МЕТАТЕЛЬНОЕ ВЗРЫВЧАТОЕ ВЕЩЕСТВО СТАРОВЕРОВА - 20 /ВАРИАНТЫ/ Российский патент 2015 года по МПК C06B27/00 C06B25/00 C06B31/00 C06B47/10 C06D5/06 

Изобретение относится к смесевым метательным взрывчатым веществам, далее МВВ (пора вводить отдельный подкласс - МВВ с выделением водорода или преимущественно водорода) и имеет повышенное по сравнению с другими реакциями тепловыделение. Иначе говоря, к смесевым порохам.

Известны заряды к легкогазовому оружию, см., например, мои пат. №№2488672, 2490244 и т.п., которые при сгорании выделяют из газов чистый водород, или преимущественно водород. Но их тепловыделение не максимально.

Задача и технический результат изобретения - повышение начальной скорости снарядов и пуль путем выделения преимущественно водорода и путем рационального применения двух энергетических реакций - окисление углерода, бора или металлов, и образование нитрида бора. А также регулирование скорости горения заряда.

Эта цель достигается, во-первых, тем, что происходит реакция «половинного горения» гидридов и боргидридов (то есть окисляется только металл, иногда бор). А во-вторых, тем, что идет вторая энергетическая реакция - реакция бора с азотом с образованием нитрида бора. При температуре 800-1200°C происходит реакция:

То есть на единицу добавленного бора получается добавочное тепловыделение 23,37 кДж/г. Такая добавка улучшит тепловыделение любого МВВ.

Понятно, что количество атомов бора и азота должно относиться как 1:1+-20% (не считая тех случаев, когда бор используется и в качестве основного горючего).

Однако возможна реакция образования не только нитрида бора, но и нитридов металлов. По теплотворной способности реакции с бором может состязаться только бериллий - удельная энтальпия образования нитрида бора -10,18 кДж/г, а нитрида бериллия -10,54 кДж/г.

Реакция образования нитридов лучше идет в присутствии восстановителей - угля, сажи, графита, графена, водорода. В некоторых реакциях происходит выделение углерода, поэтому в добавочных количествах восстановителя они не нуждается, в других случаях рекомендуется добавлять мелкодисперсный уголь, графит, сажа или графен в количестве 0,0001-1% (оптимально 0,01-0,1%). Присутствие водорода в продуктах реакции уменьшает или даже исключает потребность в углероде.

ВАРИАНТ 1. Высокая энергетика реакции и достаточно большое выделение водорода будет у МВВ, реализующих тройные (три компонента) двуэнергетические реакции (две тепловыделяющих реакции) боргидрида бериллия, и/или боргидрида лития, и/или боргидрида алюминия, и/или боргидрида лития-алюминия, и/или боргидрида кремния с окислителем, содержащим связанный азот, и с третьим компонентом - гидридом бериллия, и/или гидридом лития, и/или гидридом алюминия, и/или гидридом лития-алюминия, и/или гидридом кремния, и/или гидридом бора, где соотношение первых двух компонентов берется исходя из баланса «бор-азот», а затем количество третьего компонента берется исходя из баланса «кислород-металл и, если он есть в третьем компоненте, бор», а водород не окисляется и выделяется в результате реакции.

Наиболее логично использовать одинаковые металлы в первом и в третьем компонентах, но возможно сочетание разных металлов, или металла и бора, например, боргидрид бериллия, окислитель и гидрид лития-алюминия; или боргидрид бериллия, окислитель и тетраборан.

Логичным будет также использование боранов в тех МВВ, где первым компонентом является боргидрид алюминия или кремния, так как горение бора дает большее тепловыделение, нежели горение алюминия или кремния (по убыванию тепловыделения реально применимые элементы расположены так: бериллий, литий, бор, алюминий кремний, магний).

ПРИМЕР 1 При герметизации полости гильзы во время хранения возможна следующая реакция с пятиокисью азота:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 20,88%+-15%, пятиокись азота - 56,6%+-15%, гидрид бериллия - 23,12%+-10% (здесь и далее - масс. %).

Тепловыделение достаточно высокое - 17,76 кДж/г.

Может пойти побочная реакция образования воды из водорода, но при таких температурах гидрид бериллия или сам бериллий будут реагировать с водяными парами и разлагать воду обратно до водорода.

Может пойти побочная реакция образования оксида бора, но в присутствии вышеназванных восстановителей он будет реагировать с азотом с образованием нитрида бора.

ВАРИАНТ 2. Однако в качестве третьего компонента в предыдущем случае может быть взят первый компонент, и бор при этом будет не только связывать азот, а и являться горючим. То есть такое МВВ реализует двухкомпонентную двуэнергетическую реакцию боргидрида бериллия, и/или боргидрида лития, и/или боргидрида алюминия, и/или боргидрида лития-алюминия, и/или боргидрида кремния с окислителем, содержащим связанный азот, где соотношение компонентов берется исходя из двух балансов: «азот-бор» и «кислород-металл плюс бор», а водород не окисляется и выделяется в результате реакции.

ПРИМЕР 2а

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 46,84%+-15%, динитрамид аммония - 53,16%+-15% (здесь и далее - масс. %).

ПРИМЕР 2б

Соотношение компонентов: боргидрид алюминия - 48,99%+-15%, динитрамид аммония - 51,01%+-15%.

Как сказано выше, такое МВВ целесообразно в основном для боргидридов алюминия и кремния. Для лития оно нецелесообразно. Но, так как литий плохо разделяется от алюминия, то с экономической точки зрения целесообразно использовать комплексное соединение - боргидрид лития-алюминия. В этом случае использование связанного диборана, находящегося в боргидриде, целесообразно.

ПРИМЕР 2в

Соотношение компонентов: боргидрид лития - 46,75%+-15%, динитрамид аммония - 53,25%+-15%.

Реакция боргидрида лития-алюминия представляет собой сумму реакций \4\ и \5\.

ВАРИАНТ 3. Как сказано выше, еще большей удельной энтальпией образования, чем нитрид бора, обладает нитрид бериллия. То есть такое МВВ реализует двухкомпонентную двуэнергетическую реакцию гидрида бериллия с окислителем, содержащим связанный азот, где соотношение компонентов берется исходя из баланса «бериллий-азот плюс кислород», а водород не окисляется и выделяется в результате реакции. То есть на единицу добавленного бериллия тепловыделение составит 21,47 кДж/г (это несколько хуже, чем у бора - 23,37 кДж/г).

ПРИМЕР 3

Соотношение компонентов: гидрид бериллия - 44,96%+-15%, пятиокись азота - 55,04%+-15%. Тепловыделение несколько меньше, чем в реакции \2\ - 17,14 кДж/г (против 17,76 кДж/г).

ВАРИАНТ 4. Несколько большее тепловыделение можно получить в трехкомпонентном МВВ, реализующем реакцию боргидрида бериллия, и/или боргидрида лития, и/или боргидрида алюминия, и/или боргидрида лития-алюминия, и/или боргидрида кремния с окислителем, содержащим связанный азот, и с третьим компонентом - бериллием, и/или литием, и/или алюминием, и/или кремнием, и/или бором, и/или магнием, где соотношение первых двух компонентов берется исходя из баланса «бор-азот», а затем количество третьего компонента берется исходя из баланса «кислород-металл и, если он есть в третьем компоненте, бор», а водород не окисляется и выделяется в результате реакции. Однако водорода в такой реакции выделится значительно меньше, чем в варианте 1.

ПРИМЕР 4

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 10,05%+-5%, пятиокись азота - 45,25%+-15%, магний - 44,70%+-15%. Разумеется, если бы вместо магния использовать бериллий, тепловыделение было бы значительно больше. Но применение дешевых и нетоксичных кремния, алюминия, магния целесообразно в артиллерийских и стрелковых устройствах, где удельные показатели не очень существенны, например, в наземных и морских орудиях. В авиационных и танковых орудиях. В орудиях зенитных установок желательно применение более сильных составов. Как и в варианте 1, экономически целесообразно использовать одинаковые металлы в первом и в третьем компонентах. Рассмотрим некоторые варианты таких реакций.

СОЕДИНЕНИЯ БЕРИЛЛИЯ.

Бериллий дает наилучшее тепловыделение - при «половинном горении» (только металл) в кислороде бериллий дает наибольшую теплоту реакции - 23,91 кДж/г-смеси.

Рассмотрим реакции наиболее энергетичных бериллия и боргидрида бериллия с разными окислителями.

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 35,27%+-10%, динитрамид аммония (далее ДНА) - 56,52%+-15%, бериллий - 8,21%+-5%.

При герметизации полости ракетного двигателя возможна следующая реакция с пятиокисью азота:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 21,18%+-10%, пятиокись азота - 59,10%+-15%, бериллия - 19,72%+-10%.

Возможна реакция боргидрида бериллия с нитратом бора и бериллием:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 18,00%+-15%, нитрат бора - 61,04%+-20%, бериллий - 20,96%+-10%.

Возможна реакция боргидрида бериллия и гидрида бериллия с нитратом бериллия:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 18,63%+-15%, нитрат бериллия - 64,02%+-20%, бериллий - 17,35%+-10%.

Возможна реакция с нитратом аммония:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 28,30%+-15%, нитрат аммония 58,53%+-20%, бериллий - 13,17%+-10%.

С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 24,53%+-10%, шестиокись азота - 58,33%+-15%, бериллий - 17,14%+-10%.

СОЕДИНЕНИЯ ЛИТИЯ-АЛЮМИНИЯ.

Более дешевой химической реакцией может быть также тройная (участвуют три компонента) двуэнергетическая (идут две энергетических реакции: кислород-металл и азот-бор) реакция лития или алюминия и их соединений с участием бора. Литий обладает вторым после бериллия тепловыделением на единицу смеси - 19,93 кДж/г, а алюминий - на четвертом месте - 16,43 кДж/г-смеси. Но алюминий обладает другими достоинствами - он недефицитен и нетоксичен. Литий трудно разделяется с алюминием, и поэтому наиболее распространено их комплексное соединение.

Соотношение компонентов: боргидрид лития - 36,46%+-10%, динитрамид аммония - 51,92%+-15%, литий - 11,62%+-5% (здесь и далее - масс. %).

Или возможна такая же реакция с алюминием:

Соотношение компонентов: боргидрид алюминия - 37,33%+-10%, динитрамид аммония - 48,58%+-15%, алюминий - 14,09%+-5%.

Реакция с боргидридом и гидридом лития-алюминия является сумой этих двух реакций (и далее также следует иметь в виду, что реакция с литием-алюминием эквивалентна двум реакциям - с литием и с алюминием):

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 37,12%+-10%, динитрамид аммония - 49,38%+-15%, литий и алюминий (здесь и далее - сплав в соотношении атомов 1:1) - 13,50%+-5%.

Возможна реакция с более доступным нитратом аммония безводным:

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 20,96%+-10%, пятиокись азота - 48,54%+-15%, литий и алюминий - 30,50%+-10%.

Высокоэнергетична реакция с пятиокисью азота:

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 29,04%+-10%, нитрат аммония - 49,84%+-15%, литий и алюминий - 21,12%+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 12,30%+-10%, нитрат бора - 51,91%+-15%, литий и алюминий - 35,79%+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 17,64%+-10%, нитрат бериллия - 50,30%+-15%, литий и алюминий - 32,06%+-10%.

С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 24,61%+-10%, шестиокись азота - 48,55%+-15%, литий и алюминий - 26,84%+-10%.

СОЕДИНЕНИЯ КРЕМНИЯ.

Кремний находится на пятом месте по тепловыделению реакции с кислородом - 15,06 кДж/г-смеси. Но он обладает другим достоинством - это один из наиболее широко распространенных в природе элементов, и его оксид совершенно нетоксичен.

Могут использоваться боргидрид кремния и кремний с разными окислителями.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 28,79%+-10%, нитрат аммония безводного - 52,71%+-15%, кремний - 18,50%+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 36,50%+-10%, динитрамид аммония - 51,78%+-15%, кремний - 11,72+-10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 21,03%+-10%, пятиокись азота - 51,95%+-15%, кремний - 27,02+- 10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 12,39%+-10%, нитрат бора - 55,78%+-15%, кремний - 31,83%+- 10%.

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 17,70%+-10%, нитрат бериллия - 53,87%+-15%, кремний - 28,43+-10%.

С недавно открытым веществом N3O6 возможна реакция:

Соотношение компонентов: боргидрид кремния - 24,58%+-10%, шестиокись азота - 51,73%+-15%, кремний - 23,69+-10%.

Все перечисленные водородовыделяющие РТ значительно повысят обороноспособность нашей страны.

Комбинируя различные компоненты, можно в некоторых пределах управлять скоростью реакции.

Изобретение относится к смесевым метательным взрывчатым веществам, то есть к смесевым порохам. Метательное взрывчатое вещество основано на том, что бор или бериллий экзотермически реагируют с азотом и увеличивает энергетику реакции. При этом реализуются тройные (три компонента) и двойные двуэнергетические реакции (азот-бор, металл-кислород) реакции, где первый компонент - боргидрид металла, второй - окислитель, содержащий связанный азот, и третий - металл или бор, где соотношение первых двух компонентов берется исходя из баланса «бор-азот», а затем количество третьего компонента берется исходя из баланса «кислород-металл и, если он есть в третьем компоненте, бор», а водород не окисляется и выделяется в результате реакции. Изобретение обеспечивает повышение начальной скорости снарядов и пуль путем выделения преимущественно водорода за счет применения двух энергетических реакций - окисление углерода, бора или металлов, и образование нитрида бора, и обеспечивает повышенное по сравнению с другими реакциями тепловыделение. Также достигается регулирование скорости горения заряда. 31 н. и 1 з.п.ф-лы.

1. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что использует тройные (три компонента) двуэнергетические реакции (две тепловыделяющих реакции) боргидрида бериллия, и/или боргидрида лития, и/или боргидрида алюминия, и/или боргидрида лития-алюминия, и/или боргидрида кремния с окислителем, содержащим связанный азот, и с третьим компонентом - гидридом бериллия, и/или гидридом лития, и/или гидридом алюминия, и/или гидридом лития-алюминия, и/или гидридом кремния, и/или гидридом бора, где соотношение первых двух компонентов берется исходя из баланса «бор - азот», а затем количество третьего компонента берется исходя из баланса «кислород - металл и, если он есть в третьем компоненте, бор», а водород не окисляется и выделяется в результате реакции.

2. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 20,88±15 мас.%, пятиокись азота - 56,6±15 мас.%, гидрид бериллия - 23,12±10 мас.%.

3. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что использует двухкомпонентную двуэнергетическую реакцию боргидрида бериллия, и/или боргидрида лития, и/или боргидрида алюминия, и/или боргидрида лития-алюминия, и/или боргидрида кремния с окислителем, содержащим связанный азот, где соотношение компонентов берется исходя из двух балансов: «азот - бор» и «кислород - металл плюс бор», а водород не окисляется и выделяется в результате реакции.

4. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 46,84±15 мас.%, динитрамид аммония - 53,16±15 мас.%.

5. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид алюминия - 48,99±15 мас.%, динитрамид аммония - 51,01±15 мас.%.

6. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития - 46,75±15 мас.%, динитрамид аммония - 53,25±15 мас.%.

7. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что является суммой реакций по пп. 4 и 5.

8. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что использует двухкомпонентную двуэнергетическую реакцию гидрида бериллия с окислителем, содержащим связанный азот, где соотношение компонентов берется исходя из баланса «бериллий - азот плюс кислород», а водород не окисляется и выделяется в результате реакции.

9. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: гидрид бериллия - 44,96±15 мас.%, пятиокись азота - 55,04±15 мас.%.

10. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что использует тройные (три компонента) двуэнергетические реакции (две тепловыделяющих реакции) реакции боргидрида бериллия, и/или боргидрида лития, и/или боргидрида алюминия, и/или боргидрида лития-алюминия, и/или боргидрида кремния с окислителем, содержащим связанный азот, и с третьим компонентом - бериллием, и/или литием, и/или алюминием, и/или кремнием, и/или бором, и/или магнием, где соотношение первых двух компонентов берется исходя из баланса «бор - азот», а затем количество третьего компонента берется исходя из баланса «кислород - металл и, если он есть в третьем компоненте, бор», а водород не окисляется и выделяется в результате реакции.

11. Метательное взрывчатое вещество по п.10, отличающееся тем, что содержит добавки мелкодисперсного угля, или графита, или сажи, или графена в количестве 0,0001-1 мас.%.

12. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 10,05±5 мас.%, пятиокись азота - 45,25±15 мас.%, магний - 44,70±15 мас.%.

13. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 35,27±10 мас.%, динитрамид аммония - 56,52±15 мас.%, бериллий - 8,21±5 мас.%.

14. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 21,18±10 мас.%, пятиокись азота - 59,10±15 мас.%, бериллия - 19,72±10 мас.%.

15. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 18,00±15 мас.%, нитрат бора - 61,04±20 мас.%, бериллий - 20,96±10 мас.%.

16. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 18,63±15 мас.%, нитрат бериллия - 64,02±20 мас.%, бериллий - 17,35±10 мас.%.

17. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 28,30±15 мас.%, нитрат аммония 58,53±20 мас.%, бериллий - 13,17±10 мас.%.

18. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 24,53±10 мас.%, шестиокись азота - 58,33±15 мас.%, бериллий - 17,14±10 мас.%.

19. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития - 36,46±10%, динитрамид аммония - 51,92±15 мас.%, литий - 11,62±5 мас.%.

20. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид алюминия - 37,33±10 мас.%, динитрамид аммония - 48,58±15 мас.%, алюминий - 14,09±5 мас.%.

21. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 37,12±10 мас.%, динитрамид аммония - 49,38±15 мас.%, сплав лития и алюминия в соотношении атомов 1:1 - 13,50±5 мас.%.

22. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 29,04±10 мас.%, нитрат аммония - 49,84±15 мас.%, сплав лития и алюминия в соотношении атомов 1:1 - 21,12±10 мас.%.

23. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 20,96±10 мас.%, пятиокись азота - 48,54±15 мас.%, сплав лития и алюминия в соотношении атомов 1:1 - 30,50±10%.

24. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 12,30±10 мас.%, нитрат бора - 51,91±15 мас.%, сплав лития и алюминия в соотношении атомов 1:1 - 35,79±10 мас.%.

25. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 17,64±10 мас.%, нитрат бериллия - 50,30±15 мас.%, сплав лития и алюминия в соотношении атомов 1:1 - 32,06±10 мас.%.

26. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 24,61±10 мас.%, шестиокись азота - 48,55±15 мас.%, сплав лития и алюминия в соотношении атомов 1:1 - 26,84±10 мас.%.

27. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 28,79±10 мас.%, нитрат аммония безводный - 52,71±15 мас.%, кремний - 18,50±10 мас.%.

28. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 36,50±10 мас.%, динитрамид аммония - 51,78±15 мас.%, кремний - 11,72±10 мас.%.

29. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 21,03±10 мас.%, пятиокись азота - 51,95±15 мас.%, кремний - 27,02±10 мас.%.

30. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 12,39±10 мас.%, нитрат бора - 55,78±15 мас.%, кремний - 31,83±10 мас.%.

31. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния 17,70±10 мас.%, нитрат бериллия - 53,87±15 мас.%, кремний - 28,43±10 мас.%.

32. Метательное взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 24,58±10 мас.%, шестиокись азота - 51,73±15 мас.%, кремний - 23,69±10 мас.%.