акцептора электронов. В этом варианте осуществления пиротехническая реакция начинается посредством приложения разности потенциалов к выходам 3, а после этого она продолжается по цепи задержки. На фигуре 2 показано поперечное сечение по части материала.

Квалифицированным специалистам в данной отрасли будет очевидно, что уместны многие составляющие материалы и нижеуказанное представляет собой только примеры. Ввиду преимуществ композиций, включающих переходный металл и материал-акцептор электронов группы III или IV, был изготовлен пиротехнический материал с использованием Ti/C и Ti/B в качестве составляющих пиротехнических систем. Хотя титан и бор обеспечивают более энергетическую реакцию, скорость напыления бора весьма мала и это, безусловно, ограничивает скорость напыления совместно осаждаемого слоя. Более приемлемые скорости напыления могут быть получены в случае углеродного источника, причем в обсуждаемом ниже пиротехническом материале титан используется в качестве донора электронов, а углерод в качестве акцептора электронов, и этот пример обеспечивает быструю энергетическую реакцию с приемлемыми скоростями напыления.

Посредством совместного осаждения двух составляющих элементов пиротехнического материала может быть создана однофазная структура, которая имеет форму сильно искаженной решетки, демонстрирующей упорядоченный диапазон ограниченной длины. При этом совместно вступающие в реакцию составляющие материалы находятся в значительно большей непосредственной близости, чем в существующих пиротехнических материалах эквивалентной композиции, так что как только посредством воздействия тепла начинается реакция, эта реакция проходит весьма быстро с образованием карбида титана.

На фиг. 4 и 5 проиллюстрировано это различие, при этом на них показаны траектории дифракции рентгеновских лучей, полученные как перед реакцией (A), так и после нее. (B) соответственно для материала согласно фигурам 1 и 2 и многослойного материала из титана/углерода. На каждом графике представлена зависимость интенсивности рентгеновского сигнала (1) от угла Брегга.

На фиг. 5 до реакции четко видны пики интенсивности 4, соответствующие характерным пикам для титана, показывающие, что титановые слои многослойного материала имеют высокого упорядоченную решетчатую структуру. Аморфные углеродные слои не содействуют траектории дифракции рентгеновских лучей. После реакции в траектории дифракции рентгеновских лучей обнаружены характерные пики 25, которые соответствуют упорядоченной, гранецентрированной кубической решетке карбида титана.

На фиг. 4, напротив, представлены лишь весьма широкие пики 6 уменьшенной интенсивности на траектории до реакции (A). Эти пики 6 соответствуют отражениям, характерным для карбида титана, указывая на некоторую степень упорядочения, однако расширяющаяся и уменьшенная интенсивность указывает на то, то энергетический слой имеет сильно искаженную полуаморфную структуру. Это говорит о значительной степени перемешивания титана и углерода в атомном масштабе, но при относительно небольшой упорядоченности решетки, и заметно контрастирует с сильно кристаллической структурой карбида титана, представленной пиками 25 на траектории дифракции рентгеновских лучей из материала после реакции (B). Также имеются небольшие пики 27, указывающие на наличие небольшого количества не вступившего в реакцию титана.

На фиг. 3 представлено альтернативное применение пиротехнического материала. Показана множественная цепь, содержащая пленку 1, на которую наложена схема путей прохождения реакции пиротехнического материала 2, содержащего совместно осажденные титан и углерод, при этом пути взаимосвязаны различным образом и проходит к кромочным входам 8-12. При ее проведении реакция инициируется посредством подвода энергии (электрической, от внешнего источника тепла, фрикционной и т.д.) к одному из выходов, например, к выходу 8, а затем реакция продолжается по путям ее распространения с равномерной скоростью, определяемой кинетикой реакции пиротехнического материала для обеспечения источника воспламенения на остальных выходах 9-12.

Установлено, что совместно осажденные материалы, представленные на фигурах 1-3, обладают высокой химической активностью. Например покрытие, подготовленное согласно фиг. 1, легко воспламеняется посредством приложения разности потенциалов порядка 15B при 8A к двум электродам через выходы 3, при этом получались скорости распространения реакции порядка 3 м/сек. Их можно сравнить с наиболее высокими из указанных скоростей распространения для системы с титановоуглеродным порошком, которые составляют порядка 3 см/сек. Установлено, что проблемы, с которыми приходится сталкиваться в случае многослойных материалов при получении полного и равномерного распространения по длинной цепи, в значительной степени снижаются посредством увеличенной химической активности и однофазового характера энергетического слоя.

Альтернативный вариант осуществления пиротехнического материала согласно изобретению представлен на фиг. 6, на которой показана химически активная пленка 13, содержащая совместно осажденную смесь титана и углерода на стеклянную или керамическую подложку 14. Для того, чтобы улучшить адгезию химически активной пленки 13, титановый слой 15 толщиной приблизительно 0,5 мкм в начале осаждается непосредственно на подложку, а после этого химически активная пленка 13 осаждается на титановый слой 15. Установлено, что этот дополнительный слой полезен, в частности, тогда, когда устройство, которое используется для изготовления пиротехнического материала, не включает в себя источник со смещением высокой радиочастоты, поскольку в этом случае адгезия может представлять собой проблему. Пиротехнический материал управляется дополнительным слоем 16 из стекла или керамики с низкой теплопроводностью, с тем, чтобы свести к минимуму ослабление реакции вследствие вторичных тепловых потерь и концентрировать энергию, генерируемую реакцией, в направлении прохождения реакции.

Вариант осуществления согласно фигуре 7 представляет собой иллюстрацию пиротехнической энергии, получаемой в материале, созданном согласно изобретению. Слой 17, содержащий смесь из одновременно осажденных паров палладия и алюминия осаждается до толщины 4 мкм на подложку, которая в этом варианте осуществления представляет собой толстое стекло 18 толщиной 1 мм. Установлено, что этот материал для его введения в действие требует подвода значительной энергии: электроды переменного тока, прилагаемые к выходам 19, не могут обеспечить последовательное поддерживаемое распространение, однако слой 17 может быть успешно инициирован посредством микроволнового излучения. Затем слой подвергается весьма энергетической пиротехнической реакции, достаточной не только для разбивки стекла 18, но также и для обеспечения локализованного по толщине расплава стекла.

Способ изготовления пиротехнического материала согласно изобретению, а точнее способ изготовления пиротехнической цепи согласно фиг. 1 и 3, ниже будет описан со ссылками на фиг. 8 и 9.

Три несбалансированных магнетрона 20 диаметром 150 мм, питаемые магнетронными приводами мощностью в 5 кВт постоянного тока, монтируются на плите 21 основания. Над магнетронами 20 расположен охлаждаемый водой держатель 22 подложки. На фиг. 8 держатель подложки отсутствует, однако его место показано пунктирной линией. На каждом магнетроне 20 установлена мишень из углерода 23 или титана 24, обеспечивающая материал, подлежащий осаждению. Они связаны с магнетронами 20 посредством электропроводного адгезива. Хорошая электропроводность между мишенью и плитой основания магнетрона обеспечивает использование более высоких мощностей, что увеличивает скорости осаждения. Это особенно важно для углерода, когда скорости напыления слабее, чем для большинства металлических источников. Однако установлено, что, например, при такой электропроводно связанной мишени при мощности магнетрона в 1,5 кВт может быть достигнута скорость осаждения углерода порядка 3 мкм/час, которая, хотя и медленнее, чем у титана, составляет порядка той величины, которая делает возможным совместное осаждение. Устройство в целом размещено в вакуумной камере (на чертеже не показана).

Лицевая поверхность подложки 1 вначале очищается и подготавливается, после чего подложка 1 помещается на держатель 22 подложки. Одновременно осажденный слой образуется посредством одновременного напыления из всех трех мишеней 23, 24 и вращения над ними держателя 22 подложки. Напыляемый материал направляется к держателю 22 подложки под действием поля, создаваемого несбалансированным магнетронным устройством и схематически представленного на фиг. 9 посредством линии 25 поля. В камере давления должно быть достигнуто давление ниже 2•10^-3 Па, после чего под давлением 0,3 Па вводится атмосфера аргона. Две углеродные мишени 23 и одна титановая мишень 24 используются для обеспечения более медленной скорости напыления, с которой приходится сталкиваться при использовании углерода. Относительные пропорции осажденных элементов также могут регулироваться посредством регулировки мощности, прилагаемой к каждой мишени.

Для того, чтобы изготовить пиротехнические цепи, представленные на фиг. 1 и 3, готовится шаблон, имеющий отверстия, соответствующие желаемым путям распространения для пиротехнической цепи. Этот шаблон используется для маскировки опорной пластины до начала процесса осаждения, так что пиротехнический материал осаждается только на эти желаемые пути распространения. Как вариант, пиротехнический материал может быть осажден на всю подложку, а желаемая сеть путей распространения после этого маскируется покрытием, стойки к действию кислоты. Затем остальные зоны пиротехнического материала вытравливаются кислотой, с тем, чтобы создать желаемую конфигурацию пиротехнической цепи.

Для квалифицированных специалистов в этой отрасли очевидно, что выбор материалов, альтернативных тем, которые указаны в приведенных выше примерах и контроль соответствующих пропорций обеспечит изготовление разнообразных пиротехнических материалов, создаваемых согласно изобретению, применимых к определенному диапазону пиротехнических устройств и для определенных случаев использования, включая детонаторы, воспламенители, батареи и подобные термические источники.

Пиротехнический материал, в частности для пиротехнических цепей, приемлемых для использования в системах задержки с одинарными или множественными цепями для передачи зажигания и детонации, содержит по меньшей мере два различных материала, одновременно осажденных в виде паров так, чтобы создать однофазную, в значительной степени неупорядоченную структуру, причем эти различные материалы могут совместно подвергаться экзотермическому процессу. При этом в случае воздействия на них тепла образуется более упорядоченная структура. Различные материалы функционируют соответственно как материал-донор электронов и как материал-акцептор электронов и обычно представляют собой переходной металл и материал, который выбирается из элементов групп IIIB и IVB. Способ изготовления вышеупомянутого пиротехнического материала осуществляется посредством одновременного осаждения паров вышеуказанных материалов, главным образом, посредством напыления несбалансированным магнетроном. Создание указанного пиротехнического материала обеспечит более высокие скорости распространения и более устойчивое распространение реакции через материал. Указанный способ изготовления такого материала позволит также механизировать и проводить быстрый контроль относительных пропорций составляющих пиротехнический материал. 2 с.п., 7 з.п.ф-лы, 9 ил.

1. Пиротехнический материал, содержащий по меньшей мере два различных материала и полученный их осаждением в паровом состоянии, отличающийся тем, что в качестве по меньшей мере двух различных материалов использованы материалы, при одновременном осаждении которых в паровом состоянии образована однофазная в значительной степени неупорядоченная структура и способные при воздействии тепла совместно вступать в самоподдерживающуюся экзотермическую реакцию для получения более упорядоченной структуры. 2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве по меньшей мере двух различных материалов использованы материалы, способные при воздействии тепла совместно вступать в самоподдерживающуюся экзотермическую химическую реакцию. 3. Материал по п. 2, отличающийся тем, что в качестве по меньшей мере двух различных материалов использованы материалы, один из которых является донором электронов, а второй - акцептором электронов. 4. Материал по п. 3, отличающийся тем, что в качестве материала-донора электронов использован переходный металл, а в качестве материала-акцептора электронов - материалы групп IIIB и IVB системы обозначений Международного союза чистой и прикладной химии. 5. Материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве по меньшей мере двух различных материалов использованы материалы, способные при воздействии тепла совместно вступать в самоподдерживающуюся экзотермическую физическую реакцию. 6. Материал по п. 5, отличающийся тем, что в качестве различных материалов использованы материалы, один из которых в твердом состоянии растворим в другом материале, отличном от первого. 7. Материал по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что он получен осаждением по меньшей мере двух различных материалов на подложку. 8. Способ изготовления пиротехнического материала, заключающийся в том, что по меньшей мере два различных материала в виде паров осаждают на подложку, отличающийся тем, что в качестве по меньшей мере двух различных материалов выбирают материалы, способные при воздействии тепла совместно вступать в самоподдерживающуюся экзотермическую реакцию, а осаждение их на подложку осуществляют одновременно. 9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что осаждение по меньшей мере двух различных материалов в виде паров осуществляют посредством напыления несбалансированным магнетроном.