Изобретение относится к смесевым взрывчатым веществам, далее ВВ (пора вводить отдельный подкласс - ВВ с выделением водорода или преимущественно водорода) и имеет повышенное по сравнению с другими реакциями тепловыделение.
Известны ВВ, выделяющие водород, см., например, пат. №№2486436, 2486437 «Заряд Староверова - 7 и 10», состоящие из взрывоопасной смеси веществ. Они имеют хорошее тепловыделение, но не максимальное.
Задача и технический результат изобретения - повышение давления на фронте ударной волны путем выделения преимущественно водорода, и путем рационального применения двух энергетических реакций - окисление углерода, бора или металлов и образование нитрида бора. А также регулирование скорости реакции.
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 градусов С происходит реакция:
То есть на единицу добавленного бора получается добавочное тепловыделение 23,37 кДж/г. Такая добавка улучшит тепловыделение любого ВВ.
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 мелкодисперсного угля, графита, сажи или графена 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 ВВ, 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 ВВ, 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 взрывного устройства 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 ВВ 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 ВВ 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 ВВ 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%±5%. 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 ВВ, 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 во взрывных устройствах, где удельные показатели не очень существенны - в противопехотных и противотанковых минах, саперных взрывных устройствах и т.п. 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 - 29,04%±10%, нитрат аммония - 49,84%±15%, литий и алюминий - 21,12%±10%.
Высокоэнергетична реакция с пятиокисью азота:
Соотношение компонентов: боргидрид лития-алюминия - 20,96%±10%, пятиокись азота - 48,54%±15%, литий и алюминий - 30,50%±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 не токсичен.
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 взрывчатым веществам. Взрывчатое вещество основано на том, что бор или бериллий экзотермически реагируют с азотом и увеличивают 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 давления на фронте ударной волны 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. 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. 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. 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. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид кремния - 46,84±15 мас.%, динитрамид аммония - 53,16±15 мас.%.
5. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид алюминия - 48,99±15 мас.%, динитрамид аммония - 51,01±15 мас.%.
6. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития - 46,75±15 мас.%, динитрамид аммония - 53,25±15 мас.%.
7. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что является суммой реакций по пп. 4 и 5.
8. 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. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: гидрид бериллия - 44,96±15 мас.%, пятиокись азота - 55,04±15 мас.%.
10. 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. 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. 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. 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. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид бериллия - 21,18±10 мас.%, пятиокись азота - 59,10±15 мас.%, бериллий - 19,72±10 мас.%.
15. 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. 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. 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. 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. Взрывчатое вещество, отличающееся тем, что имеет следующее соотношение компонентов: боргидрид лития - 36,46±10 мас.%, динитрамид аммония - 51,92±15 мас.%, литий - 11,62±5 мас.%.
20. 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. 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. 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. 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 мас.%.
24. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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.%.
| СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И ВЗРЫВЧАТОЕ ВЕЩЕСТВО /ВАРИАНТЫ/ | 2012 |
|
RU2513848C2 |
