Курсовая работа: Влияние дисперсности алюминия и каталитических добавок на характеристики горения систем на основе активного горючего-связующего

Современные горючие-связующие классифицируют по химическому и фазовому составу (структуре). По химическому составу с учетом энергетических характеристик выделяют «инертные» и «активные» горючие-связующие (ГС). К «инертным» относятся композиции, состоящие, в основном, из горючих элементов и имеющие, как правило, отрицательную энтальпию образования. Окислительные элементы (кислород, хлор, фтор) в них или отсутствуют, как например, в бутилкаучуке, или содержание их незначительно, как в уретановом каучуке. К «активным» относят горючие-связующие, обогащенные окислительными элементами.

В данной работе использовались ГС активного типа, поэтому именно их и будем рассматривать.

Активное горючее-связующее – композиция, состоящая из полимеров, пластификаторов и компонентов системы отверждения (структурирования), способная к самостоятельному горению в инертной среде. Способность к самостоятельному горению обусловлена содержанием достаточно большого количества окислительных элементов (кислорода, хлора, фтора и др.) в компонентах активного горючего-связующего. Основными поставщиками окислительных элементов в составе АГСВ являются пластификаторы, в качестве которых используются, например, тринитрат глицерина, динитратэтиленгликоль и др.

Наряду с этим АГСВ отличаются от инертных связующих повышенной энтальпией образования компонентов и плотностью. Это позволяет создавать на их основе более высокоэнергетические и высокоплотные твердые топлива с большим массовым (18%) и объемным (25%) содержанием горючего-связующего.

По фазовому составу (структуре) горючие-связующие подразделяют на два класса – раствор полимера в пластификаторе и суспензия полимера в пластификаторе. Такое деление условно, резкой границы между реальными представителями этих классов нет.

Наряду с преимуществами активных горючих-связующих по сравнению с инертными в отдельных случаях обуславливают и некоторые недостатки смесевых твердых топлив, например, пониженную физико-химическую стабильность, повышенную взрывоопасность, более узкий температурный диапазон эксплуатации зарядов. [8,стр.185-187]

1.2. Свойства металлического горючего

Порошкообразный металлический алюминий в силу высокой теплоты горения (∆H= -837,5 кДж/моль) широко используется в высокоэнергетических системах: в термитных составах, смесевых топливах и взрывчатых веществах, а также в составах для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза тугоплавких соединений. Реакционная способность порошков алюминия во многом зависит от размера частиц и существенно увеличивается при переходе к частицам размером менее 1 мкм.[9]

В данной работе использовался алюминий двух марок: АСД-6 (промышленный алюминий) и Alex (ультрадисперсный порошок). Поэтому о них более подробно.

Алюминий марки АС D -6

Характеристики АСД-6 приведем в Таблице 1. Характеристики взяты из аналитического паспорта ТУ 48-5-226-87.

Таблица 1. Характеристики АСД-6

П/П	Характеристики	Значение
1.	Удельная поверхность, м2 /г	0.50 – 0.65
2.	Гранулированный состав мкм в % 0 – 5 5 – 10 10 – 20 20	61 32 6 2
3.	Содержание свободного металла, масс.%	98.5 – 99.0
4.	Содержание примесей Fe Si	Не обнаружено
5.	Содержание влаги, %	0.03 – 0.08
6.	Точка плавления, ºС	Справочнн.
7.	Взаимодействие с водой при 20 – 100 ºС	нет

Алюминий марки « Alex »

Характеристики приведем в Таблице 2 на основании сертификата партии «Alex», соответствующего ТУ 1791-002-36280340-2005.

Таблица 2. Характеристики Alex

П/П	Характеристики	Значение
1.	Удельная поверхность, м2 /г	24.5
2.	Гранулированный состав мкм в % 1.0 0.05 0.01 0.15 0.20	1.0 20.0 70.0 5.0 1.0
3.	Содержание свободного металла, масс.%	90 – 92
4.	Содержание примесей Al2 O3	7 – 9
5.	Температура воспламенения, ºС	300
6.	Точка плавления, ºС	640
7.	Взаимодействие с водой при 50 ºС	с выделением водорода
8.	Насыпная плотность, г/см3	0.07

Материал состоит на 90 - 92% из активного алюминия. Содержание оксида алюминия находиться в пределах 7 - 9%, содержание адсорбированных газов до 1%.

Внешний вид и цвет: порошок серого цвета. Точка плавления 640°С. Общий вид порошка изображен на рис. 1. Гистограмма распределения частиц по размерам изображена на рис. 2. Вероятностный (средний арифметический) размер а_n = 77 нм; размер, размер средний по поверхности a_s = 89 нм; средний массовый размер а_m = 103 нм. Электронная микроскопия высокого разрешения свидетельствует о наличии многочисленных кристаллических дефектов.

Порошок реагирует с водой при температуре 50°С с выделением водорода. При взаимодействии с открытым пламенем в воздухе воспламеняется. ALEX™(50) энергично взаимодействует в экзотермических реакциях с кислородсодержащими жидкостями, с галогенсодержащими органиками и другими окислителями. При нагревании в атмосфере сухого воздуха до 80 °С не воспламеняется. Воспламеняется при температуре около 300°С.

ALEX™(50) может найти применение в пиротехнике, материаловедении.

Рис. 1. Характерная фотография нанопорошков алюминия

Рис. 2. Гистограмма распределения частиц порошка алюминия по размерам Ось ординат - число частиц, ось абсцисс - размер частиц в нм.

1.3. Свойства каталитических добавок Si , SnC , сажи

Катализаторы горения – добавки, вводимые в состав смесевых твердых топлив с целью увеличения скорости горения. Катализаторы лишь снижают энергетику топлива, и их действие на величину скорости связано с увеличением скорости химической реакций в зоне горения.

В смесевых твердых топливах катализаторы, как правило, увеличивают скорость горения, слабо меняя ее зависимость от давления. Эффективность действия добавок зависит от состава топлив (соотношение компонентов, дисперсности окислителя, природы связующего), температуры заряда и давления, при котором происходит горение.

В данной работе использовались порошкообразные катализаторы. Их эффективность возрастает с увеличением их концентрации в составе топлива до 1-2%, когда скорость горения увеличивается на 30-70%. Дальнейшее повышение содержания добавки слабо отражается на ее влиянии. Это, вероятно, связано с накоплением частиц катализатора на поверхности горения, которое слабо зависит от исходной концентрации добавки в составе при достижении некоторого ее значения [10, стр. 173].

1.4. Свойства окислителей

В качестве окислителей твердых смесевых ракетных топлив применяются твердые вещества, в основном это соли азотной (нитраты) и хлорной (перхлораты) кислот, например, часто используемые перхлорат аммония и нитрат аммония (аммиачная селитра)[6].

Нитрат аммония – один из основных компонент, используемый как окислитель, при изготовлении твердых смесевых топлив. Интерес к использованию нитрата аммония (НА) в перспективных высокоэнергетических топливах обусловлен тем, что он является полностью газифицируемым, производит чистые и бездымные продукты сгорания, является дешевым, доступным и безопасным энергетическим материалом.

Нитрат аммония хорошо растворяется в воде (при 20ºС 179г НА в 100г воды), обладает высокой гигроскопичностью, является слабым взрывчатым веществом с теплотой взрыва 1400 кДж/кг. В чистом виде НА– полиморфное кристаллическое вещество с ºС и плотностью кристаллов ρ=1,725г/

Глава 2. Методики теоретического и экспериментального исследования системы Al - АГСВ - каталитические добавки

В данной главе описаны основные методики, которые использовались в данной работе. А именно:

– методика термодинамического расчета по программе Астра-4;

– методика зажигания нагретой поверхностью;

– методика изготовления образцов;

– изучение горения на открытом воздухе при 1атм;

– математическая обработка экспериментальных данных.

2.1. Методика термодинамического расчета по программе Астра-4

Энергетические характеристики ракетных топлив, а также термодинамические и теплофизические свойства их продуктов сгорания определяются в результате термодинамического расчета. Исходными данными для термодинамического расчета являются элементарный химический состав топлива и энтальпия исходного топлива; дополнительно задаются значения давления в камере сгорания pk. Термодинамические расчеты в настоящее время проводятся на ЭВМ.[1,стр.28]