Результат интеллектуальной деятельности: Пиротехнический состав

Изобретение относится к области пиротехники, в частности к составу, предназначенному для использования в различных устройствах, использующих энергию взрывчатого превращения для созидания теплового инициирующего импульса, обладающего разрывным действием, в частности в пиропатронах, пирозамках, предохранительно-исполнительных механизмах (ПИМ).

Известен патент РФ №2501776 от 2012 г. [1], в котором пиротехнический состав включает перхлорат калия в качестве кислородосодержащего окислителя, в качестве металлического горючего - алюминиевый порошок или порошок алюминиево-магниевого сплава, дицианамид и фторкаучук. Состав получен в форме виброуплотненных гранул размером 1-3 мм, обеспечивающих плотное укладывание гранул в объеме изделия при снаряжении, без слипания гранул при насыпании, и формирование пористой структуры газопроницаемого слоя. Заряд из такого состава, дополнительно к воспламенительному действию при формировании высокотемпературного факела, также способен выполнять разрывное действие за счет динамичного генерирования большого количества газообразных продуктов горения в замкнутом объеме боеприпаса.

Недостатком данного состава является многостадийный традиционный, принятый в пиротехнической отрасли, способ приготовления состава (механическое смешение компонентов), направленный на снижении неоднородности распределения компонентов в смеси. Это подтверждают авторы патента, при обосновании, например, содержания фторкаучука, когда при содержании в пиротехническом составе фторкаучука меньше 3 мас.% возникает неравномерность распределения компонентов смеси при приготовлении смеси в стандартном технологическом оборудовании. При выборе дисперсности порошка алюминиево-магниево сплава (не выше 40 мкм) авторы обосновывают возможностью обеспечить диспергирование горючего во всем объеме состава при технологическом смешивании его компонентов.

Известен патент РФ №2421438 от 2009 г. [2], содержащий в рецептуре следующие компоненты (в % по массе):

Состав получается в одну стадию в водной среде, в которую введена в качестве затравки металлокерамическая порошковая композиция, в результате реакции сокристаллизации.

Введение в состав композиции позволяет стабилизировать гранулометрический состав продукта соосажденного, повысить точность срабатывания и увеличить воспламеняющую способность электровоспламенителей.

Недостатком данного воспламенительного состава, является то, что металлокерамическая порошковая композиция - это неоднородный компонент, а сплав карбида вольфрама и легирующего металла. Поэтому непостоянство содержания сплава, его структуры, вносят объективную неопределенность в готовый состав.

По числу совпадающих существенных признаков в качестве прототипа выбран состав по патенту РФ №2179544 от 07.02.2000 г. [3], согласно которому однородность воспламенительного состава обеспечивается на молекулярном уровне в результате реакции сокристаллизации.

Технический результат достигается тем, что предлагаемый электровоспламенительный состав содержит роданид свинца, перхлорат калия и хромат свинца, при этом компоненты взяты в следующем процентном содержании (мас.%):

Состав 1: роданид свинца - (44-50);

перхлорат калия - (49-50);

хромат свинца - (1-6).

Предложенный термостойкий воспламенительный состав получают путем химического соосаждения в водных растворах компонентов в одну стадию.

Недостатком данного состава, выбранного в качестве прототипа является то, что он обладает небольшим разрывным действием.

Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание пиротехнического состава с мощным тепловым инициирующим импульсом, приводящим к повышенному разрывному действию состава.

Технический результат достигается тем, что пиротехнический состав, содержащий перхлорат калия, свинец роданистый, свинец хромовокислый, согласно изобретению дополнительно содержит карбид вольфрама со средним размером зерна 17,50 мкм при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Поставленная задача решалась путем применения при синтезе состава в качестве затравки карбида вольфрама марок В и С, характеристика которых приводится в таблице 1 [4] (см. в конце описания).

Сравнение физико-химических показателей карбида вольфрама и традиционных металлов, используемых в рецептурах пиротехнических составов, приводится в таблице 2.

Как видно из таблицы 2 (см. в конце описания), теплоемкость карбида вольфрама намного меньше теплоемкости металлов (в 5 раз, по сравнению с Al, и в 6 раз, по сравнению с Mg).

Карбиды переходных d-металлов IV - VI групп известны как самые тугоплавкие и самые твердые из всех известных соединений. Благодаря этому в современной технике карбиды используют в производстве конструкционных и инструментальных материалов, способных работать при высокой температуре, в агрессивных средах, при больших нагрузках. С их применением создают защитные и упрочняющие покрытия и т.д. Среди них карбид вольфрама WC не является самым твердым и тугоплавким: его температура плавления равна ~ 3060 К (меньше, чем температуры плавления карбидов титана, циркония, гафния, ниобия и тантала), а твердость при 300 К составляет (18-22) ГПа и меньше твердости нестехиометрических карбидов TiC_y, ZrC_y, HfC_y, VC_y, NbC_y, TaC_y. Однако, твердость карбида вольфрам WC достаточно стабильна и сравнительно мало по сравнению с другими карбидами уменьшается при повышении температуры от 300 до (1200-1300) К. Кроме того, по сравнению с карбидами других переходных металлов карбид вольфрама WC имеет в полтора-два раза более высокий модуль упругости Юнга (~ 700 ГПа) и в полтора-два раза меньший коэффициент термического расширения (5,5⋅10^-6 К^-1) [5].

Представляет интерес процесс окисления порошков карбида вольфрама WC на воздухе, поскольку он выбран как компонент пиротехнического состава и является горючим.

Влияние дисперсности порошков гексагонального карбида вольфрама WC на их окисление на воздухе изучали методом дифференциального термического и дифференциального термогравиметрического анализа (ДТА-ДТГ) на термоанализаторе Shimadzu DTG-60. Измерения вели в области температур (323-1173) К со скоростью нагрева 10 К⋅мин^-1 [2]. Было показано, что продуктом окисления порошков WC является высший оксид WO₃, устойчивый в области температур (290-700) К. Окисление идет по реакции:

На рисунке 1 приведен дифференциальный термический и термогравиметрический анализ окисления порошков карбида вольфрама WC.

Измерения показали, что окисление карбида вольфрама с любым размером частиц сопровождается сильным экзотермическим эффектом и привесом Δm образцов, как это показано на рисунке 1.

На рисунке 2 представлены образцы карбида вольфрама WC (а) марка С, б) марка В), которые применялись при синтезе модифицированных составов.

Готовый продукт представляет собой мелкокристаллический однородный порошок без видимых на глаз посторонних включений

Исследование влияния дисперсности карбида вольфрама и его количества в составе на разрывное действие проводилось с помощью метода планирования эксперимента. В качестве функций отклика определялась насыпная плотность составов и вероятность пробития (разрушения) стального колпачка при воздействии ударом с энергией Е₁₀₀=2,17 Дж на запрессованный состав массой (0,02±0,002) г. Давление прессования Р_уд=2000 кг/см³. Количество параллельных испытаний 25 штук.

Типичные виды разрушения колпачков представлены на рисунке 3.

Количественная оценка разрывного действия составов, модифицированных карбидом вольфрама (а – 10 % WC С; б – 20 % WC С; в – 10 % WC В; г – 20 % WC В), характеризовалась вероятностью появления события и результаты исследований приводятся в таблице 3.

Как видно из таблицы 3 (см. в конце описания) с введением карбида вольфрама вероятность пробития возрастает в несколько раз и наибольшим разрывным действием обладает состав, модифицированный крупнозернистым карбидом вольфрама.

В таблице 4 (см. в конце описания) представлены данные по влиянию карбида вольфрама на разрывное действие составов при различных давлениях прессования.

Как показывают данные таблицы 4 карбид вольфрама со средним размером зерна 17,50 мкм (марка «В») при всех исследованных давлениях прессования повышает разрывное действие составов по сравнению с прототипом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Патент RU 2501776 от 19.07.2012 «Пиротехнический воспламенительный состав», С06В 29/02, С06В 33/06.

2. Патент RU 2421438 от 20.06.2011 «Воспламенительный состав», С06В 33/12, С06С 7/00.

3. Патент RU 2179544 от 07.02.200 «Термостойкие воспламенительные составы для электровоспламенителей и способ их изготовления», С06В 29/02, С06С 7/00.

4. СТО 00196144-0712-2010 Карбид вольфрама порошкообразный. - КЗТС - 2016.

5. Курлов А.С., Гусев А.И. Физика и химия карбидов вольфрама. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. - 272 с.