Пиротехнический состав

Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано в различных устройствах, где от пиротехнического состава требуется выдача строго дозированного количества тепла в заданный интервал времени при низком значении удельного газовыделения. Предложен пиротехнический состав, содержащий порошок титана, порошок перхлората калия, бор в качестве энергетической добавки и гексафторалюминат натрия. Пиротехнический состав обладает следующими характеристиками: удельное газовыделение - 1-3 см³/г, тепловыделение - 413-490 кал/г, температура горения - 1450-1720°С. 1 табл.

 

Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано в различных устройствах, где от пиротехнического состава (ПТС) требуется выдача строго дозированного количества тепла в заданный интервал времени при низком значении удельного газовыделения.

Известны ПТС на основе перхлората калия и избытка металла, например железа /Heckes A., Montoya, Proc. 7-th int. Pyrotecnics Seminar, 14-18 July 1980, Chicago, Sllinois, p.178-192/, иттрия /Патент RU 1811687. Пиротехнический состав. МПК⁷ С 06 В 29/04, 1996. БИ №32/. Такие ПТС, обладая низким значением газовыделения (до 2 см³/г), имеют важный недостаток - низкое значение удельного тепловыделения (не выше 350 кал/г), что существенно ограничивает их применение.

В свою очередь известны более калорийные ПТС /Ellern H.Military and civilian pyrotechnics. - 1967/, используемые в качестве пиротехнических нагревателей (ПТН) для активации тепловых химических источников тока, на основе циркония (15-50 мас.%) и хромата бария (50-85 мас.%). Такие ПТС, как правило, формируют путем приготовления суспензии из активных веществ и асбестового волокна или другого связующего.

К существенным недостаткам таких составов следует отнести весьма высокие температуры горения 2500-3000°С, что приводит к возникновению проблем защиты конструктивных элементов батареи от теплового удара. Серьезным фактором, влияющим на снижение удельных характеристик химических источников тока, использующих такие ПТС, является образование внутри корпуса высокого давления газов, выделяющихся при их сгорании. Соответствующее повышение механической прочности корпуса приводит к увеличению веса конструкции. Большое количество газообразных продуктов (несколько десятков см³/г) приводит также к взаимодействию последних с компонентами электрохимической системы источников тока, в результате чего уменьшается энергетический ресурс самой батареи. Кроме того, из-за большого газовыделения ухудшается теплоизоляция источников тока, что приводит к увеличению скорости тепловых потерь. Указанные недостатки в целом сокращают время функционирования тепловой батареи.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является пиротехнический состав /Патент RU 2091359. Пиротехнический состав. МПК⁷ С 06 В 29/04, 1997. БИ №27/, содержащий в качестве горючего порошок титана, в качестве окислителя - перхлорат калия и энергетическую добавку - алюминий, при следующем соотношении компонентов:

Ti	82-92
Al	2-10
KClO4	6-8

Предложенная рецептура позволяет получить следующий технический результат:

- удельное газовыделение 0,7-4,5 см³/г;

- тепловыделение 350-480 кал/г.

Однако для такого состава, при высоком значении тепловыделения, температура горения может быть весьма высокой. Например, для состава выбранной рецептуры с калорийностью 380 кал/г температура горения равна 1920°С. Увеличение калорийности путем изменения рецептуры в указанных в изобретении пределах приводит к дальнейшему росту температуры горения. Для ряда устройств, где необходимо использование высококалорийных малогазовых составов, такие температуры являются критичными.

Задачей настоящего изобретения является понижение температуры горения состава при сохранении низкого значения удельного газовыделения и высокого показателя тепловыделения.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, следующий:

- удельное газовыделение - max (1-3) - min (0) см³/г (первое значение соответствует максимальному давлению в процессе горения состава, второе - остаточному газосодержанию после прошедшего газопоглощения);

- тепловыделение - 415-490 кал/г;

- температура горения - 1450-1720°С;

- сохранение шлаками первоначальных геометрических форм образца;

- электропроводное состояние шлаков.

Для достижения указанной задачи и технического результата в известном пиротехническом составе, содержащем смесь порошков титана, перхлората калия и энергетической добавки, согласно изобретению в качестве энергетической добавки состав содержит бор и дополнительно содержит гексафторалюминат натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Ti	73,3-81,0
В	1,0-4,3
Na3AlF6	9,0-15,6
KClO4	7,1-10,0

Использование исходных компонентов в указанных соотношениях позволяет реализовать более низкую температуру горения по сравнению с известным составом и при этом сохранить высокий показатель по тепловыделению при низком значении газовыделения. Данный эффект обеспечивается заменой алюминия в известном составе на бор, использованием нового компонента - гексафторалюмината натрия и выбором нового соотношения компонентов. Добавление гексафторалюмината натрия, выполняющего, в основном, роль инертной добавки в составе и обладающего при этом высокими значениями теплоемкости С°_р(298)=51,6 кал/(моль·град) и теплоты плавления ΔН°=27,64 ккал/моль /Г.Б.Наумов, Б.Н.Рыженко, И.Л.Ходаковский. Справочник термодинамических величин. Атомиздат. М., 1971/, позволяет существенно снизить температуру горения в известном составе. Замена алюминия на бор при выбранном соотношении компонентов реализует при этом и высокий энергетический показатель состава - его калорийность. Такая возможность, согласно проведенному термодинамическому анализу, обусловлена большими значениями удельных теплот образования боридных фаз титана (одни из продуктов горения состава) по сравнению с интерметаллидами системы титан-алюминий.

Заявляемый ПТС готовится путем механического перемешивания исходных компонентов в шаровой мельнице. Основные результаты по определению характеристик горения приготовленных составов представлены в таблице 1.

Согласно приведенным данным таблицы 1, получен ряд заявляемых составов на основе системы Ti-KClO₄-В-Na₃AlF₆ с различным соотношением компонентов, характеризующихся низким значением газовыделения: (1-3)-0 см³/г (№2-6, 8, 9) и относительно невысокой температурой горения 1450-1720°С. Состав-прототип в выбранном соотношении компонентов является также малогазовым, однако имеет высокую температуру горения 1920°С при тепловыделении всего 380 кал/г. Тепловыделение составов по п.2-6, 8, 9 составляет 413-490 кал/г, что достаточно для поддержания рабочей температуры в течение определенного времени для ряда тепловых химических источников тока. Состав по п.7 отличает более энергичное взаимодействие компонентов, что приводит к частичному разрушению шлака, т.е. его несоответствию первоначальной форме образца ПТС.

Согласно приведенным экспериментальным данным, представленным в таблице 1, оптимальный технический результат наблюдается у составов по п.2-6, 8, 9, мас.%:

Ti	73,3-81,0
В	1,0-4,3
Na3AlF6	9,0-15,6
KClO4	7,1-10,0

Таблица 1 Характеристики горения пиротехнических составов на основе системы: Ti-KClO4-В-Na3AlF6
№	Рецептура, мас.%	Калорийность, кал/г	Температура горения (эксп.), °С	Газовыделение, см3/г*
Ti	KClO4	В(Al)	Na3AlF6
Прототип	87,0	8,0	(5,0)	0	380	1920	2,0-0
1	75,0	8,6	0	16,4	380	-	1,5-0
2	74,7	7,3	2,4	15,6	413	1450	1,1-0
3	74,4	7,2	2,9	15,5	430	-	1,5-0
4	74,0	7,1	3,4	15,5	445	1600	1,7-0
5	73,6	7,1	3,9	15,4	466	1670	2,0-0
6	73,3	7,1	4,3	15,3	490	1720	2,7-0
7	72,0	8,0	5,0	15,0	-	-	4,0-0
8	81,0	9,0	1,0	9,0	420	-	2,5-0
9	80,0	10,0	1,0	9,0	450	1650	2,8-0
* Первое значение соответствует максимальному давлению в процессе горения состава, второе - остаточному газосодержанию после прошедшего газопоглощения.

Пиротехнический состав, содержащий порошки титана, перхлората калия и энергетическую добавку, отличающийся тем, что он дополнительно содержит гексафторалюминат натрия, а в качестве энергетической добавки используют бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Ti	73,3-81,0
В	1,0-4,3
Na3AlF6	9,0-15,6
KClO4	7,1-10,0