СПОСОБ ДИСПЕРГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛА НА ЧАСТИЦЫ, ЛИШЕННЫЕ ОКСИДНОЙ ПЛЕНКИ
METHOD OF DISPERSING METAL INTO PARTICLES DEVOID OF OXIDE FILM

Изобретение относится к способам дробления, измельчения твердых тел и может найти применение для повышения фугасного и зажигательного действия боеприпасов.
Известно, что обработка твердых тел, например металлов, давлением не вызывает их диспергирование. Такая обработка металлов приводит к их уплотнению и упрочнению. Для технологических нужд диспергирование твердых тел производят путем измельчения в разного рода мельницах, расплавления или растворения твердой фазы с последующим распылением или электрохимическим осаждением, либо путем испарения их с последующей конденсацией. См. 1. Мозохов И.Д., Трусов Л.И., Чижик С.П. Ультрадисперсные металлические среды. М.: Мир, 1973, с.25-46. 2. Шейхалиев Ш.И., Попель С.И. - Порошковая металлургия, 1983, №10, с.18-24.
Известен способ диспергирования твердых тел при быстрой релаксации напряжений всестороннего сжатия. См. Доклады Академии наук СССР. 1988, т.300, №5, статья В.Т.Федоров, Х.Б.Хоканов. Явление диспергирования твердых тел.
Авторами показано, что нагружением твердых тел высоким статическим давлением всестороннего сжатия с последующей быстрой разгрузкой удается разрушать твердые тела, в том числе весьма пластичные, с образованием высокодисперсных частиц. Авторы статьи объяснили механизм процесса.
При сжатии твердого тела потенциальная энергия его возрастает. Быстрое снятие напряжения всестороннего сжатия приводит к восстановлению равновесных межсеточных расстояний в твердом теле.
При этом запасенная потенциальная энергия сжатия переходит в кинетическую энергию отдельных элементов структуры (частиц, микроблоков). Если давление сжатия было больше или равно некоторому пороговому значению, то это приводит к разрыву связей по дефектным зонам и диспергированию вещества.
Известным способом можно мелко дробить твердые тела путем их вытеснения через фильеру на прессе со скоростью 1 м/сек. На такой скорости частицы твердого тела успевают покрыться оксидной пленкой, и их возгорания практически не происходит, тем более что в накопителе создана атмосфера азота с добавлением кислорода.
В результате проведенных экспериментов была показана возможность диспергирования твердых тел под действием взрывных нагрузок. При этом вылетающие из фильеры частицы со скоростью 2-4 км/сек, лишенные оксидной пленки, мгновенно реагируют с кислородом воздуха с образованием мощных ударных волн.
Такой способ диспергирования авторам неизвестен и позволяет получить расширение арсенала технических средств определенного назначения.
Указанная задача решена способом диспергирования металла в поток его частиц, лишенных оксидной пленки, отличающимся тем, что металл, содержащий алюминий, всесторонне сжимают ударной волной и продуктами взрыва и вытесняют из замкнутого объема со скоростью 2-4 км/сек с взрывным горением частиц на воздухе.
Практично, если вытеснение сжатого металла осуществляют через фильеру.
Допустимо, если вытеснение сжатого металла осуществляют в заданный разлом замкнутого объема.
Совокупность отличительных признаков заявленного технического решения заявителю неизвестна, что является доказательством новизны предложения, а каждый из признаков заявленной совокупности в сочетании с изобретательским приемом решения задачи со всей очевидностью не следует из уровня техники, что является доказательством изобретательского уровня в предложении. При этом авторы подчеркивают наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков изобретения и достигнутым результатом, имеющим технический характер.
В настоящее время наиболее эффективным средством повышения фугасного и зажигательного действия являются разрывные заряды, реализующие идею использования в качестве окислителя кислорода воздуха, - объемно детонирующие смеси (ОДС). При детонации таких комбинированных зарядов, состоящих из центрального диспергирующего разрывного заряда, изготавливаемого обычно из штатных, твердых взрывчатых веществ, и периферийного разрывного заряда, пересыщенного неорганическим и органическим горючим (алюминий, нефтепродукты и др.). Эти разрывные заряды образуют облако топливовоздушной смеси, которая и обеспечивает повышенное фугасное и зажигательное действие. В таких боеприпасах алюминий используют в виде высокодисперсных порошков и пудр, покрытых плотной окисной пленкой, препятствующей воспламенению. По этой причине в состав периферийного разрывного заряда вводят легковоспламеняющиеся нефтепродукты (15-50%), а окислители - те же нитраты и перхлораты (15-40%), реакция между которыми обеспечивает первоначальный прогрев и воспламенение алюминия. Таким образом, использование кислорода воздуха в ОДС реализуется лишь частично.
Таблица 1
Теплота сгорания различных веществ
Вещество
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Теплота сгорания, ккал/кг
Теплота сгорания, ккал/л
Метан (ж)
0,46
13300
6118
Этанол
0,798
7100
5665
Бензин
0,7
10480
7835
Керосин
0,83
10260
8516
Алюминий
2,7
7400
19980
Магний
1,738
6008
10442
Свинец
11,336
251
2845
Индий
7,31
1045
7641
В таблице 1 представлена теплота сгорания различных веществ. Как видно из приведенных данных, удельная объемная энергия сгорания (4 столбец) алюминия в 2,34 раза превосходит эту величину для керосина, в 3,26 раза для жидкого метана и в 3,52 раза для этанола. Однако взорвать компактный металл в обычных условиях не удается. Для экспериментов были изготовлены стальные контейнеры цилиндрической формы с крышкой высотой 75 мм с внешним и внутренним диаметром 80 и 20 мм. С одной стороны канал контейнера заканчивался конусообразной частью с углами 90° и 120°, диаметр фильеры 3 мм. В канал контейнера помещали образец в виде конуса, затем слой насыпного взрывчатого вещества. Подрывалось взрывчатое вещество детонатором. Вытеснение сжатого металла можно осуществить в заданный разлом замкнутого объема. В контейнере выполняются концентраторы напряжений, с помощью которых после всестороннего сжатия металла в контейнере вырывается пробка.
Металл обжимался всесторонне ударной волной и продуктами взрыва, и вытеснялся через фильеру. В результате получали поток частиц, движущийся со скоростями 2-4 км/сек. Частицы диспергированного таким образом металла лишены оксидной пленки. Поток частиц интенсивно реагировал с кислородом воздуха, так как время воспламенения их на 2-4 порядка меньше, чем у обычных аэровзвесей.
Проведенные эксперименты показали, что диспергирование алюминия на воздухе действительно сопровождается взрывным горением.
В связи с этим были измерены параметры воздушных ударных волн, образующихся при взрывной экструзии алюминия (таблица 2). Параметры взрывных ударных волн регистрировали пьезодатчиками, расположенными по оси симметрии контейнера. Для сравнения провели эксперименты со свинцом, который при сгорании на единицу массы выделяет в 30 раз меньше энергии, чем алюминий (таблица 1). Кроме того, записаны параметры взрывных ударных волн, образующихся при детонации насыпного заряда ТА массой 20 г, помещенного в бумажную оболочку. Тарировку датчиков проводили подрывом литого сферического заряда ТГ-50 массой 160 грамм, для которого известна зависимость параметров ударных волн от расстояния.
Таблица 2
Давление на фронте воздушных ударных волн
Х, мм
Давление ударной волны, КПа
ТА-23 в бумажной оболочке m=20 г
Вытеснение свинца, ТА-23, m<sub>BB</sub>=18 г, m<sub>A1</sub>=1,5 г
Вытеснение А1, ТА-23, m<sub>BB</sub>=18 г, m<sub>A1</sub>=1,5 г
Вытеснение А1, ТА-23, тетриловая шашка, m<sub>BB</sub>=28 г, m<sub>A1</sub>=1,5 г
200
46
31
329
476
300
30
20
155
198
400
-
-
102
188
600
-
-
69
45
В таблице 3 приведены данные сравнительных экспериментов по вытеснению алюминия и его сплавов в воздух с измерением давления воздушной ударной волны. Из приведенных данных следует, что давление на фронте воздушной ударной волны не зависит от марки используемого алюминиевого сплава.
Таблица 3
Давление на фронте воздушных ударных волн при вытеснении алюминия и его сплавов
X, мм
Давление УВ, КПа
А1, ТА-23,m<sub>BB</sub>=18 г, m<sub>A1</sub>=l,5 г
Сплав АМц, ТА-23,m<sub>BB</sub>=18 г, m<sub>A1</sub>=l,5 г
Сплав В95Т, ТА-23,m<sub>BB</sub>=18 г, m<sub>A1</sub>=1,5 г
Сплав Д16Т, ТА-23,m<sub>BB</sub>=18 г, m<sub>A1</sub>=1,5 г
200
329
330
315
325
300
155
150
155
160
400
102
98
100
100
600
69
75
69
77
В дополнительных экспериментах определяли параметры воздушных ударных волн в зависимости от расстояния до контейнера (мм), образующихся при вытеснении свинца, алюминия и его сплавов и при истечении продуктов детонации через фильеру контейнера (газовая кумуляция). Регистрацию давления производили по оси симметрии контейнера, масса заряда в обоих случаях составляла 18 г. Результаты экспериментов приведены на графике (чертеж). Видно, что давление на фронте ударных волн при истечении диспергируемого металла выше только в ближней зоне. График 1 - сборка с алюминием, график 2 - сборка без алюминия (см. приведенные графики). Полученный результат можно объяснить тем, что высокая энергоемкость компактного металла нивелируется быстрым торможением конденсированной фазы.
В то же время видно, что при расстояниях, больших 800 мм, давление на фронте ударной волны при вытеснении остается постоянным, в то время как при газовой кумуляции продолжается его снижение, поэтому можно ожидать, что при расстояниях, больших 1200 мм, экструзионный заряд будет иметь преимущество даже по оси симметрии. Следует отметить, что эти условия сравнительных испытаний являются наихудшими для экструзионного заряда. Действительно, продукты детонации срываются с торца открытого заряда со скоростью детонации, а за счет кумуляции в фильере контейнера она дополнительно возрастет, в то время как скорость вытеснения алюминия и его сплавов не превышала 3,8 км/сек. Энергия продуктов детонации сконцентрирована по оси заряда, существенного дополнительного энерговыделения за счет дореагирования продуктов детонации с воздухом ожидать нельзя, в то время как при вытеснении алюминия, напротив, основное выделение энергии происходит при его сгорании на воздухе, и энергия передается во всех направлениях. Скорость радиального расширения вытесняемой струи превышала 600 м/сек. Это означает, что максимального прироста давления на фронте ударной волны и в особенности ее импульса для вытесняемых зарядов следует ожидать по радиусам, направленным под углом к оси симметрии.
Взрывной процесс приводит к созданию металлической плазмы, движущейся со скоростью в несколько км в секунду, которая неизбежно создает мощный электромагнитный импульс. Несмотря на несколько меньшую скорость движения по сравнению с кумулятивной струей, эффект возникновения электромагнитного излучения при разрушении кристаллов и повышенная степень ионизации, связанная с дополнительным разогревом потока при сгорании металла на воздухе, позволяют оценить энергию электромагнитного излучения вытесняемой струи, равной или, что более вероятно, большей, чем энергия кумулятивной струи.
Сведения о заявленном изобретении, охарактеризованном в независимом пункте формулы, свидетельствуют о возможности его осуществления с помощью описанных в заявке и известных средств и методов. Следовательно, заявленный способ соответствует условию промышленной применимости.