Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц
HARD-FLAMMABLE NANOPARTICLES DISPERSION METHOD

Изобретение относится к тепловым двигателям, в которых для производства механической работы используется теплота сгорания твердого топлива, в частности топлива из трудновоспламеняемых наночастиц.
Известен способ организации рабочего процесса в двигателе (RU 2633730, 2017), характеризующийся тем, что порошок в виде равномерно перемешанной суспензии в сжиженном горючем газе предварительно нагружают давлением вытеснения, нагревают и подают в камеру сгорания через форсунку. Недостатком способа является необходимость предварительной подготовки суспензии на основе сжиженных газов и порошков металлов и ограничения по времени хранения топлива.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц бора (RU 2701249, 2019), состоящих из ядра и оболочки, характеризующийся тем, что осуществляют смешение наночастиц с воздухом для транспортировки в камеру сгорания, в которой запускают процесс диспергации наночастиц с образованием вторичных кластеров и фрагментов оболочки, причем радиус вторичных кластеров не должен превышать 25 нм и определяется из соотношения, после чего происходит самопроизвольная атомизация вторичных кластеров.
В известном способе для осуществления диспергации наночастиц используется быстрый нагрев в ударной волне, который приводит к энергетическим потерям на его организацию и возможным разрушающим последствиям воздействия ударной волны на конструкцию двигателя.
Кроме того, выбор материалов ядра и оболочки наночастиц ограничен бором и его соединениями.
Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в возникновении энергетических потерь и возможном разрушении двигателя при организации ударной волны.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении энергетических характеристик и надежности работы двигателя.
Технический результат достигается тем, что в способе диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц, состоящих из ядра и оболочки, осуществляют смешение наночастиц с воздухом для транспортировки в камеру сгорания, в которой запускают процесс диспергации наночастиц с образованием вторичных кластеров и фрагментов оболочки, причем радиус r вторичных кластеров не должен превышать 25 нм и определяется из соотношения:
где:
R - радиус наночастицы;
с - скорость звука в ядре;
σ - коэффициент поверхностного натяжения ядра;
ρ - плотность ядра,
после чего происходит самопроизвольная атомизация вторичных кластеров, отличающийся тем, что для запуска процесса диспергации наночастиц в камере сгорания экспонируют их рентгеновским излучением с интенсивностью J и длиной волны λ, определяемыми из соотношений:
где:
m
σ - разрушающее механическое напряжение оболочки;
d - толщина оболочки;
0
ε - диэлектрическая проницаемость вакуума;
1
ε - диэлектрическая проницаемость оболочки;
в1
ρ - удельное электрическое сопротивление оболочки;
0
с - скорость света в вакууме;
h - постоянная Планка;
е - заряд электрона,
при этом радиус R наночастицы и толщина d ее оболочки ограничены соотношениями:
где:
0
М - молярная масса материала оболочки;
a
N - число Авогадро;
0
ρ - плотность материала оболочки.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как только совокупность всех действий и операций, составляющих изобретение, позволяет устранить недостатки, присущие известным способам.
Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц осуществляется следующим образом.
Исходные трудновоспламеняемые наночастицы могут быть получены по известному из уровня техники способу (Бакулин В.Н. и др., «Энергоемкие горючие для авиационных и ракетных двигателей», Москва, Физматлит, 2009).
В качестве наночастиц могут быть использованы наночастицы алюминия (Al) с ядрами в жидком состоянии, наночастицы бора (B) в аморфном состоянии или схожие с ними по энергетическим и физическим свойствам вещества.
Наиболее подходящим диаметром наночастиц является 10 нм - 1 мкм (Кулешов П.С., «О диспергировании наночастиц алюминия», «Горение и взрыв», 2019, Т. 12, №3, с. 118-127).
2
3
2
3
4
2
2
2
В качестве оболочки могут использоваться соединения, образующиеся естественным образом в воздухе (AlO, ВО), или наносимые искусственно (ВС, TiB, ZrB, BN, HfB), причем последние защищают ядра наночастиц от окисления в воздухе и дают энергетический выход при сжигании.
В качестве примера теплового двигателя для осуществления заявленного способа может использоваться воздушно-реактивный двигатель (ВРД), схема и описание работы которого приведены в патенте RU 2633730.
Осуществляют смешение трудновоспламеняемых наночастиц, состоящих из ядра и оболочки, с воздухом для транспортировки в камеру сгорания ВРД, в которой экспонируют их рентгеновским излучением с интенсивностью J и длиной λ волны, определяемыми из соотношений:
которое способствует запуску процесса диспергации наночастиц с образованием вторичных кластеров и фрагментов оболочки, причем радиус r вторичных кластеров не должен превышать 25 нм и определяется из соотношения:
В частности, длина волны, необходимая для диспергирования наночастиц бора и алюминия, составляет 3-8 нм. Такое излучение может быть получено в камере сгорания с использованием рентгеновской трубки или естественно-радиоактивного материала, распад которого сопровождается выделением короткоживущих радионуклидов и слабопроникающей радиацией, что вызывает фотоэффект, в процессе которого происходит зарядка и как следствие, кулоновский взрыв наночастицы.
При этом в камере сгорания возникает зона быстрой зарядки наночастиц и их диспергации с образованием вторичных кластеров, за которой вниз по потоку вдоль осевой координаты двигателя образуется зона атомизации вторичных кластеров, в которой происходит самопроизвольная атомизация вторичных кластеров, самовоспламенение и горение фрагментов оболочки в нагретом воздухе. Выпуск продуктов сгорания происходит через реактивное сопло ВРД. Раскаленные газообразные продукты сгорания формируют тягу в ВРД на стенках камеры сгорания и сопла.
Радиус R наночастицы и толщина d ее оболочки ограничены соотношениями:
Приведенные соотношения для J, λ, R и d следуют из известного уровня техники (Кулешов П.С., «Электрическая диспергация оксидированных наночастиц», Труды 62-ой Всероссийской научной конференции МФТИ, 18-24 ноября 2019, Аэрокосмические технологии, Москва-Долгопрудный-Жуковский. МФТИ. 2019. с. 307-308. ISBN978-5-7417-0729-6).
Ниже описаны примеры использования предложенного способа.
Предварительно были получены наночастицы алюминия и бора с радиусом
R ~ 100 нм
и толщиной оболочки
d ~ 2 нм.
По проведенным оценкам при реализации способа, на диспергацию одной наночастицы алюминия радиусом 100 нм необходима энергия импульса
-13
-12
~ 10 - 10 Дж
рентгеновского излучения, или (с учетом коэффициента полезного действия рентгеновской трубки)
-11
~ 10 Дж
подводимой энергии к трубке, а при сжигании наночастицы в воздухе выделяется
-10
~ 10 Дж.
Для диспергации одной наночастицы бора с таким же радиусом 100 нм необходима энергия импульса
-20
-18
~ 10 - 10 Дж,
или (с учетом коэффициента полезного действия рентгеновской трубки)
-18
-16
~ 10 - 10 Дж
подводимой энергии к трубке.
При этом при сжигании наночастицы бора в воздухе также выделяется
-10
~ 10 Дж.
Таким образом, заявленный способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц обеспечивает значительное снижение энергетических потерь для наночастиц алюминия и бора, что подтверждает достижение заявленного технического результата - повышение энергетических характеристик и надежности работы двигателя.
Дополнительным преимуществом заявленного изобретения является расширение диапазона материалов ядра и оболочки наночастиц.