Результат интеллектуальной деятельности: ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ СОСТАВ

Изобретение относится к области пиротехники, в частности к калорийным быстрогорящим составам, и может быть использовано в пиротехнических нагревателях, например в тепловых батареях, а также как воспламенительный состав для надежной передачи горения в пиротехнической цепочке и формирования фронта горения рабочего заряда, например, из газогенерирующих составов.

Известен пиротехнический состав (Патент РФ №2091359, МПК С06В 29/04, опубл. 27.09.1997), имеющий достаточно высокие значения удельного тепловыделения 350-480 кал/г, скорости горения 140-290 мм/с и критические толщины горения 0,3-1,0 мм. Он состоит (мас.%) из титана 82-92, перхлората калия 6-8, алюминия 2-10. Данный состав имеет температуру горения ~1700°C и обладает малоподвижными шлаками, надежно работает в огневой цепочке при задействовании газогенераторов и запирающих пиротехнических клапанов, в тепловых химических источниках тока. Для получения пиротехнического состава с такими характеристиками используется мелкодисперсный порошок титана, который получают по трудоемкой технологии, что сказывается на его конечной стоимости.

В патенте РФ №2286325, МПК С06В 33/06, С60В 29/04, опубл. 27.10.2006, представлен пиротехнический состав, содержащий (мас.%): порошок титана 73,3-81,0, бора 1,0-4,3, гексафторалюмината натрия 9,0-15,6, перхлората калия 7,1-10,0%. Данный пиротехнический состав имеет температуру горения (1450-1720°C), удельную калорийность (413-490 кал/г), удельное газовыделение (1-3 см³/г). Состав может быть использован в различных устройствах, где требуется выдача строго дозированного количества тепла в заданный интервал времени при низком значении удельного газовыделения, например в тепловых химических источниках тока. Однако относительно невысокий уровень скорости горения (не более 50 мм/с) не позволяет быстро взводить батарею и неизбежно приводит к увеличению времени выхода тепловой батареи на рабочий режим.

Известен также пиротехнический состав, обеспечивающий передачу горения в огневой цепи для формирования кратковременной задержки при срабатывании детонаторов (FR 2603576 (А1), МПК С06В, 29/02, опубл. 11.03.1988). Пиротехнический состав содержит окислитель - хлорат или перхлорат калия и, по крайней мере, один из двух восстановителей - порошок молибдена или вольфрама. Количество окислителя - хлората или перхлората калия в составе не превышает 5 мас.% Этот пиротехнический состав дополнительно может содержать такие компоненты, как марганец, никель и кремний, температуры плавления которых выше температур горения составов, в которых они использованы.

При использовании в заявляемом пиротехническом составе марганца, никеля и кремния рецептура состава (мас.%) выглядит следующим образом:

- молибден/вольфрам 65-98;

- перхлорат калия 2-5;

- марганец/никель/кремний 0-30.

Пиротехнический состав, содержащий (мас.%): молибден - 97, перхлорат калия - 3 (патент FR 2603576 (А1), пример №8), позволяет обеспечить временную задержку 14,7 мс/мм при скорости горения состава 68 мм/с. Он может быть использован для обеспечения временной задержки в детонаторах при проведении горных (шахтных) взрывных работ. Температура горения такого пиротехнического состава невелика и составляет 900°C.

Недостатками данного состава является низкое удельное тепловыделение состава (не превышает ~52 кал/г) и относительно небольшое значение скорости горения (не более 70 мм/с), что ограничивает возможность его использования в пиротехнической цепочке в качестве воспламенительного состава в быстросрабатывающих газогенераторах и практически полностью исключает возможность его применения в тепловых химических источниках тока. Низкое удельное тепловыделение состава (калорийность) также ограничивает возможность его использования в огневой цепочке в случае передачи горения через тонкую не разрушаемую металлическую преграду к другому пиротехническому составу, имеющему низкую температуру воспламенения (Т_восп ~200°C).

Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому решению является пиротехнический состав для нагревателя теплового химического источника тока. (Патент РФ №2091917, МПК Н01М 6/36, опубл. 27.09.97). Он состоит (мас.%) из железа 67-85, перхлората калия 10-18, молибдена 5-15 и имеет значения скоростей горения 60-290 мм/с и критические толщины горения 0,2-1,2 мм. По нашим данным удельное тепловыделение состава составляет 57-405 кал./г. Пиротехнический состав изготавливается путем механического смешения компонентов в смесителе и предназначен для использования в тепловых батареях резервного типа в качестве нагревательного элемента.

Основным недостатком состава является высокая подвижность шлаков при больших скоростях горения (более 150 мм/с), что ограничивает возможность его использования в качестве воспламенительного состава в газогенераторах и запирающих пиротехнических клапанах.

Данный пиротехнический состав выбран нами в качестве прототипа.

Задачей настоящего изобретения является разработка пиротехнического состава, образующего при горении твердые шлаки, не изменяющие геометрических размеров исходного прессованного состава при больших скоростях горения (более 150 мм/с), а также при сохранении критической толщины горения и удельного тепловыделения.

Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого технического решения, заключается в изготовлении пиротехнического состава со следующими характеристиками горения:

- скорость горения изменяется в зависимости от выбранной рецептуры от 156 до 262 мм/с, температура горения 1802°C (см. п.4 таблицы);

- удельное газовыделение - от 0,6 до 1,5 см³/г,

- удельное тепловыделение (калорийность) - от 195 до 388 кал/г;

- тонкие (0,4-1,0) мм слои состава надежно сгорают при температуре минус 50°C;

- шлаки состава в тонких поджигающих слоях (~1 мм) твердые и практически не изменяют геометрических размеров исходного прессованного состава;

- состав обладает хорошей форму емостью и прессуемостью;

- возможность массового применения состава обусловлена доступностью и относительно низкой себестоимостью компонентов на территории Российской Федерации.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата пиротехнический состав, содержащий смесь порошков молибдена и перхлората калия, согласно изобретению дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов (мас.%):

Использование указанных компонентов и экспериментальный подбор их соотношений позволило авторам создать пиротехнический состав, который можно использовать, в частности, в качестве быстрогорящего (более 150 мм/с) воспламенительного состава в поджигающем элементе газогенератора, имеющего достаточно высокую надежность горения в тонких слоях (0,4-1,0) мм, а также надежно обеспечивающий передачу горения в огневой цепочке через тонкую неразрушаемую металлическую преграду. Кроме того, разработанный пиротехнический состав может быть использован в тепловых химических источниках тока в качестве элемента, обеспечивающего нагрев блока электрохимических элементов до необходимой рабочей температуры.

Введение необходимого количества бора в пиротехнический состав, замена железа (температура плавления ~1540°C) на тугоплавкий молибден (температура плавления ~2620°C) и подбор соотношения компонентов позволяет:

- практически полностью исключить подвижность (усадку) шлака при горении со скоростью более 150 мм/с;

- практически исключить возможность присутствия в продуктах горения свободного металла (содержание молибдена не превышает 4 мас.%), что в итоге должно благоприятно отразиться на работе тепловой батареи даже в случае возможного выноса продуктов горения за пределы обечайки корпуса пиротехнических нагревателей;

- обеспечить достаточное удельное тепловыделение при сокращении содержания окислителя - перхлората калия по сравнению с прототипом в составе пиротехники, что обусловлено более высокой калорийностью взаимодействия бора с перхлоратом калия, нежели железа с перхлоратом калия, и дополнительным теплом, получаемым при взаимодействии молибдена с бором с образованием фазы Мо₂В.

Требуемый уровень температуры горения и удельного тепловыделения, скорости горения, надежности горения и передачи горения в огневой цепочке обеспечивается выбором рецептуры состава. Удельное газовыделение при горении заявляемого состава изменяется незначительно и остается крайне малой величиной (0,6-1,5 см³/г), удельное тепловыделение составляет 195-388 кал/г. Шлаки заявляемого состава малоподвижны и практически не изменяют своих исходных геометрических размеров в тонких слоях поджигающего элемента. Способность пиротехнического состава надежно и с высокой скоростью сгорать в тонких слоях (0,4-1,0) мм позволяет уменьшить массо-габаритные характеристики тепловой батареи, что является важным обстоятельством при создании компактных тепловых батарей.

Для экспериментальной проверки заявляемого состава было приготовлено несколько пиротехнических составов на основе системы Мо-KClO₄-В с различным соотношением исходных компонентов, характеристики и параметры которых представлены в таблице. Состав готовится путем перемешивания исходных компонентов в шаровой мельнице. Для приготовления пиротехнических составов были использованы порошки молибдена (ТУ14-22-160) марки ПМ99,95, перхлората калия (ТУ6-09-3801) марки "ч", бор аморфный (ТУ 1-92-154-90) марка Б-99А. При изготовлении составов использовали порошки исходных компонентов в стадии их поставки заводом - изготовителем.

Заявляемый пиротехнический состав (пп. 1-5 таблицы) после сгорания дает плотные шлаки, при этом сохраняется исходная форма состава. Выноса шлака из тонких (~1 мм) слоев поджигающего элемента и его усадки не наблюдается.

Согласно экспериментальным данным, представленным в таблице, оптимальный технический результат наблюдается у составов по пп. 2-6 таблицы.