СОСТАВ ДЛЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКОГО ЛЕНТОЧНОГО ВОСПЛАМЕНИТЕЛЯ (ПЛВ) И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
COMPOSITION FOR PYROTECHNIC STRING-TYPE IGNITER (PSI), AND ITS MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к электротехнической промышленности и может быть использовано в производстве тепловых химических источниках тока.
В тепловых химических источниках тока ПЛВ в виде лент различной ширины устанавливаются по образующей боковой поверхности блока из электрохимических элементов (ЭХЭ) и пиротехнических тепловых таблеток (ПТТ), а также на торцевой поверхности со стороны воспламеняющего устройства. Эти полосы должны обеспечить воспламенение ПТТ по высоте блока с минимальной разницей по времени, быть достаточно прочными на растяжение и изгиб в исходном состоянии, достаточно эластичными, иметь низкое электросопротивление продуктов сгорания, исключать перегрев периметра в месте его контакта с ЭХЭ, что может привести к вытеку активных масс электродов и межэлементным замыканиям.
Известен состав для ленточного пиронагревателя, используемого в качестве воспламенителя ПТТ (см. например, патент JP 4-30152, кл. H01M 6/36, 1992 г.), включающий цирконий, барий хромовокислый и асбестовое волокно. Смесь указанных компонентов перемешивают в воде и суспензию помещают в емкость с фильтром-подложкой, на которой при принудительном удалении воды из емкости на фильтр-подложку осаждаются твердые частицы пиросостава.
Недостатком ПЛВ, получаемых из этого состава, является низкая скорость горения (50-100) мм/с, высокая жесткость и низкая прочность на изгиб. Воспламенители имеют высокое удельное тепловыделение с единицы площади. Эти недостатки не обеспечивают требования к ПЛВ, как воспламеняющего элемента для поджога ПТТ.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам является состав для ленточного пиронагревателя, заявленный в патенте RU 2326470, кл. H01M 6/36, 2007 г., содержащий 27% циркония, 62% бария хромовокислого, 8% перхлората калия, 3% асбеста, 1% латекса и 0,1% лигносульфоната.
Смесь указанных компонентов перемешивают в насыщенном водном растворе перхлората калия и порционно помещают в емкость с фильтром-подложкой. При удалении жидкой фазы на фильтре осаждаются твердые частицы суспензии, образуя отливку, из которой после высушивания изготавливают ленточные пиронагреватели.
Полученная при указанных соотношениях компонентов скорость горения (до 1000 мм/с) недостаточна для обеспечения современных требований к тепловым источникам тока по выходу на рабочий режим. Нагреватели имеют высокие значения тепловыделения с единицы площади. Из-за этого возможны локальные перегревы периметра ЭХЭ. К тому же применяемый фильтр-подложка не обеспечивает в отливке точное соотношение заложенных в состав компонентов как за счет частичного проскока отдельных мелких частиц состава, так и за счет поглощения компонентов состава фильтром при удалении жидкой фазы, что приводит к нестабильному соотношению компонентов пиротехнической смеси в отливке и, как следствие, нестабильной скорости горения.
Целью настоящего изобретения является увеличение скорости горения и уменьшение тепловыделения с единицы площади пиротехнического ленточного воспламенителя.
С этой целью предлагается состав для ПЛВ (в мас.%): цирконий 27,2-27,4; перхлорат калия 21,26-21,46; асбест 2,43-2,50; латекс 1,52-1,62; лигносульфонат 0,09-0,11; барий хромовокислый - остальное.
В предложенном пиротехническом составе уменьшение доли окислителя бария хромовокислого и увеличение за счет этого доли перхлората калия как более активного окислителя дало возможность существенно увеличить скорость горения состава свыше 2500 мм/с (обычно 2500-7000 мм/с). Необходимая прочность и эластичность ПЛВ обеспечивается увеличением содержания в составе латекса. Достигнутые значения скорости горения ПЛВ являются оптимальными, так как нижний предел обеспечивает достаточно малую разность во времени между поджогами ПТТ у крайних ЭХЭ блока.
Предложенный состав позволяет в сравнении с прототипом уменьшить массу пиротехнического состава на единицу площади отливки более чем в 2 раза, за счет чего достигается снижение тепловыделения с единицы площади без потерь прочности ПЛВ. Это достигается за счет уменьшения масс компонентов при сохранении их соотношения в соответствии с предложенным составом. Низкое тепловыделение с единицы площади исключает опасность перегрева ЭХЭ и, тем самым, повышает надежность работы источника тока.
Обеспечение высокой скорости горения и низкого удельного тепловыделения предложенного состава предъявляет повышенные требования к способу их изготовления. Способ изготовления ПЛВ должен обеспечить точное содержание заложенных в исходный состав компонентов в полученной отливке, которая должна быть гомогенной по толщине.
Известные способы изготовления не позволяют в полной мере обеспечить эти требования. Высокие перепады давления (до 0,1 МПа), создаваемые на фильтре-подложке для удаления из суспензии жидкой фазы, приводят к проскокам через фильтр отдельных частиц компонентов (в основном, перхлорат калия). При снижении перепада давления увеличивается время отсоса жидкой фазы, что приводит к расслоению состава в процессе отсоса.
Применяемые фильтры-подложки не в состоянии остановить эти процессы из-за малой дисперсности компонентов состава и значительной разницы их удельных весов.
В качестве фильтрующего элемента чаще всего используется фильтровальная бумага, которая помещается на пористое основание-подложку. При создании перепада давления для удаления жидкой фазы из суспензии фильтровальная бумага деформируется за счет пор подложки, теряя в некоторой степени свои фильтрующие свойства. К тому же из-за большой толщины бумаги и ее структуры в ней застревает часть взвешенных частиц диспергированной фазы. Все это нарушает исходное соотношение компонентов в полученной отливке ПЛВ, что недопустимо для предлагаемого состава, свойства которого весьма чувствительны к соотношению заложенных в него компонентов.
3
С целью обеспечения точного соотношения заложенных компонентов в готовой отливке и уменьшения ее массы на единицу площади на фильтр-подложку дополнительно помещается предварительно смоченная в насыщенном водном растворе перхлората калия прокладка, выполненная из асбестированной или сепараторной асбестовой бумаги толщиной (0,09-0,11) мм, плотностью г/см не менее 0,5 и размером пор мкм не более 5, а удаление жидкой фазы из суспензии осуществляется при перепаде давления на фильтре в диапазоне (0,02-0,25) МПа.
Предлагаемые прокладки для фильтров существенно уменьшают проскоки частиц твердых компонентов за счет своих свойств (плотности и величины пор). Одновременно до 30% по сравнению с фильтровальной бумагой уменьшается поглощение пиротехнической массы фильтром. Этому способствует также предварительное смачивание прокладок в насыщенном водном растворе перхлората калия.
Снижение массы отливки и ее плотности позволили уменьшить суммарное гидравлическое сопротивление фильтрующего элемента и отливки и существенно снизить перепад давления (0,02-0,25) МПа при отсосе жидкой фазы, при этом время отсоса увеличивается незначительно, и расслоение компонентов в отливке не происходит.
При перепаде давления <0,02 МПа время отсоса увеличивается и возможно расслоение компонентов отливки; при перепаде давления >0,025 МПа эффект от совместного применения асбестированной и фильтровальной бумаги уменьшается, поскольку возможны проскоки через фильтр компонентов состава.
Предложенный более низкий перепад давления на фильтре-подложке в отличие от известного технического решения требует значительно меньше затрат на его осуществление.
После фильтрации асбестовая прокладка вместе с отливкой ПЛВ легко отделяется от прокладки из фильтровальной бумаги. Также легко от асбестированной бумаги отделяется готовая отливка ПЛВ, что позволяет получить отливки с незначительной разнотолщинностью и отсутствием раковин.
В таблице представлены результаты испытаний образцов ПЛВ, изготовленных согласно предлагаемому изобретению и образцов прототипа.
Таблица
Характеристика
Изобретение
Прототип
Число перегибов на 180°
>10
15-20
Скорость горения, мм/с
2500-7000
1000
Толщина, мм
<0,3
>0,3
Количество тепла с единицы площади, Дж/см<sup>2</sup>
118
310
Плотность, г/см<sup>3</sup>
1,53
3,33
Как видно из таблицы, по решающим параметрам предложенный состав для ПЛВ превосходит состав по прототипу. По числу перегибов предложенный ПЛВ уступает, что вполне объясняется меньшей толщиной и плотностью отливки. Однако для современной технологии производства тепловых источников тока достаточно, когда число перегибов будет ≥5.
Достигнутые положительные эффекты по скорости горения и снижению удельного тепловыделения с единицы площади за счет уменьшения массы состава позволяют использовать ПЛВ любой ширины вплоть до полного оборота периметра блока ЭХЭ, за счет чего возможно уменьшение времени сгорания ПТТ и, как следствие, снижение времени выхода источника тока на рабочий режим.
Дальнейшее увеличение скорости горения ПЛВ не даст заметного уменьшения времени выхода источника тока на рабочий режим, поскольку оно зависит также от времени сгорания ПТТ и времени прогрева ЭХЭ.