Резервные источники электрического тока на основе модифицированных металлов

Т. В. Бурдикова, А. М. Коробков, В. В. Просянюк,

О. В. Бабушкина, И. С. Суворов

РЕЗЕРВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ОСНОВЕ

МОДИФИЦИРОВАННЫХ МЕТАЛЛОВ

Ключевые слова: пиротехнические источники тока (ПИТ), модификация, напряжение, сила тока, время работы в оптимальном режиме, время выхода на рабочий режим.

Исследовано влияние модификации металлических порошков на характеристики горения резервных источников тока. Установлено, что модификация их поверхности повышает температуру горения электродных ПС, снижает внутреннее сопротивление системы в 1,1-1,3 раза, увеличивает время работы в оптимальном режиме в 1,5-1,8 раз, напряжение и силу тока - в 1,4-1,7 раз по сравнению с источником тока на основе исходных компонентов.

Influential modification of metallic fuel characteristics of the burning reserve current sourсу was investigated. Established the modification surface powders of metals is raise the temperature of burning by the electrode pyrotechnics composition. Inside resistance of system is lower in 1,1-1,3 reason. In optimal rate the time of the work is raise 1,5-1,8 reason.

The tension and current strength are raise 1,4-1,7 reason in comparison as current souгсу on base of initial components

Пиротехнический источник тока (ПИТ) представляет собой резервный первичный высокотемпературный гальванический элемент. Генерирование тока происходит при горении пиротехнического заряда специальной рецептуры, отдельные части которого выполняют функции анода, катода и электролита. Энергия химической реакции, протекающей в форме горения, непосредственно превращается в электрическую энергию [1-4].

В настоящее время пиротехнические источники тока находят применение в самых различных областях техники: в качестве источников энергоснабжения космических кораблей, объектов, эксплуатируемых в местах с низкой температурой, различных типов аварийного оборудования и т.д. Обусловлено это рядом их преимуществ и возможностей, таких как автономность, малые габариты, высокие удельные эксплуатационные характеристики, относительная простота изготовления и др.[2].

Принципиальная возможность прямого преобразования химической энергии пиротехнических составов (ПС) в электрическую энергию в режиме горения показана Д.Б. Демьяненко и А.С. Дудыревым (СПГТИ). Для электродов ПИТ и сепаратора (элек-тролитоносителя) разработаны специальные рецептуры с избытком горючего — для анода, с избытком окислителя — для катода [1-4].Изготовление пироэлементов проводится по технологии получения ПС для пиронагревателей, т.е. путем вынужденного осаждения из водной пульпы компонентов ПС, что предполагает отсутствие в составах растворимых и взаимодействующих с водой компонентов [5]. В настоящее время потенциальные возможности пиротехнических источников тока реализованы далеко не в полной мере. Стоят задачи по увеличению выхода напряжения и силы тока, сокращению времени выхода на рабочий режим, увеличению времени работы в оптимальном режиме и др.

Известно [6], что на начальной стадии окисления на поверхности частиц металлов циркония, титана, никеля и железа, формируются сильные электрические поля (и=2В, и=100мА) формируются в частице на начальной стадии окисления в тонких пленках, при

температуре Т=1073-1273 К. Длительность сигнала составляла 18 ^ 40 мс для частиц титана и циркония и около 1 с для никеля и железа.

Объектом исследования был выбран ПИТ на основе порошка циркония. Цирконий имеет достаточно высокий анодный потенциал, обеспечивает устойчивое горение пиротехнических элементов, помещенных между металлическими токоотводами при малых диаметрах зарядов (до 2-3 мм) и в тонких слоях (до 0,3-0,5 мм). Испытания ПИТ проводились по стандартной методике, разработанной ФГУП ФНПЦ НИИПХ.

Существуют различные способы регулирования характеристик горения ПС. Эффективным является способ введения добавок различной природы, выполняющих функции катализаторов и ингибиторов процессов окисления горючего и разложения окислителей. Как природа добавки, так и ее количество оказывают влияние на характеристики ПИТ [7,8].

С целью увеличения коэффициента использования электродных масс путем более глубокого восстановления катодного ПС и окисления анодного ПС, или уменьшения саморазряда в момент разряда источника тока было предложено исследовать влияние добавок различной природы. Использовались добавки на основе электропроводных порошков металлов: никеля, меди, железа, алюминия, в количестве 3 -20%.

Исследования показали, что введение в анодный состав механической примеси (медь, никель и железо) до 7% приводит к увеличению напряжения и силы тока в 1,2-1,3 раза по сравнению с исходным ПИТ (рис.1). При этом время работы элементарной ячейки ПИТ с добавлением никеля 7% увеличилось в 2,5 раза.

Способ введения добавок оказывает так же существенное влияние на процессы окисления и воспламенения металлического горючего, которые происходят на его поверхности. С помощью различных способов модификации можно направленно изменять свойства поверхности металла, что окажет влияние на характеристики его горения а значит и на выходные характеристики ПИТ.

На электрические характеристики ПИТ оказывает влияние внутреннее сопротивление. Сопротивление системы зависит от удельного сопротивления входящих в неё компонентов, которые определяются их физико-химическими свойствами. С этой целью были использованы металлические покрытия, полученные химическим способом, на основе никеля меди, железа, удельное электрическое сопротивление которых ниже, чем у циркония [8].

Проведенные исследования показали, что максимальные вольт - амперные характеристики получены при горении ПИТ на основе порошка циркония, модифицированного никелем и оксигидридом циркония. При этом напряжение и сила тока увеличились в 1,4 -1,7 раза, а время работы - в 1,3-2,0 раза по сравнению с исходным ПИТ. Измерение внутреннего сопротивления ПИТ перед воспламенением показало, что модификация поверхности циркония добавками различной природы снижает их сопротивление в 1,2-1,3 раза по сравнению с исходным ПИТ. Снижение данной характеристики во время горения достигает минимального значения у ПИТ на основе порошков циркония, модифицированных никелем и оксигидридом циркония. Измерение температуры горения элементарных ячеек ПИТ термопарным методом с помощью «вольфрам-рениевой термопары» показало, что температура горения элементарных ячеек ПИТ на основе модифицированных порошков циркония на -150 К выше, чем у исходного ПИТ, работающих в оптимальном режиме. Результаты проведенной работы показали, что модификация поверхности порошка циркония никелем и оксигидридом циркония оказывает влияние на характеристики горения ПИТ: повышает температуру горения ПС на -150 К, снижает внутренне сопротивление системы в 1,2-1,3 раза и способствует увеличению напряжения и тока при горении ПИТ в 1,4-1,7 раза.

Ранее проведенные работы показали возможность снижения содержания циркония в электродных составах за счет титана, который имеет похожие с ним физико-химические свойства [9]. Исследования показали, что модификация порошка титана никелем и медью (1-2%), приводит к увеличению электрических характеристик в 1,7-2 раза, времени работы в 1,4-1,6 раза, по сравнению с элементарной ячейкой на основе исходного титана. При использовании модифицированных порошков титана внутреннее сопротивление ПИТ при горении снижается в 1,2 раза, по сравнению с ПИТ на основе исходных компонентов.

Определение температуры горения методом «вольфрам-рениевой термопарой» во время работы ПИТ в оптимальном режиме показало, что температура горения элементарных ячеек ПИТ на основе модифицированных порошков титана в первые 15 секунд горения на 300-500 К выше, чем у исходного ПИТ. Время выхода на рабочий режим у ПИТ на основе исходного титана - 2с, что соответствует ТгОр=380 К. Для ПИТ на основе модифицированного титана, данная температура достигается уже на первой секунде горения, что объясняет снижение времени выхода на режим до 1с.

С целью определения полноты использования компонентов был проведен рентгенофазовый анализ продуктов горения ПИТ на основе порошков титана содержащих 1% металлического покрытия (табл. 1).

Таблица 1 - Природа и содержание кристаллических фаз (условные единицы) в продуктах горения элементарной ячейки ПИТ

Природа покрытия Способ обработки Природа и содержание фазы в у.е.

Медь Рутил Доля аморфной фазы

- Исходный 777 581 0,07

Никелевое Химический 1287 461 0,095

Медное Химический 1178 470 0,11

Анализ полученных данных показал, что для ПИТ на основе исходного титана и титана, модифицированного никелем и медью, основными компонентами продуктов горения являются куприт Си20; тенорит СиО; медь Си; рутил Ті02; бадделеит 7г02 (рис.2, табл. 1).

О.НО 1 .60 2.40 3.20 4.00 4.30 5.БО 6.40 7.20

а

О.ВО 1 .БО 2.40 3.20 4.00 4.ВО 5.60 6.40

б

0.30 1.60 2.40 3.20 4.00 4.ВО 5.60 6.40 7.20 В.ОО

в

Рис. 2 — Дифрактограмма шлаков элементарной ячейки ПИТ на основе: а) исходного титана, б) титана модифицированного никелем

При использовании в аноде элементарной ячейки ПИТ порошков титана, модифицированных никелем (1%), кристаллическая фаза продуктов горения в условных единицах практически одинакова, а содержание восстановившейся меди увеличивается в 1,7 раза. Доля рутила уменьшилась в 1,2 раза, при этом доля аморфной фазы увеличилась в 1,3-1,7 раза, что свидетельствует о высоких скоростях протекания окислительно-

восстановительных реакций и увеличении полноты использования продуктов горения.

Исследования показали, что модификация поверхности порошков металлов оказывает влияние на характеристики горения резервных источников электрического тока. Установлено, что модификация поверхности порошка циркония никелем и оксигидридом циркония, а титана - медью и никелем повышает температуру горения электродных ПС, снижает внутреннее сопротивление системы, что способствует увеличению напряжения и силы тока в 1,4-1,7 раза, снижению времени выхода на рабочий режим в 1,2 раза, увеличению работы ПИТ в оптимальном режиме в 1,2-1,5 раз по сравнению с ПИТ на основе исходных компонентов.

Литература

1. Просянюк, В.В. Современное состояние и перспективы развития пиротехнических источников тока. / В.В. Просянюк, Н.М. Варёных, В.Н. Емельянов // Современные проблемы пиротехники: матер. 1 Всероссийской конф. - М.: ЦЭИ «Химмаш», 2001. - С. 74-75.

2. Демьяненко, Д.Б. Новые системы и устройства пироавтоматики / Д.Б. Демьяненко, А.С. Дуды-рев, О.В. Старостин // Тез. доклада на конференции «Высшая школа России и конверсия» (22-26 ноября). - М.: ГК по высшему образованию, 1993. - С. 251-253.

3. Демьяненко, Д.Б. Пиротехнические генераторы электрического тока / Д.Б. Демьяненко, А.С. Дудырев // Материалы II Всероссийской конференции «Современные проблемы пиротехники». (27-29 ноября) 2002. - Сергиев Посад: ИИД «Весь Сергиев Посад», 2003. - С. 87-89.

4. Демьяненко, Д.Б. Источники электрического тока с электродами-пиротехническими зарядами / Д.Б. Демьяненко, А.С. Дудырев // Материалы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы технической химии». - Казань: Изд-во Казан. технол. ун-та, 2003.- С. 130-142.

5. Просянюк, В.В. Современное состояние и перспективы развития пироавтоматики на основе пиротехнических источников тока / В.В. Просянюк [и др.] // Известия Российской академии ракетных и артиллерийских наук. Издание Российской академии ракетных и артиллерийских наук. - М., 2005 - С. 42-49.

6. Филимонов, И.А. Высокотемпературный синтез горением: генерация внутренних и воздействие внешних электромагнитных полей (обзор) / И.А. Филимонов, Н.И. Кидин //Физика горения и взрыва. - 2005. - Т. 41. - №6. - С. 34-53.

7. Кукоз, Ф.И. Тепловые источники тока / Ф.И. Кукоз, Ф.Ф. Труш, В.И. Кондратенков. - Ростов н/Д: Изд-во Ростовского ун-та, 1989. -208 с.

8. Делимарский, Ю.К. Электрохимия ионных расплавов. / Делимарский Ю.К. - М.: Высшая школа. 1984. - 215 с.

9. Коробков, А.М. Разработка пиротехнических источников тока на основе модифицированных порошков циркония и титана / А.М.Коробков [и др.] // Современные проблемы пиротехники: матер. III Всерос. конф. 20-22 октября. - Сергиев Посад: ИИД «Весь Сергиев Посад», 2004. - С.87-89.

© Т. В. Бурдикова — д-р техн. наук, дир. Бугульминского филиала КГТУ; А. Коробков - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; О. В. Бабушкина -мл. научн. сотр. той же кафедры; В. В. Просянюк - канд. техн. наук, нач. отд. ФГУП «ФНПЦ «НИИ прикладной химии»; И. С. Суворов - канд. техн. наук, вед. научн. сотр. ФГУП «ФНПЦ «НИИ прикладной химии».