КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ВЗРЫВОПРОНИКАЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ
COMPOSITE MATERIAL FOR IMPLEMENTATION OF EXPLOSION PENETRATING ACTION

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления энергоемких композиционных материалов, применяемых для разрушения скальных и бетонных преград, а также в перфорационной технике при прострелочно-взрывных работах в нефтеразведке.
2
3
2
3
4
Существует множество энергоемких композиций, содержащих активное металлическое горючее и фторполимеры в качестве основного или дополнительного окислителя. В ряде случаев, при проектировании изделий народнохозяйственного назначения, необходима высокая масса ударника, содержащего энергоемкий состав, например, чтобы обеспечить необходимые баллистические характеристики на воздушной траектории полета или террадинамические при столкновении с преградой. Одним из способов обеспечить необходимую массу является повышение плотности самого состава за счет включения в него компонента с высокой плотностью. Такими компонентами являются тяжелые металлы (U, W, Th, Та, Hf, Nb и др.), а также некоторые оксиды тяжелых металлов (WO, WO, CuO, PbO, PbO и др.). Одним из наиболее привлекательных компонентов является вольфрам, т.к. он относительно дешев, малотоксичен, не повышает чувствительность смеси и при этом является одним из наиболее высокоплотных материалов. Его использование для повышения плотности описано во многих патентах и публикациях.
Известны порошковые смеси (патент US №2007051267, МПК F42B 1/02; F42B 1/032; F42B 3/28; опубл. 08.03.2007), составы, содержащие W, перхлорат калия и 7,5% фторполимера (патент US №2008229963; МПК С06В 25/00; С06В 27/00; С06В 33/02; опубл. 25.09.2008). Однако содержание вольфрама в приведенных аналогах, во-первых, не превышает 80-82,2%, а во-вторых, в смеси отсутствует активное металлическое горючее, что резко снижает их энергоемкость.
Известен состав (патент US №6962634; МПК С06В 27/00; C08K 3/00; C08L 27/12; опубл. 05.02.2004), содержащий от 15 до 90% фторполимера (предпочтительнее 25-75%), от 10 до 85% металлического порошка (Mg, Al, их сплавы, Fe,Cu, Zr, Ti, Zn, Mn, Sn, В, Si, Hf, W, U, Та) и др. компоненты. В известных составах при горении температура не может обеспечивать быструю и полную химическую реакцию между компонентами; кроме того, резко ухудшается прессуемость состава из-за низкого объемного содержания пластичных компонентов (фторполимер, Al и др.).
Задачей изобретения является создание энергоемких композиционных материалов, которые можно использовать для замены инертных конструкционных материалов (сталь, медь, свинец и др.) в ударниках, способных пробивать прочные преграды, перфорационной технике и других приложениях, с плотностью, не ниже плотности заменяемого материала.
Технический результат при использовании изобретения заключается в повышении эффективности устройств за счет дополнительной химической энергии, выделяемой такими композиционными материалами.
3
Технический результат достигается тем, что композиционный материал для осуществления взрывопроникающего действия содержит вольфрам, активное металлическое горючее и фторполимер. Компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%: вольфрам - 68-98, активное металлическое горючее - 1-29, фторполимер - 1-14. Плотность композиционного материала составляет не менее 7,8 г/см. В качестве активного металлического горючего могут использоваться Al, Mg, Ti, Zr или их смеси и сплавы. В качестве фторполимера могут использоваться фторопласты Ф-4, Ф-3, Ф-2, Ф-42, Ф-32 и фторкаучуки СКФ-32, СКФ-26.
Отличием предлагаемого состава от известных аналогов является обязательное наличие не менее двух типов порошков - активного горючего (В, Al, Si, Mg, Ti, Zr, их смесей или сплавов), обеспечивающего высокую температуру реакции, и тяжелого компонента (W), обеспечивающего нужную плотность состава. Другим отличием является то, что содержание вольфрама в предлагаемом составе может быть значительно больше и достигать 98 (мас.% от всего состава). При более высоком содержании вольфрама развиваемая при горении температура не может обеспечивать быструю и полную химическую реакцию между компонентами; кроме того, резко ухудшается прессуемость состава из-за низкого объемного содержания пластичных компонентов (фторполимер, Al и др.).
3
Содержание в композиционном материале фторполимера - 1-14 (мас.%) обеспечивает окисление активного горючего и необходимые механические и технологические характеристики, содержание вольфрама в количестве 68-98 обеспечивает необходимую плотность; а активного горючего (В, Al, Si, Mg,Ti, Zr или их смеси и сплавы) в количестве 1-29 обеспечивает высокую энергоемкость. Плотность композиционного материала 7,8 г/см и выше обеспечивает возможность изготовления из него деталей с теми же массогабаритными характеристиками, как и из распространенных конструкционных материалов (сталь, медь, свинец и др.).
3
Нижний предел массовой доли W определяется требуемой плотностью состава. Например, если необходимо обеспечить плотность состава 7,8 г/см для состава, содержащего в качестве активного горючего алюминий, то массовая доля W должна быть не меньше 77-83%. При замене алюминия на более плотный металл (например, цирконий), доля вольфрама может быть снижена до 68%.
3
3
Относительно высокое энергосодержание (~10 кДж/см) обеспечивается при содержании вольфрама 90% и менее, при увеличении содержания вольфрама оно снижается, например, при 98% W - менее 3 кДж/см. Таким образом, оптимальное соотношение между плотностью композиционного материала и его энергоемкостью соответствует содержанию вольфрама 70-90%.
Соотношение между другими компонентами (активное металлическое горючее/фторполимер) определяется назначением состава. Стехиометрическое соотношение обеспечивает полное окисление металла до фторида и восстановление связей C-F до углерода (например, если фторполимер - ПТФЭ, то содержание активного металла в смеси с фторполимером - Al 26,5%; ПАМ 28%; Ti 32%; Zr 48%). В составах, рассчитанных на реакцию без доступа воздуха, максимальное энерговыделение соответствует небольшому (10-20%) избытку активного металла по сравнению со стехиометрическим соотношением. Однако составы, предназначенные для догорания продуктов реакции на воздухе, должны содержать максимальное количество активного металла, при котором обеспечивается устойчивое горение. Для указанных металлов и сплавов это соответствует соотношению 80-90% металла и 10-20% фторполимера. Термодинамические расчеты, проведенные по программе ТЕРМО-2010 (Имховик Н.А. Программа термодинамического расчета параметров детонации, равновесного состава и характеристик продуктов взрыва многокомпонентных гетерогенных взрывчатых систем (МГВС). Руководство пользователя. МГТУ им. Баумана, М., 2010), показывают, что максимальная работоспособность продуктов сгорания достигается при содержании активного металла 50-100% от стехиометрии. Порошки тяжелого вольфрама также могут участвовать в реакции с фторуглеводородами; хотя выделяемая энергия намного меньше, чем с активным металлом, но летучесть высших фторидов вольфрама делает их привлекательными в качестве рабочего тела, увеличивающего фугасное действие. Поэтому в тройных системах фторполимер-вольфрам-активный металл минимальное количество последнего может составлять 20% и менее от стехиометрии. Таким образом, интервал соотношения активный металл - фторполимер для указанных металлов (Al, Mg, Ti, Zr) составляет 5-90% металла и 95-10% фторполимера. Минимальное количество фторполимера определяется также соображениями технологии - для обеспечения прессуемости композита желательно содержание полимера на уровне не менее 1-2%.
В зависимости от содержания W (68-98%) массовая доля, приходящаяся на фторполимер и активный металл, составляет соответственно 2-32%. Доля фторполимера, таким образом, может варьировать от 1% (минимальное количество, при котором обеспечивается прессуемость) до 14%. Массовая доля активного металла может составлять от 1% (состав 98% W+1% ФП+1% активного металла) до 29% (при котором состав с 68% W еще горит и имеет максимальную теплоту догорания на воздухе).
Пример использования композиционного материала для осуществления взрывопроникающего действия.
В таблице 1 представлено несколько составов композиционных материалов. Некоторые из них использовались для изготовления цилиндрических вставок для ударника-проникателя. На фиг. 1 представлено фото проникателя, на фиг. 2 схематически изображен проникатель, на фиг. 3 - фото преграды до опыта, на фиг. 4 изображена бетонная преграда, на фиг. 5 - фото лицевой стороны бетонной преграды после опыта, на фиг. 6 - фото тыльной стороны бетонной преграды после опыта, на фиг. 7 и фиг. 8 показана глубина каверны бетонной преграды после опыта, на фиг. 9 - схема разрушения преграды в опыте №1, на фиг. 10 - профиль каверны в бетоне в четырех сечениях в опыте №3, где 1 - вставка из композиционного материала, 2 - корпус проникателя.
Для оценки проникающего и разрушающего действия проникателей с композиционными материалами были выбраны составы №1 и №6 (табл. 1).
Состав №1 (8,5% Ф - 1,5% Al - 90% W) выбран исходя из требования высокой плотности, которая обеспечивалась содержанием вольфрама 90%. Содержание активного металла (алюминия), составляющее 50% от стехиометрического (2,6% Al+7,4% ПТФЭ), выбрано исходя из результатов термодинамических расчетов, как обеспечивающее максимальную работоспособность продуктов реакции. При одинаковых габаритах вставка, изготовленная из состава №6, в 4 раза легче, чем вставка, изготовленная из состава №1.
Проникатели со вставками-стержнями, изготовленными из составов №1 (опыт №1) и №6 (опыт №3), выстреливались из легкогазовой баллистической установки в бетонные преграды. Общий вид бетонной преграды, ее состав и размеры (в миллиметрах) приведены на фиг. 3 и фиг. 4. Опыты №1 и №3 проведены с идентичными начальными условиями.
Использование композиционного материала заявляемого состава в конструкции проникателя позволило реализовать взрывопроникающее действие, увеличившее диаметр и объем каверны в бетоне. Так, на фиг. 5 и фиг. 6 показана преграда после опыта №1, из которого видно, что с лицевой стороны (по отношению к легкогазовой баллистической установке) получена глубина проникания Н≈210 мм, практически полностью разрушен прочный бетон с образованием тыльного откола (фиг. 6), разрушена часть цементно-песчаного раствора.
На фиг. 7 и фиг. 8 показана преграда после опыта №3 с глубиной каверны Н≈70 мм без тыльного откола. Каверна имеет коническую форму с основанием диаметром примерно 140 мм (фиг. 8).
Сравнение результатов опытов №1 и №3 показало, что взрывопроникающее действие значительно больше у проникателя со вставкой, изготовленной из более «тяжелого» состава композиционного материала.
3
Для сравнительной оценки эффективности террадинамических параметров проникателей с композиционными материалами и с инертными конструкционными материалами использовались результаты, проведенного ранее опыта №3 со стержнем из сплава ВНЖ - 7-3 (плотностью 17,1 г/см) диаметром 7 мм и длиной 30 мм. Редакции опытов были идентичны.
На фиг. 9 и фиг. 10 для сравнения показана схема разрушения преграды в опыте №1 (фиг. 9) (размеры в миллиметрах), и профиль каверны в бетоне в четырех сечениях в опыте №3 (фиг. 10). Очевидно, разрушающее действие у проникателя с композиционным материалом значительно больше, чем у проникателя, изготовленного из «инертного» материала.