СОСТАВ ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ МЕХАНОАКТИВИРОВАННЫЙ Российский патент 2004 года по МПК C06B33/00 

Изобретение относится к области взрывчатых веществ, а именно к пиротехническим составам, содержащим в качестве горючего металл, а в качестве окислителя оксид металла, и может быть использовано в пиротехнических устройствах различного назначения: капсюлях-воспламенителях, огнепроводных шнурах и др.

Пиротехнические средства широко применяются в промышленности, космосе, военном деле и других областях. В частности, термитные составы на основе смесей алюминия с окислами металлов используются как источник энергии при сварке и обработке металлов, в зажигательных и безгазовых составах (см., например, А.А.Шидловский. Основы пиротехники. - М.: Машиностроение, 1973, с. 284-287).

Скорость горения алюмотермитных составов, приготовленных из промышленных порошков в смесителях лопастного или мельничного типа, обычно не превышает 10-20 мм/с, что ограничивает область их применения.

Наиболее близким составом к предлагаемому по технической сущности (прототипом) является известный термитный состав, содержащий в качестве горючего промышленный порошок металлического алюминия (Al) и в качестве окислителя триоксид железа (Fе₂О₃) при массовом соотношении Al:Fe₂O₃=1:3 (А.А.Шидловский. Основы пиротехники. - М.: Машиностроение, 1973, с.219).

Состав прототип отличается высокими энергетическими показателями, хорошей стойкостью и простотой изготовления (перемешивание компонентов в обычных смесителях), но из-за низкой скорости горения (10-20 мм/с) и трудной воспламеняемости его применяют в основном при сварке металлов, термитно-зажигательных составах, но, например, для использования в капсюлях-воспламенителях или огнепроводных шнурах он не пригоден.

Задачей предлагаемого изобретения является создание такого состава, который, сохраняя достоинства прототипа, а именно высокие энергетические показатели, хорошую стойкость и простоту изготовления из промышленных порошков, обладал бы значительно более высокой скоростью горения и воспламеняемостью, что позволит использовать его в качестве воспламеняющего состава в капсюлях-воспламенителях, огнепроводных шнурах и других пиротехнических устройствах.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым пиротехническим составом, содержащим промышленные порошки алюминия и оксид металла, который в качестве оксида металла содержит триоксид молибдена (МоО₃) и содержит оба компонента, предварительно механоактивированные путем перемешивания и измельчения в энергонапряженной шаровой мельнице в присутствии 30-50% по массе нейтральной жидкости, при следующем соотношении, мас.%:

Алюминий 35 - 50

МоО₃ Остальное

Нейтральная жидкость, в присутствии которой проводится механическая активация порошков компонентов предлагаемого состава, представляет собой жидкий летучий углеводород.

В качестве исходных компонентов в предлагаемом составе используются промышленно производимые порошки алюминия и МоО₃ технической чистоты с содержанием активных компонентов более 95%. Триоксид молибдена в качестве окислителя был выбран из-за высокого содержания кислорода и реологических свойств кристаллов, позволяющих при смешении в мельнице добиваться уменьшения размеров частиц и большей гомогенности перемешивания по сравнению с другими оксидами. Триоксид вольфрама не уступает МоО₃, но значительно дороже. Оксид железа (Fе₂О₃) для использования в предлагаемом составе не пригоден из-за его высокой твердости (из-за абразивного эффекта возможно возникновение химической реакции с алюминием на стадии перемешивания). Средний размер исходного промышленного порошка МоО₃ составляет 40-50 мкм. Алюминиевые порошки разных марок имеют различную дисперсность. В предлагаемом составе можно использовать различные промышленные порошки алюминия: полидисперсный Аl с размерами частиц 1-100 мкм и удельной поверхностью более 0,4 м²/г, например, сферический Аl со средним размером частиц 5-7 мкм (типа АСД-4) или пиротехническую пудру с частицами чешуйчатой формы толщиной 1-2 мкм и поперечными размерами до 100 мкм (типа ПП-2).

Смешение и механическая активация компонентов предлагаемого состава производится в энергонапряженной шаровой мельнице в нейтральной атмосфере с добавлением 30-50% по массе нейтральной жидкости. В качестве нейтральной жидкости можно использовать любой летучий жидкий углеводород: алифатический, циклический или ароматический, например гексан, толуол, циклогексан, бензин и др. При этом режимы обработки подбираются таким образом, чтобы происходило уменьшение размеров крупных частиц до 15-20 мкм, происходила максимальная гомогенизация (перемешивание) смеси, но химического взаимодействия между компонентами не было. Для смешения и активации может быть использована вибрационная мельница Аронова (Аронов М.И. Приборы и техника эксперимента, 1959, № 1, с.153) с энергонапряженностью 9 Вт/г, время смешения компонентов 3-4 мин. После смешения готовая смесь высушивается до удаления жидкости.

Пример.

33 г порошка МоО₃ технической чистоты и 27 г алюминиевого порошка марки ПП-2 помещают в вибрационную мельницу с энергонапряженностью 9 Вт/г и заливают 30 г гексана. Барабан мельницы продувается аргоном. Обрабатывают смесь в мельнице в течение 3 мин циклами по 30 сек с промежутками в 1 мин. Размер частиц в полученной гомогенной смеси порошков составляет 15-20 мкм. Удаляют гексан из смеси высушиванием.

Относительная плотность состава 0,3. Скорость горения 400 м/с.

В результате испытаний предлагаемого состава при других соотношениях компонентов в заявленных пределах установлено: состав имеет высокую скорость горения: при уплотнении до 0,7 от максимальной плотности скорость горения = 1,5-2 м/с в зависимости от типа использованного алюминия, а при уплотнении 0,3-0,4 происходит ускорение горения до 400 м/с с переходом во взрыв. Состав легко воспламеняется от теплового источника с температурой выше 600°С (нагрев нихромовой проволочки электротоком) и выдерживает нагрев на воздухе до 300°С в течение длительного времени (более 8 часов). При механическом воздействии (удар - падение груза 10 кг с высоты 1 м) состав не взрывается.

Как видно из приведенных результатов испытаний, предлагаемый состав значительно превосходит известный состав (прототип) по скорости горения и воспламеняемости, что позволит использовать его в капсюлях-воспламенителях, огнепроводных шнурах и других пиротехнических устройствах с высокими требованиями по скорости горения и воспламеняемости.

Важно отметить, что столь высокие скорости горения и воспламеняемость для алюмотермитных составов на основе порошков алюминия с частицами микронного размера (5-20 мкм) в литературе не описаны. Такие скорости (от 20 см/с до 400 м/с) характерны для разрабатываемых в последнее время пиротехнических составов нового типа - так называемых “метастабильных межмлекулярных композитов” (MIC) (Son S.F., Busse J.R., Asay B.W. et al. Propagation Studies of Metastable Intermolecular Composites (MIC) // In - Proc. Twenty-Ninth Intern. Pyrotechnics Seminar. Edited by F.J. Schelling. Westminster, Colorado July 14-19, 2002, pp.203-212), которые содержат наночастацы алюминия с размером порядка 20-100 нм. Технология изготовления такого ультрадисперсного алюминия очень сложная и пожароопасная. Из-за крайне высокой активности такого алюминия его нельзя использовать сразу после изготовления без предварительной пассивации. Пригодный к использованию и длительному хранению наноразмерный алюминий содержит значительное количество окисной пленки (до 20-40% по массе от активного алюминия), что значительно снижает энергетические характеристики MIC-состава. Кроме того, смешение компонентов MIC-состава проводят на субмикронном уровне специальными дорогостоящими способами, например, с использованием ультразвукового смешения суспензии компонентов в избытке дисперсионной жидкости.

Метастабильный композит MIC, как и предлагаемый состав, благодаря характерным для них высоким скоростям горения и воспламеняемости можно использовать в быстродействующих электрических капсюлях-воспламенителях без наиболее часто использующихся свинецсодержащих воспламеняющих веществ (S. F. Son, M. A. Hiskey, D. L. Naud et al. Lead-Free Electric Matches // In - Proc. Twenty-Ninth Intern. Pyrotechnics Seminar. Edited by F.J. Schelling. Westminster, Colorado July 14-19, 2002, pp.871-877).

Таким образом, предложен пиротехнический состав, который обладает высокой скоростью горения и воспламеняемостью и в то же время отличается высокими энергетическими характеристиками, хорошей температурной стойкостью и простотой изготовления из промышленных порошков алюминия и триоксида молибдена. Продукты сгорания состава не содержат вредных веществ.

Изобретение относится к области взрывчатых веществ, а именно к пиротехническим составам, содержащим в качестве горючего металл, а в качестве окислителя оксид металла. Состав может быть использован в пиротехнических устройствах различного назначения: капсюлях-воспламенителях, огнепроводных шнурах и др. Предложен пиротехнический состав, содержащий промышленные порошки алюминия и триоксида молибдена (МоО₃), которые предварительно механоактивированы в энергонапряженной шаровой мельнице в присутствии 30-50 мас.% нейтральной жидкости. Этот состав обладает высокими скоростями горения и воспламеняемостью и в то же время отличается высокими энергетическими характеристиками, хорошей стойкостью и простотой изготовления из промышленных порошков алюминия и триоксида молибдена. Продукты сгорания состава не содержат вредных веществ. 1 з.п. ф-лы.

1. Пиротехнический состав, содержащий промышленные порошки алюминия и оксида металла, отличающийся тем, что в качестве промышленного порошка оксида металла он содержит промышленный порошок триоксида молибдена, при этом промышленные порошки алюминия и триоксида молибдена предварительно механоактивированы путем перемешивания и измельчения в энергонапряженной шаровой мельнице в присутствии 30-50 мас.% нейтральной жидкости при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Промышленный порошок

алюминия 35-50

Промышленный порошок

триоксида молибдена Остальное