Модельная установка для образования нитридов при горении порошковых энергонасыщенных реагентов

 

Полезная модель относится к области химии энергонасыщенных систем, в частности к модельной установке для образования нитридов при горении порошковых энергонасыщенных реагентов (ПЭР). Модельная установка включает размещенную на подставке герметичную камеру с диспергирующим зарядом (ДЗ) и, по крайней мере, с одним ПЭР, а также вторую полностью углубленную в подставку герметичную камеру с ДЗ и ПЭР, выполненную в виде инжектора с соплом, между камерами на подставке размещена стойка с Г-образным поперечным сечением, на внутренней поверхности которой укреплен заряд взрывчатого вещества, при этом внутренняя поверхность стойки обращена ко второй, углубленной в подставке, герметичной камере, а ПЭР выбраны из группы реагентов, способных к образованию тугоплавких нитридных соединений методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС): бор, титан, цирконий, гафний, ванадий, магний, бериллий, алюминий. Технический результат от использования объекта патентования заключается в повышении эффективности использования энергии СВС и расширении функциональных возможностей. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Полезная модель относится к области металлургической химии энергонасыщенных систем, а именно, к стационарным (модельным, стендовым и др.) устройствам, обеспечивающим использование энергии горения порошковых энергонасыщенных реагентов (ПЭР), способных к образованию нитридных соединений методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), для исследования процессов образования этих соединений.

СВС является видом горения, называемым «безгазовым горением» или «твердым пламенем», при котором исходные, промежуточные и конечные продукты находятся, как правило, в конденсированном состоянии [1, 2, 3].

Особое значение придается исследованиям процессов горения ПЭР в атмосфере воздуха с образованием нитридных соединений, так как последовательность протекания реакций образования конечных продуктов может существенно влиять на эффективность энерговыделения. Применительно к процессам осуществления объемного горения ПЭР важным является синтез нитридов различных материалов в атмосфере воздуха, так как горение их может быть осуществлено не только за счет реагирования с кислородом, но также с азотом [4], содержание которого в атмосфере воздуха превышает содержание кислорода в ~4 раза. При этом последовательность протекания реакций горения может быть осуществлена не по стандартной схеме, предполагающей, что первичной стадией является взаимодействие реагентов с кислородом. Так, в [5] А.Г. Мержановым было отмечено: «Удивительным для нас, например, явилось то, что первичным продуктом сгорания титана в воздухе является нитрид титана». Учитывая это, а также то, что температура горения и тепловыделение при реагировании порошковых материалов с азотом могут существенно превосходить данные характеристики при реагировании их с кислородом, отработка режимов горения ПЭР в атмосфере воздуха имеет большое значение.

Актуальность предложенного технического решения объясняется выделением энергии при синтезе нитридов в атмосфере воздуха для создания глубокого вакуума в области объемного горения ПЭР.

Известна стационарная установка для образования нитридов при горении ПЭР [5]. Установка содержит герметичную камеру с размещенными в ней ПЭР, жидким азотом и инициатором горения. В данной установке были получены нитриды титана и циркония. Недостатком установки является невозможность создания вакуума в атмосфере, так как при образовании нитридов не используется азот воздуха.

Известна также принятая за прототип модельная установка, обеспечивающая образование нитридов при горении ПЭР [7]. Установка содержит размещенную на подставке герметичную камеру с диспергирующим зарядом (ДЗ) из навески ДРП и ПЭР. Недостаток установки (прототип) - при наличии только одной камеры невозможно обеспечить оптимальное соотношение реагентов в реакционном объеме (объеме области взрыва), позволяющее создать глубокий вакуум за счет выгорания достаточного количества кислорода и азота воздуха.

Задача, решение которой может быть обеспечено при использовании предложенной полезной модели, заключается в создании модельной установки для проведения исследований по осуществлению процесса образования нитридных соединений в области объемного горении ПЭР в атмосфере воздуха для создания глубокого вакуума в этой области.

Технический результат от использования полезной модели выражается в повышении эффективности использования энергии объемного горения ПЭР за счет создания глубокого вакуума в области горения.

Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в модельной установке для образования нитридов при горении ПЭР, включающая размещенную на подставке герметичную камеру с ДЗ и, по крайней мере, с одним ПЭР, согласно предложенной полезной модели, в ней дополнительно размещена вторая, полностью углубленная в подставку, герметичная камера с ДЗ и ПЭР, между камерами размещена стойка с Г-образным поперечным сечением, на внутренней поверхности которой укреплен заряд взрывчатого вещества (ВВ), причем вторая камера выполнена в виде инжектора и содержит сопло, заглушенное пробкой или разрывной мембраной, при этом внутренняя поверхность стойки с Г-образным поперечным сечением и укрепленным на ней зарядом ВВ обращена ко второй герметичной камере, а ПЭР выбраны из группы реагентов, способных к образованию тугоплавких нитридных соединений методом СВС: бор, титан, цирконий, гафний, ванадий, магний, бериллий, алюминий.

В некоторых случаях боковая поверхность и верхний торец второй камеры изолированы от внешней среды слоем мокрого песка.

Существенность отличительных признаков обуславливается следующим:

размещение на подставке двух камер с диспергирующими зарядами и ПЭР обеспечивает возможность полного или частичного удаления кислорода из воздуха при подрыве ДЗ в первой камере за счет образования оксидов, что создает условия для осуществления объемного горения ПЭР в образовавшейся атмосфере азота; кроме того обеспечивается предварительное нагревание области объемного горения перед подрывом ДЗ во второй камере, что способствует осуществлению реакции горения диспергированных ПЭР в атмосфере азота (и, частично, кислорода - в том случае, если он не полностью удален при подрыве ДЗ в первой камере);

- выполнение второй камеры в виде инжектора обеспечивает направленное (в область размещения заряда ВВ, укрепленного на стойке с Г-образным поперечным сечением) впрыскивание ПЭР из этой камеры;

- заглушение сопла второй камеры пробкой или разрывной мембраной обеспечивает вскрытие его и впрыскивание ПЭР в атмосферу при заданном давлении во второй камере;

подрыв заряда ВВ, укрепленного на внутренней поверхности стойки с Г-образным поперечным сечением, и обращение этой поверхности ко второй камере обеспечивает дополнительное диспергирование ПЭР до концентрации, необходимой для их объемного горения в азотной среде, и предотвращает воздействие на заряд ВВ осколков, образующихся при подрыве ДЗ в первой камере;

изолирование боковой поверхности и верхнего торца второй камеры слоем мокрого песка предотвращает преждевременный подрыв ДЗ во второй камере от его нагревания после подрыва ДЗ в первой камере;

- заглубление второй камеры в подставку предотвращает воздействие на заряд ВВ осколков, образующихся при подрыве ДЗ в первой камере;

- выбор ПЭР осуществляется, исходя из обеспечения зависимости:

2,0Мэ10-69,1, где Мэ - мощность термосветовой энергии СВС, К-кал/г [5].

Анализ опубликованных источников информации подтвердил неизвестность заявленной совокупности существенных признаков и ее патентоспособность.

Другие цели и преимущества предложенной полезной модели вытекают из следующего детального описания примера его использования и прилагаемых рисунков, в которых:

- на фиг.1 изображена схема модельной установки для образования нитридов при горении ПЭР;

- на фиг.2 приведена рентгенограмма состава конденсированных продуктов взрыва.

Модельная установка (фиг.1) включает герметичную камеру 1, в которой размещены ПЭР (поз.2), ДЗ (поз.3) и инициатор взрыва ЭД-8Ж (поз.4); камера 1 размещена на подставке 5. На удалении от камеры 1 размещена вторая герметичная камера 6, выполненная в виде инжектора, в котором размещены ПЭР (поз.7), ДЗ (поз.8), инициатор взрыва (поз.9), включающий капсюль-детонатор МБ-2 и навеску ДРП массой 4 г. Вторая камера 6 размещена в промежуточном стакане 10 в углублении, выполненном в подставке 5. Между камерой 1 и второй камерой 6 размещена стойка с Г-образным поперечным сечением 11, обращенная внутренней поверхностью к второй камере 6, и на которой укреплен заряд ВВ (поз. 12) с инициатором взрыва ЭД-8Ж (поз. 13). Верхний торец второй камеры снабжен соплом 14, загерметизированным пробкой 15. Боковая поверхность и верхний торец второй камеры 6 изолированы от внешней среды слоем мокрого песка (поз. 16). На опорной поверхности подставки 5 уложены бетонные плиты 17 габаритами 50х50х5 см и массой 50 кг. Часть опорной поверхности 18, ограниченная пунктирной линией, соответствует поверхности выпадения конденсированных продуктов взрыва. Воображаемая полусфера 19, ограниченная штрих-пунктирной линией, обозначает условную граничную область взрыва, радиус которой соответствует радиусу поверхности выпадения конденсированных продуктов взрыва.

Рентгенограмма на фиг.2 показывает содержание на поверхности выпадения конденсированных продуктов взрыва как обычных продуктов горения - оксидов алюминия (Аl2О3 ) поз.20 и циркония (ZrO2) поз.21, так и продуктов синтеза соединений методом СВС - нитридов циркония (ZrN) поз.22 и алюминия (A1N) поз.23, характеризующихся длиной волны (, Å) и относительной интенсивностью (I,%) их распределения.

В качестве ПЭР, способных к образованию нитридов, выбрали произвольно:

- в камере 1 - порошок алюминия марки ПАП-2 массой 50 г;

- в камере 2 - порошок сплава марки ПЦЮ («Циаль»), состоящий из 84% циркония и 16% алюминия.

В качестве диспергирующих зарядов выбрали:

- в камере 1 - прессованный гексоген ТГ-50 массой 10 г и нитрометан массой 15 г (порошок алюминия и нитрометан предварительно смешивали до образования пастообразного состава);

- во второй камере 6 - смесь перхлората аммония и порошка алюминия марки ПАП-2 массой 50 г.

В качестве заряда ВВ (поз. 12) использовали прессованный состав гексогена ТГ-50 массой 26 г.

Результаты испытаний, подтверждающих эффективность устройства, приведены ниже.

Работа модельной установки (фиг.1) осуществлялась в бронекабине (на чертеже не указана) объемом 330 м3 следующим образом: вначале провели подрыв инициатора 4 в камере 1, а затем, с задержкой 2 мс и 5 мс, подорвали инициаторы 9 и 13 во второй камере 6 и на заряде ВВ (поз. 12).

В результате испытаний осуществлено объемное горение ПЭР, при этом, получены следующие характеристики, не достигаемые ранее на других установках:

1. Величина остаточного давления в зоне объема взрыва по показаниям датчиков составила менее 6 МПа.

2. Осуществлен сдвиг бетонных плит (поз.17), что может явиться следствием перепада давлений под бетонной плитой и на ее поверхности при импульсном спаде давления в области взрыва.

3. Отмечено всасывание в бронекабину внешней атмосферы через щели в уплотнениях электровводов в стенках бронекабины (ранее отмечалось истечение через эти щели продуктов взрыва). Данный фактор является весьма существенным, если учесть, что объем бронекабины в ~20 раз превосходит объем области взрыва, принятый равным объему полусферы с радиусом, соответствующим радиусу выпадения конденсированных продуктов взрыва (2 м) и составляющим 16,75 м3. Это свидетельствует о том, что реакция азотирования с образованием конденсированных продуктов синтеза была осуществлена непосредственно в области взрыва, то есть создание вакуума обеспечено практически на открытом пространстве.

4. По показаниям дифрактометра ULTIMA-IV отмечено выпадение порошков конденсированных продуктов взрыва (фиг.2), при этом количество нитридов (ZrN, AlN) превысило содержание оксидов (Аl2O3, ZrO2 ) в ~1,5 раза, а количество ZrN превысило количество AlN в ~1,2 раза, несмотря на то, что в исходных реагентах количество алюминия было больше, чем количество циркония в ~1,5 раза, то есть основным фактором создания вакуума явилось горение ПЭР в атмосфере азота.

Таким образом, полученные результаты свидетельствует о вовлечении в реакцию объемного горения процесса связывания азота с образованием нитридов, что обеспечило расширение функциональных возможностей и повышение эффективности процесса объемного горения за счет обеспечения разрушительного действия.

Полезная модель может быть использована для проведения исследований по отработке режимов объемного горения и оптимизации составов ПЭР, обеспечивающих эффективное поглощение азота в атмосфере воздуха для обеспечения необходимой степени вакуумирования в зоне применения этих составов, как в замкнутом объеме, так и на открытом пространстве.

Хотя наиболее подробно описан один пример использования полезной модели следует считать, что оно не сводится по объему притязаний именно к этому варианту, а включает все изменения и модификации в рамках объема притязаний, определяемых прилагаемой формулой изобретения.

Источники информации:

1. А.Г.Мержанов, И.П.Боровинская, В.М.Шкиро. Явления волновой локализации автотормозящихся твердофазных реакций. Диплом 287 на открытие. Приор, от 05.07.67.

2. А.Г.Мержанов. Передовая СВС-керамика: сегодня и завтра утром. В кн. «Процессы горения и синтез материалов», Российская академия наук, Институт структурной макрокинетики и материаловедения, Черноголовка, изд. ИСМАН, 1998, с. 10-40.

3. А.Г.Мержанов. Проблемы технологического горения. В кн. «Процессы горения в химической технологии и металлургии», Академия наук СССР, ОИХФ, Черноголовка, 1975, с. 5-28.

4. Н.П.Новиков, И.П.Боровинская, А.Г.Мержанов. Термодинамический анализ реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. В кн. «Процессы горения в химической технологии и металлургии». Академия наук СССР, ОИХФ, Черноголовка, 1975,с.174-188.

5. А.Г Мержанов. Теория и практика СВС: современное состояние и новейшие результаты. В кн. «Процессы горения и синтез материалов», Российская академии наук, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения, Черноголовка, изд. ИСМАН, 1998, с. 122-186.

6. А.Б.Авакян, А.Г.Мержанов и др. Синтез карбонитридов переходных металлов, в кн. «Процессы горения в химической технологии и металлургии», Академия наук СССР, ОИХФ, Черноголовка, 1975, с. 109.

7. Заявка 2009101083/02 на изобретение «Способ инициирования реакции горения в боеприпасах термо-баро-светового объемного действия энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза», решение о выдаче патента от 15.11.2010 г.

1. Модельная установка для образования нитридов при горении порошковых энергонасыщенных реагентов, включающая размещенную на подставке герметичную камеру с диспергирующим зарядом и, по крайней мере, с одним порошковым энергонасыщенным реагентом, отличающаяся тем, что в ней дополнительно размещена вторая полностью углубленная в подставку герметичная камера с диспергирующим зарядом и порошковым энергонасыщенным реагентом, между камерами размещена стойка с Г-образным поперечным сечением, на внутренней поверхности которой укреплен заряд взрывчатого вещества, причем вторая камера выполнена в виде инжектора и содержит сопло, заглушенное пробкой или разрывной мембраной, при этом внутренняя поверхность стойки с Г-образным поперечным сечением и укрепленным на ней зарядом взрывчатого вещества обращена ко второй герметичной камере, а порошковые энергонасыщенные реагенты выбраны из группы реагентов, способных к образованию тугоплавких нитридных соединений методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза: бор, титан, цирконий, гафний, ванадий, магний, бериллий, алюминий.

2. Модельная установка по п.1, отличающаяся тем, что боковая поверхность и верхний торец второй камеры изолированы от внешней среды слоем мокрого песка.



 

Наверх