ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ Российский патент 1999 года по МПК C06B27/00 H01M6/20 

Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано в качестве пиротехнического нагревателя (ПТН) в различных изделиях, где от используемого пиротехнического состава (ПТС) требуется выдача строго определенного количества тепла в заданный интервал времени при малом газовыделении.

Известен ПТС[1] , содержащий смесь железа (88 мас.%) и перхлората калия (12 мас. %). Данный состав имеет низкое значение газовыделения ~1,3 см³/г. Однако его недостатком является небольшое тепловыделение ~220 кал/г, что ограничивает его применение.

Известны ПТС[2] на основе циркония (15 - 50 мас.%) и хромата бария (50 - 85 мас. %). Эти ПТС обладают высокими значениями тепловыделения, но для них характерно большое количество газообразных продуктов сгорания (до нескольких десятков см³/г). Высокое давление газа приводит к необходимости делать корпус конструкции прочным, что сказывается на увеличении ее массы и габаритов. Такие ПТС после сгорания изменяют форму, и геометрические размеры из-за плавления части компонентов состава в процессе горения, что приводит к ослаблению теплового контакта между ПТН и нагреваемой частью конструкции. Кроме того, температура горения таких составов велика 2500 - 3000^oC, поэтому возникает проблема защиты конструктивных частей от теплового удара.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности является ПТС[3], содержащий порошки титана и бора, взятых в стехиометрическом соотношении или со смещенной стехиометрией в сторону избытка титана. Реакционная смесь содержит также порошок иттрия, взятый в количестве от 5 до 35 мас.% сверх состава, что соответствует массовой доле иттрия в смеси ~4,8 - 25,9 мас.%. Данный ПТС предназначен для инициирования взрывной реакции путем экзотермического взаимодействия компонентов состава с последующим контактированием реакционной массы с водой. Известный ПТС на основе стехиометрического состава Ti+2B с добавкой указанного количества иттрия характеризуется, наряду с высоким значением тепловыделения, высоким значением газовыделения. Так состав, соответствующий по рецептуре составу-прототипу (таблица 1, N 5), по нашим данным при тепловыделении 560 кал/г имеет удельное газовыделение 7,2 - 1,5 см³/г (таблица 1, N 5), поэтому при его использовании в качестве нагревательного элемента, например в тепловой батарее (ТБ), возникают проблемы, связанные с увеличением давления в герметичном корпусе, увеличением теплопроводности теплоизоляции и возможным взаимодействием образующихся газов с активным или полезным веществом изделия. Кроме того, использование такого высококалорийного состава предполагает наличие в нагревательном устройстве дополнительных элементов, предотвращающих изделие от чрезмерного перегрева, что, несомненно, усложняет его конструкцию. В свою очередь смещение рецептуры в сторону избытка титана, наряду с уменьшением калорийности состава, приводит к понижению скорости горения и соответственно к увеличению инерционного периода приведения нагревательного устройства в активное состояние.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является уменьшение значения газовыделения ПТС при сохранении высоких значений тепловыделения.

Для решения поставленной задачи в известном ПТС, содержащем порошки титана, бора и иттрия, согласно изобретению компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:
Ti - 26 - 31
B - 12 - 14
Y - 55 - 62
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, следующий: удельное газовыделение 4 - 0,3 см³/г (первое значение соответствует максимальному газовыделению, второе характеризуется газосодержанием после прошедшего поглощения); тепловыделение 460 - 580 кал/г; скорость горения 50 - 95 мм/с.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый ПТС отличается от известного новым соотношением компонентов. Экспериментально установлено, что использование указанного соотношения компонентов позволяет не только сохранить высокое значение тепловыделения (температура горения не превышает 2000^oC), но и получить низкое значение газовыделения. Данный эффект обеспечивается в результате взаимодействия иттрия с газами, которое может идти как по пути образования химических соединений, так и путем сорбции или растворения. Кроме того, действие проактивированного в ходе химической реакции газопоглотителя распространяется практически на все газы, кроме инертных, которые могут образовываться как вследствие горения ПТС, так и разогрева конструктивных частей изделия.

Заявляемый ПТС готовится механическим перемешиванием исходных компонентов в шаровой мельнице. Для приготовления реакционных смесей использовались порошок титана марки ТПАТ, порошок иттрия с фракцией частиц менее 40 мкм и порошок бора с фракцией частиц менее 1 мкм.

Тепловыделение состава определялось на калориметре В-08М. Газовыделение определялось при помощи датчика давления МДД-ТЕ с непрерывной регистрацией на светолучевом осциллографе Н017. Относительная плотность запрессовки состава составляла 0,7. Скорость горения определялась по времени срабатывания фотодиодов, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга.

Результаты опытов сведены в таблицу.

Из таблицы видно, что получен ряд составов на основе системы Ti-B-Y с различным соотношением компонентов, характеризующихся низким значением газовыделения: 4 - 0,3 см³/г (N 1 - 3, таблица 1). Состав по п. N 5 относится к прототипу и имеет высокое значение максимального газовыделения (7,2 см³/г). Состав по п. N 4 не соответствует эффективному газопоглащению и имеет высокое минимальное значение газовыделения равное 3 см³/г. Тепловыделение составов по п. N 1 - 3, составляет 460 - 580 кал/г, что достаточно для достижения рабочих температур изделия, с другой стороны позволяет отказаться от конструктивных дополнительных элементов, предотвращающих изделие от теплового удара.

Согласно экспериментальным данным, приведенным в таблице, оптимальный технический результат наблюдается у составов по п. 1, 2 и 3, т.е., мас.%:
Ti - 26 - 31
B - 12 - 14
Y - 55 - 62
Заявляемый пиротехнический состав позволяет обеспечить температуру горения не более 2000^oC и таким образом отказаться от дополнительных конструкций, предотвращающих элементы изделия от чрезмерного перегрева и теплового удара; сохранить при этом высокие значения скорости горения 50 - 95 мм/с и тепловыделения 460 - 580 кал/г, необходимые соответственно для быстрого приведения в действие изделия и достижения рабочих температур; понизить значение удельного газовыделения (4 - 0,3 см³ /г) за счет приведения в ходе химической реакции добавки металла в активное состояние и эффективного газопоглощения ей образующихся газов.

Кроме того, создание малогазового состава с большим значением тепловыделения создает благоприятные условия для уменьшения габаритов ПТН и соответственно их массы.

Использование в качестве пиротехнического нагревателя. Сущность изобретения: состав содержит, мас.%: Тi 26-31, В 12-14, Y 55-62. Состав готовится перемешиванием исходных компонентов в шаровой мельнице. Технический результат: удельное газовыделение: 0,3-4 см³/г смеси, тепловыделение 460-580 кал/г смеси, скорость горения 50-95 мм/с. 1 табл.

Пиротехнический состав, содержащий порошки титана, бора и иттрия, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Ti - 26-31
B - 12-14
Y - 55-62