Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

О совместимости нанопорошков металлов с компонентами высокоэнергетических материалов

Попок В.Н. Вдовина Н.П.

Высокоэнергетические материалы (ВЭМ) применяются в качестве источника рабочего тела в газогенераторах различного назначения и энергетических установках, а также в качестве взрыв­чатых веществ. В последнее время разработчики различных классов ВЭМ стали широко применять нанопорошки металлов в качестве компонентов высокоэнергетических материалов. В большинст­ве работ используются нанопорошки полученные в сильнонеравновесных условиях методом элек­тровзрыва проволочек и плазменнохимическим методом. Нанопорошки полученные в данных условиях характеризуются тем, что оксидные пленки на их поверхностях состоят из активных форм оксидов, что как показано в литературе, на примере нанодисперсного алюминия, приводит к существенному катализу термического разложения и горения как отдельных компонентов так и ВЭМ в целом, вплоть до несоместимости компо­нентов. При этом даже при нормальных условиях могут образовываться высокочувствительные соединения, что особенно характерно для смесей с нанопорошком Cu.

Таким образом, существует задача анализа совместимости нанопорошков металлов с наибо­лее широко распространенными компонентами ВЭМ.

В настоящей работе рассмотрены смеси электровзрывных нанопорошков Al, Fe, Cu, Ni, Zn (производство ООО «Передовые порошковые технологии», г. Томск) и их оксидов с различны­ми оксилителями, энергетическими добавками, горючимисвязующими, которые в свою очередь содержат различные функциональные группы: анионы хлорной, азотной, динитразовой и уксус­ной кислот, нитроэфирные, амино, нитро и нитраминные, нитрильные, углеводородные и др., а именно перхлораты и нитраты аммония и калия, нитрамины (циклическийгексоген (RDX), линейныйдинитразапентан (ДНП)), триацетин (ТАЦуксусный эфир глицерина), мочевина (UREA), нитропроизводные бензола (тринитробензолТНБ), толуола (тринитротолуолТНТ), нитраминопропионитрил (НАПН), каучуки СКН40, СКД и полиуретановый каучук (PU) и их растворы в пластификаторах   (горючиесвязующие   (ГСВ)), поливинилтетразол (ПВТ), нефтяное масло (НМ), нитроэфиры (НЭ), бензотриазол (БТЗ) и другие соединения перечисленных классов). Наноразмерные оксиды рассматриваемых металлов необ­ходимы для оценки вклада оксидного слоя на поверхности частиц нанопорошков металлов на реакционную активность последних. Частицы промышленно выпускаемых оксидов металлов марок х.ч. и ч.д.а. имели характерный размер в интервале 0.10.3 мкм. Для сравнительной оценки проведены исследования смесей с микропорош­ков алюминия марки АСД6.

Смеси компонентов готовились тщатель­ным перемешиванием с последующим вакуумированием. Соотношение компонентов в смесях выбиралось постоянным и равным 2:1 по массе (одна часть порошка металла или его оксида).

В качестве методов испытаний компонен­тов и их смесей использовалась дифференциаль­ная сканирующая калориметрия (ДСК) термоанализатор Mettler Toledo, скорость нагрева 10 °С/мин, масса навески образца ~2 мг и вакуумнохроматографический метод испытаний образцов для определения уровня газовыделения при тем­пературе 80 °С в течение 24 часов навеска образ­ца до 2 граммов в ампуле объемом 5 см3. Испытывались смеси как сразу после их изготовления, так и после длительного хранения (от 1 месяца до 1 года в герметичных условиях).

В качестве критерия несовместимости компонентов при испытаниях по ампульнохроматографической методике выбран уровень газовыделения равный 0,2 см3/г несколько более мягкий, чем требуется при разработке смесевых ВЭМ. При длительном хранении образцов реак­ции взаимодействия некоторых компонентов с металлами и их оксидами наблюдались визуально по образованию, например, специфически окра­шенных нитратов (нитритов) металлов или их аммиакатов (характерно для меди, никеля, менее ярко выражено для цинка и железа).

Из полученных экспериментальных дан­ных можно сделать вывод, что все рассматривае­мые смеси с микропорошком алюминия марки АСД6 характеризуются приемлимым уровнем газовыделения, при этом при хранении смесей газовыделение увеличивается слабо и находится в допустимом интервале значений. Исследование смесей с АСД6 показало, что тепловые пики сме­сей в условиях испытаний практически остаются в одних и тех же температурных интервалах. Это в совокупности с данными по газовыделению свидетельствует о приемлимой совместимости всех рассмотренных компонентов с микропорош­ком алюминия марки АСД6.

Практически все смеси компонентов с нанопорошками рассматриваемых металлов пока­зывают существенное превышение допустимого порога газовыделения (в 220 раз), эксперименты проведенные с образцами смесей хранящимися 1 год в герметичных условиях показали существен­ное увеличение газовыделения, по сравнению с исходными смесями. Для смесей некоторых ком­понентов с нанопорошками Cu, Zn и Ni характер­но образование визуально регистрируемых со­единений. По результатам ДСК также получено, что для всех хранящихся в течение одного года смесей характерно появление низкотемператур­ных экзотермических пиков.

Смеси компонентов с оксидами металлов также практически во всех случаях показывают существенное превышение допустимого уровня газовыделения, при этом намного выше чем у соответствующих им нанопорошков металлов. При хранении наблюдается катастрофическое увеличение газовыделения, в некоторых экспери­ментах с оксидами Cu, Ni и Zn наблюдаются взрывы ампул. Исследования методом ДСК также свидетельствуют о мощном катализе термическо­го разложения компонентов, в некоторых случая наблюдается снижение температуры интенсивно­го разложения более чем на 100 °С. Смеси нитраминов с нанопорошками металлов и их оксидами характеризуются близким к предельно допусти­мому значению газовыделения как свежеприго­товленных смесей так и смесей хранящихся в герметичных условиях в течение года.

Исключениями из общего ряда рассмот­ренных компонентов составляют смеси нанопо­рошков металлов и их оксидов с горючимисвязующими: СКД+НМ и ПВТ+ДНП. Для этих смесей наблюдается приемлимый уровень газо­выделения, при хранении смесей в течение одного года уровень газовыделения находится в допус­тимом интервале. Данные ДСК исследований также свидетельствуют о приемлимой совместимости рассматриваемых смесей.

Также необходимо, отметить что в рамках проведения исследований было установлено большое влияние условий и сроков хранения нанопорошков на параметры их совместимости с компонентами ВЭМ. Были выбраны условия хра­нения нанопорошков, позволяющие повысить совместимость их с компонентами ВЭМ. Однако такие смеси все равно характеризуются неприемлимым уровнем газовыделения.

Таким образом, необходимо проводить ис­следования с целью выбора параметров получе­ния и хранения нанопорошков для обеспечения их приемлимой совместимости с компонентами ВЭМ. Только после этого можно говорить о воз­можности перехода от лабораторных исследований применения нанопорошков в составах ВЭМ к реальным техническим применениям ВЭМ с на­нопорошками металлов. Для использования в качестве компонентов ВЭМ предлагаются угле­водородные горючиесвязующие и связующие на основе тетразольного полимера и нитраминного пластификатора.

Работа выполнена в рамках государствен­ного контракта № 02.513.11.3468 по теме «Работы по проведению проблемноориентированных поисковых исследований и формированию научнотехнического задела в области создания мембран и каталитических систем» выполняемого в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 20072012 годы».


Библиографическая ссылка

Попок В.Н., Вдовина Н.П. О совместимости нанопорошков металлов с компонентами высокоэнергетических материалов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2009. – № 5. – С. 70-0;
URL: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=153 (дата обращения: 27.09.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074