МОДЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ НИТРИДОВ ПРИ ГОРЕНИИ ПОРОШКОВЫХ ЭНЕРГОНАСЫЩЕННЫХ РЕАГЕНТОВ

Полезная модель относится к области металлургической химии энергонасыщенных систем, а именно, к стационарным (модельным, стендовым и др.) устройствам, обеспечивающим использование энергии горения порошковых энергонасыщенных реагентов (ПЭР), способных к образованию нитридных соединений методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), для исследования процессов образования этих соединений.
СВС является видом горения, называемым «безгазовым горением» или «твердым пламенем», при котором исходные, промежуточные и конечные продукты находятся, как правило, в конденсированном состоянии [1, 2, 3].
Особое значение придается исследованиям процессов горения ПЭР в атмосфере воздуха с образованием нитридных соединений, так как последовательность протекания реакций образования конечных продуктов может существенно влиять на эффективность энерговыделения. Применительно к процессам осуществления объемного горения ПЭР важным является синтез нитридов различных материалов в атмосфере воздуха, так как горение их может быть осуществлено не только за счет реагирования с кислородом, но также с азотом [4], содержание которого в атмосфере воздуха превышает содержание кислорода в ~4 раза. При этом последовательность протекания реакций горения может быть осуществлена не по стандартной схеме, предполагающей, что первичной стадией является взаимодействие реагентов с кислородом. Так, в [5] А.Г. Мержановым было отмечено: «Удивительным для нас, например, явилось то, что первичным продуктом сгорания титана в воздухе является нитрид титана». Учитывая это, а также то, что температура горения и тепловыделение при реагировании порошковых материалов с азотом могут существенно превосходить данные характеристики при реагировании их с кислородом, отработка режимов горения ПЭР в атмосфере воздуха имеет большое значение.
Актуальность предложенного технического решения объясняется выделением энергии при синтезе нитридов в атмосфере воздуха для создания глубокого вакуума в области объемного горения ПЭР.
Известна стационарная установка для образования нитридов при горении ПЭР [5]. Установка содержит герметичную камеру с размещенными в ней ПЭР, жидким азотом и инициатором горения. В данной установке были получены нитриды титана и циркония. Недостатком установки является невозможность создания вакуума в атмосфере, так как при образовании нитридов не используется азот воздуха.
Известна также принятая за прототип модельная установка, обеспечивающая образование нитридов при горении ПЭР [7]. Установка содержит размещенную на подставке герметичную камеру с диспергирующим зарядом (ДЗ) из навески ДРП и ПЭР. Недостаток установки (прототип) - при наличии только одной камеры невозможно обеспечить оптимальное соотношение реагентов в реакционном объеме (объеме области взрыва), позволяющее создать глубокий вакуум за счет выгорания достаточного количества кислорода и азота воздуха.
Задача, решение которой может быть обеспечено при использовании предложенной полезной модели, заключается в создании модельной установки для проведения исследований по осуществлению процесса образования нитридных соединений в области объемного горении ПЭР в атмосфере воздуха для создания глубокого вакуума в этой области.
Технический результат от использования полезной модели выражается в повышении эффективности использования энергии объемного горения ПЭР за счет создания глубокого вакуума в области горения.
Указанная задача решается, а технический результат достигается тем, что в модельной установке для образования нитридов при горении ПЭР, включающая размещенную на подставке герметичную камеру с ДЗ и, по крайней мере, с одним ПЭР, согласно предложенной полезной модели, в ней дополнительно размещена вторая, полностью углубленная в подставку, герметичная камера с ДЗ и ПЭР, между камерами размещена стойка с Г-образным поперечным сечением, на внутренней поверхности которой укреплен заряд взрывчатого вещества (ВВ), причем вторая камера выполнена в виде инжектора и содержит сопло, заглушенное пробкой или разрывной мембраной, при этом внутренняя поверхность стойки с Г-образным поперечным сечением и укрепленным на ней зарядом ВВ обращена ко второй герметичной камере, а ПЭР выбраны из группы реагентов, способных к образованию тугоплавких нитридных соединений методом СВС: бор, титан, цирконий, гафний, ванадий, магний, бериллий, алюминий.
В некоторых случаях боковая поверхность и верхний торец второй камеры изолированы от внешней среды слоем мокрого песка.
Существенность отличительных признаков обуславливается следующим:
размещение на подставке двух камер с диспергирующими зарядами и ПЭР обеспечивает возможность полного или частичного удаления кислорода из воздуха при подрыве ДЗ в первой камере за счет образования оксидов, что создает условия для осуществления объемного горения ПЭР в образовавшейся атмосфере азота; кроме того обеспечивается предварительное нагревание области объемного горения перед подрывом ДЗ во второй камере, что способствует осуществлению реакции горения диспергированных ПЭР в атмосфере азота (и, частично, кислорода - в том случае, если он не полностью удален при подрыве ДЗ в первой камере);
- выполнение второй камеры в виде инжектора обеспечивает направленное (в область размещения заряда ВВ, укрепленного на стойке с Г-образным поперечным сечением) впрыскивание ПЭР из этой камеры;
- заглушение сопла второй камеры пробкой или разрывной мембраной обеспечивает вскрытие его и впрыскивание ПЭР в атмосферу при заданном давлении во второй камере;
подрыв заряда ВВ, укрепленного на внутренней поверхности стойки с Г-образным поперечным сечением, и обращение этой поверхности ко второй камере обеспечивает дополнительное диспергирование ПЭР до концентрации, необходимой для их объемного горения в азотной среде, и предотвращает воздействие на заряд ВВ осколков, образующихся при подрыве ДЗ в первой камере;
изолирование боковой поверхности и верхнего торца второй камеры слоем мокрого песка предотвращает преждевременный подрыв ДЗ во второй камере от его нагревания после подрыва ДЗ в первой камере;
- заглубление второй камеры в подставку предотвращает воздействие на заряд ВВ осколков, образующихся при подрыве ДЗ в первой камере;
- выбор ПЭР осуществляется, исходя из обеспечения зависимости:
э
э
-6
2,0≤М10≤9,1, где М - мощность термосветовой энергии СВС, К-кал/г [5].
Анализ опубликованных источников информации подтвердил неизвестность заявленной совокупности существенных признаков и ее патентоспособность.
Другие цели и преимущества предложенной полезной модели вытекают из следующего детального описания примера его использования и прилагаемых рисунков, в которых:
- на фиг.1 изображена схема модельной установки для образования нитридов при горении ПЭР;
- на фиг.2 приведена рентгенограмма состава конденсированных продуктов взрыва.
Модельная установка (фиг.1) включает герметичную камеру 1, в которой размещены ПЭР (поз.2), ДЗ (поз.3) и инициатор взрыва ЭД-8Ж (поз.4); камера 1 размещена на подставке 5. На удалении от камеры 1 размещена вторая герметичная камера 6, выполненная в виде инжектора, в котором размещены ПЭР (поз.7), ДЗ (поз.8), инициатор взрыва (поз.9), включающий капсюль-детонатор МБ-2 и навеску ДРП массой 4 г. Вторая камера 6 размещена в промежуточном стакане 10 в углублении, выполненном в подставке 5. Между камерой 1 и второй камерой 6 размещена стойка с Г-образным поперечным сечением 11, обращенная внутренней поверхностью к второй камере 6, и на которой укреплен заряд ВВ (поз. 12) с инициатором взрыва ЭД-8Ж (поз. 13). Верхний торец второй камеры снабжен соплом 14, загерметизированным пробкой 15. Боковая поверхность и верхний торец второй камеры 6 изолированы от внешней среды слоем мокрого песка (поз. 16). На опорной поверхности подставки 5 уложены бетонные плиты 17 габаритами 50х50х5 см и массой 50 кг. Часть опорной поверхности 18, ограниченная пунктирной линией, соответствует поверхности выпадения конденсированных продуктов взрыва. Воображаемая полусфера 19, ограниченная штрих-пунктирной линией, обозначает условную граничную область взрыва, радиус которой соответствует радиусу поверхности выпадения конденсированных продуктов взрыва.
2
3
2
Рентгенограмма на фиг.2 показывает содержание на поверхности выпадения конденсированных продуктов взрыва как обычных продуктов горения - оксидов алюминия (АlО) поз.20 и циркония (ZrO) поз.21, так и продуктов синтеза соединений методом СВС - нитридов циркония (ZrN) поз.22 и алюминия (A1N) поз.23, характеризующихся длиной волны (λ, Å) и относительной интенсивностью (I,%) их распределения.
В качестве ПЭР, способных к образованию нитридов, выбрали произвольно:
- в камере 1 - порошок алюминия марки ПАП-2 массой 50 г;
- в камере 2 - порошок сплава марки ПЦЮ («Циаль»), состоящий из 84% циркония и 16% алюминия.
В качестве диспергирующих зарядов выбрали:
- в камере 1 - прессованный гексоген ТГ-50 массой 10 г и нитрометан массой 15 г (порошок алюминия и нитрометан предварительно смешивали до образования пастообразного состава);
- во второй камере 6 - смесь перхлората аммония и порошка алюминия марки ПАП-2 массой 50 г.
В качестве заряда ВВ (поз. 12) использовали прессованный состав гексогена ТГ-50 массой 26 г.
Результаты испытаний, подтверждающих эффективность устройства, приведены ниже.
3
Работа модельной установки (фиг.1) осуществлялась в бронекабине (на чертеже не указана) объемом 330 м следующим образом: вначале провели подрыв инициатора 4 в камере 1, а затем, с задержкой 2 мс и 5 мс, подорвали инициаторы 9 и 13 во второй камере 6 и на заряде ВВ (поз. 12).
В результате испытаний осуществлено объемное горение ПЭР, при этом, получены следующие характеристики, не достигаемые ранее на других установках:
1. Величина остаточного давления в зоне объема взрыва по показаниям датчиков составила менее 6 МПа.
2. Осуществлен сдвиг бетонных плит (поз.17), что может явиться следствием перепада давлений под бетонной плитой и на ее поверхности при импульсном спаде давления в области взрыва.
3
3. Отмечено всасывание в бронекабину внешней атмосферы через щели в уплотнениях электровводов в стенках бронекабины (ранее отмечалось истечение через эти щели продуктов взрыва). Данный фактор является весьма существенным, если учесть, что объем бронекабины в ~20 раз превосходит объем области взрыва, принятый равным объему полусферы с радиусом, соответствующим радиусу выпадения конденсированных продуктов взрыва (2 м) и составляющим 16,75 м. Это свидетельствует о том, что реакция азотирования с образованием конденсированных продуктов синтеза была осуществлена непосредственно в области взрыва, то есть создание вакуума обеспечено практически на открытом пространстве.
2
3
2
4. По показаниям дифрактометра ULTIMA-IV отмечено выпадение порошков конденсированных продуктов взрыва (фиг.2), при этом количество нитридов (ZrN, AlN) превысило содержание оксидов (АlO, ZrO) в ~1,5 раза, а количество ZrN превысило количество AlN в ~1,2 раза, несмотря на то, что в исходных реагентах количество алюминия было больше, чем количество циркония в ~1,5 раза, то есть основным фактором создания вакуума явилось горение ПЭР в атмосфере азота.
Таким образом, полученные результаты свидетельствует о вовлечении в реакцию объемного горения процесса связывания азота с образованием нитридов, что обеспечило расширение функциональных возможностей и повышение эффективности процесса объемного горения за счет обеспечения разрушительного действия.
Полезная модель может быть использована для проведения исследований по отработке режимов объемного горения и оптимизации составов ПЭР, обеспечивающих эффективное поглощение азота в атмосфере воздуха для обеспечения необходимой степени вакуумирования в зоне применения этих составов, как в замкнутом объеме, так и на открытом пространстве.
Хотя наиболее подробно описан один пример использования полезной модели следует считать, что оно не сводится по объему притязаний именно к этому варианту, а включает все изменения и модификации в рамках объема притязаний, определяемых прилагаемой формулой изобретения.
Источники информации:
1. А.Г.Мержанов, И.П.Боровинская, В.М.Шкиро. Явления волновой локализации автотормозящихся твердофазных реакций. Диплом №287 на открытие. Приор, от 05.07.67.
2. А.Г.Мержанов. Передовая СВС-керамика: сегодня и завтра утром. В кн. «Процессы горения и синтез материалов», Российская академия наук, Институт структурной макрокинетики и материаловедения, Черноголовка, изд. ИСМАН, 1998, с. 10-40.
3. А.Г.Мержанов. Проблемы технологического горения. В кн. «Процессы горения в химической технологии и металлургии», Академия наук СССР, ОИХФ, Черноголовка, 1975, с. 5-28.
4. Н.П.Новиков, И.П.Боровинская, А.Г.Мержанов. Термодинамический анализ реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. В кн. «Процессы горения в химической технологии и металлургии». Академия наук СССР, ОИХФ, Черноголовка, 1975,с.174-188.
5. А.Г Мержанов. Теория и практика СВС: современное состояние и новейшие результаты. В кн. «Процессы горения и синтез материалов», Российская академии наук, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения, Черноголовка, изд. ИСМАН, 1998, с. 122-186.
6. А.Б.Авакян, А.Г.Мержанов и др. Синтез карбонитридов переходных металлов, в кн. «Процессы горения в химической технологии и металлургии», Академия наук СССР, ОИХФ, Черноголовка, 1975, с. 109.
7. Заявка №2009101083/02 на изобретение «Способ инициирования реакции горения в боеприпасах термо-баро-светового объемного действия энергией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза», решение о выдаче патента от 15.11.2010 г.