Влияние оксида алюминия на пороги лазерного зажигания смеси нанопорошка алюминия и оксида железа

Дополнительным преимуществом ХК радиальной геометрии является снижение потребления газа-носителя, что особенно актуально при проведении внутрискваженных экспериментов. С целью

увеличения эффективной длины ХК предлагается составлять ХК в стержни.

Автор признателен компании Шлюмберже за возможность опубликования результатов данной работы.

Список литературы

1. Purnell J.H. Comparison of efficiency and separating power of packed and capillary gas chromatographic columns // Nature. -1959. - V. 184. - № 4704. - P. 2009.

2. Жданеев О.В. Хроматография переменной геометрии // Известия Томского политехнического университета. - 2012. -Т. 320. - № 3. - С. 100-104

3. Жданеев О.В. Хроматография переменной геометрии в случае прямоугольных хроматографических колонок // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т. 320. -№ 3. - С. 104-108.

4. Apparatus and Method for Analyzing the Composition of Formation Fluids: US Patent 5166747; filing date 01.06.90, published 24.11.92. URL: http://www.google.com/patents/US5166747 (дата обращения: 15.05.2013).

5. Jahn F., Cook M., Graham M. Hydrocarbon exploration and production. - Germany: Elsevier, 2008. - 444 p.

6. Neue U.D. HPLC columns. Theory, technology, and practice. -New York: Wiley-VCH Inc., 1997. - 416 p.

7. Spangler G. Height equivalent to a theoretical plate theory for rectangular GC column // Analytical Chemistry. - 1998. -V. 70. - P. 4805-4816.

8. Giddings J.C. Plate height of nonuniform chromatographic columns // Analytical Chemistry. - 1963. - V. 35. - № 3. -

P. 353-356.

9. Grushka E. Chromatographic Peak Shapes. Their Origin and Dependence on the Experimental Parameters // Journal of Physical Chemistry. - 1973. - V. 76. - № 18. - P. 2586-2593.

10. Golay M.J.E. Theory of chromatography in open and coated tubular columns with round and rectangular cross-section // Gas

Chromatography. - London: Butterworths, 1958. - P. 36-55.

Поступила 31.05.2013 г.

УДК 544.452.14

ВЛИЯНИЕ ОКСИДА АЛЮМИНИЯ НА ПОРОГИ ЛАЗЕРНОГО ЗАЖИГАНИЯ СМЕСИ НАНОПОРОШКА АЛЮМИНИЯ И ОКСИДА ЖЕЛЕЗА

В.В. Медведев, А.П. Ильин, А.А. Решетов*

Томский политехнический университет *Тюменский государственный нефтегазовый университет E-mail: medvedev@tpu.ru

Приведены результаты экспериментальных исследований по зажиганию пиротехнического состава (нанопорошок алюминя+ок-сид железа) лазерным излучением (Х=1,06 мкм) с длительностью импульса 3,5 мс. Измерены энергетические пороги лазерного зажигания исследуемого состава и состава с добавками оксида алюминия при различных плотностях запрессовки. Исследован фазовый состав конечных продуктов сгорания. Установлено, что добавки нанопорошка оксида алюминия в железо-алюми-ниевый термит с увеличением плотности образцов снижают энергетические пороги зажигания.

Ключевые слова:

Лазерное излучение, зажигание, пиротехнический состав. Key words:

Laser radiation, ignition, pyrotechnic composition.

Введение

Применение ряда материалов в виде нанопорошков (НП) приводит к резкому увеличению химической активности как отдельных НП, так и их смесей с различными веществами. Поэтому становится актуальной проблема понижения чувствительности наносистем к нагреву, трению, удару и т. д.

Целью данной работы являлось изучение влияния добавок нанопорошка гамма-оксида алюминия на устойчивость термитной смеси (25 % НП алюминия + 75 % НП Fе2O3) к действию лазерного излучения.

Характеристика исходных материалов и методики эксперимента

Соотношение термит/оксид алюминия составляло 70/30. Среднеповерхностный диаметр частиц алюминия составлял ~ 0,25, оксида железа ~ 1, оксида алюминия ~ 0,04 мкм. Смесь вышеперечисленных компонентов тщательно растирали в агатовой ступке. Навески массой ~ 10 мг засыпали в пресс-форму и запрессовывали до требуемой плотности. Получали образцы в виде таблеток диаметром 4 мм и толщиной 1...3 мм (толщина зависела от давления прессования). Плотность меняли в интервале -0,1<р/рш<0,7 (наибольшая возможная

плотность рт ~ 4,16 г/см3). Облучали по нормали центральную часть диаметром 3 мм торцевой поверхности образца. Такой метод лазерного облучения связан с тем, что при прессовании края образцов пропрессовывались хуже, чем центральная часть, и это могло повлиять на измерение энергетических порогов зажигания (ЭПЗ). В работе использовалось излучение неодимового лазера, генерирующего квазипрямоугольный, квазинепрерыв-ный (глубина модуляции не более 30 %) лазерный импульс длительностью ~ 3,5 мс (многомодовый режим генерации). Неравномерность облучения торцевой поверхности образца составила не более 20 %. Методика определения неравномерности лазерного излучения по сечению пучка приведена в работе [1]. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.

сферические частицы, большая часть которых является полыми (рис. 3).

Рис. 2. Фотография факела горящего прессованного образца термитной смеси (25 % НП алюминия + 75% НП

еоз)

Рис. 1. Схема установки зажигания пиротехнической смеси лазерным излучением: 1, 2) поворотные зеркала; 3) импульсный лазер; 4) калориметр; 5, 7) нейтральные светофильтры; 6, 9) светоделительные пластины; 8) фотоприемник ФЭК-09К; 10) юстировочный лазер ЛГН-109; 11) световодный жгут; 12) фотоприемник ФЭУ-118; 13) поворотная призма; 14) образец

Величины ЭПЗ определяли по методике, описанной в работе [2]. Вначале строили вероятностные кривые зажигания от 0 до 100 % (Р = количество зажиганий/количество опытов), как функцию Р от плотности энергии Е подводимого излучения. Каждой точке зависимости соответствовал статистический набор из 25 опытов при точности показаний калориметра не более ±10 % от среднего значения. За величину ЭПЗ принимали значения Е50, при которых реализовалось зажигание с вероятностью Р=50 %.

В работе использовали НП алюминия, полученный в условиях электрического взрыва проводников (газовая среда - аргон) [3] и пассивированный медленным окислением в воздухе; такой НП устойчив до 350...450 С [4].

Результаты эксперимента

В смеси с НП Fе2О3 температура начала окисления НП алюминия снижается незначительно. Скорость горения такой смеси резко возрастает и, в отличие от смеси грубодисперсных порошков, сопровождается факелом и выбросом продуктов горения (рис. 2), которые представляют собой оплавленные

Рис. 3. Фотография осажденных частиц продуктов горения

термитной смеси (25 % НП алюминия + 75 % НП

еОз)

Повышение скорости горения создает практически адиабатические условия, при которых температура в зоне горения увеличивается и достигает больших значений, чем при сгорании штатного термита. Все эти процессы затрудняют возможность использования термитных смесей на основе НП по назначению. Для определения химической активности НП алюминия и их смесей использовали четыре параметра, которые получают по данным дифференциально-термического анализа [5]. Конечными продуктами горения смесей нанопорошков алюминия и оксида железа является также интерметаллид А^е3 и, в качестве основной кристаллической фазы, обнаружен шпинелеподобный алюминат железа FеАl2О4(II). Заметных количеств других фаз с помощью рентгенофазового анализа не обнаружено. Продуктами сгорания

классического железо-алюминиевого термита являются металлическое железо и а-А12О3, причем эти продукты достаточно компактны: в процессе горения отсутствует факел и не происходит их выброса.

Рис. 4. Зависимость энергетических порогов зажигания от плотности образцов: 1 - состав: 25 % НП алюминия + 75 % НП Fе2О3; 2 - состав 70 % плотности состава 1: 25 % НП алюминия + 75% НП FеО3 +30 % А12О3

Эксперименты по лазерному зажиганию термита насыпной плотности с добавками оксида алюминия и без него показали, что данные составы имеют незначительную разницу в порогах зажигания. Если предположить, что некоторое снижение ЭПЗ связано с меньшей теплопроводностью частиц А12О3 по сравнению с частицами алюминия, а в насыпном со-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Медведев В.В. Лазер с регулируемой длительностью импульса на базе о.к.г. Г0С301 // Приборы и техника эксперимента. -2000. - № 6. - С. 89-91.

2. Медведев В.В. Влияние интенсивности лазерного излучения на пороги зажигания пористого двухосновного топлива // Химическая физика. - 2004. - Т. 23. - № 3. - С. 73-78.

3. Назаренко О.Б. Электровзрывные нанопорошки: получение, свойства, применение / под ред. А.П. Ильина. - Томск: Изд-во Том. Политех. ун-та, 2005. - 148 с.

стоянии контакт между частицами невелик, тогда при увеличении уплотнения смеси эффект уменьшения ЭПЗ должен быть более значимым.

С этой целью были проведены эксперименты по влиянию плотности образцов на ЭПЗ. Результаты приведены на рис. 4.

Согласно полученным зависимостям с увеличением плотности образцов разница величин ЭПЗ растет, что подтверждает выдвинутое предположение. Горение смеси (50 % НП А1 + 50 % НП Fе203) отличалось от горении других термитов. Данный состав зажигался и горел в конденсированной фазе, без разбрызгивания продуктов. После сгорания образовывался пустотелый шарик бурого цвета, если масса навески была не более 10 мг. При массе более 10 мг образовывалась полусфера. 0бразова-ние пустотелого шарика можно объяснить тем, что при горении поверхностный слой жидкого металла препятствует воздуху, находящемуся в порах, выходить наружу и разбрызгивать жидкий металлический слой. За счет сил поверхностного натяжения образуется шарик, а воздух перемещается внутрь образца. Когда давление становится достаточным, воздух выходит наружу. Обращает также на себя внимание, что образцы с нанопорошком алюминия горят иначе; чем образцы с грубодисперсным порошком алюминия, которые после сгорания обычно сохраняют свою форму [6].

Выводы

1. Добавки нанопорошка оксида алюминия в же-лезо-алюминиевый термит с увеличением плотности образцов снижают энергетические пороги зажигания.

2. Замена грубодисперсных порошков на нанопорошки алюминия и оксида железа меняет не только внешние параметры: увеличение скорости горения, появление факела и вынос продуктов горения, но и состав конечных продуктов сгорания. За счет более высоких температур в зоне горения образуется шпинелеподобный продукт FеА1204, представляющий собой основную кристаллическую фазу.

4. Ильин А.П., Громов А.А. Горение алюминия и бора в сверхтонком состоянии. - Томск: Изд-во Том. ун-та. 2002. - 154 с.

5. Ильин А.П., Яблуновский Г.В., Громов А.А. Об активности порошков алюминия // Физика горения и взрыва. - 2001. -Т. 37. - №4. - С. 58-62.

6. Максимов Э.И., Мержанов А.Г., Шкиро В.М. Безгазовые составы как простейшая модель горения нелетучих конденсированных систем // Физика горения и взрыва. - 1965. - Т. 1. -№ 4. - С. 24-30.

Поступила 14.03.2013 г.