RU2135438C1

RU2135438C1 - Pyrotechnic composition

Info

Publication number: RU2135438C1
Application number: RU97113385A
Authority: RU
Inventors: А.Ю. Постников; А.М. Воронцов; Е.В. Леваков
Original assignee: Министерство Российской Федерации по атомной энергии
Priority date: 1997-08-05
Filing date: 1997-08-05
Publication date: 1999-08-27

Abstract

FIELD: chemical industry, more particularly pyrotechnic heater. SUBSTANCE: composition comprises, wt %: Ti, 26-31%; B is 12-14%; Y′ is 55-62%. Composition is prepared by stirring original components in ball mill. Technical characteristics of pyrotechnic composition: specific gas liberation is 0.3-4 cubic cm/g of mixture, heat liberation is 460-580 cal/g of mixture, burning rate is 50-95 mm/s. EFFECT: improved properties of the composition. 1 tbl

Description

Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано в качестве пиротехнического нагревателя (ПТН) в различных изделиях, где от используемого пиротехнического состава (ПТС) требуется выдача строго определенного количества тепла в заданный интервал времени при малом газовыделении. The invention relates to the field of pyrotechnics and can be used as a pyrotechnic heater (PTN) in various products, where the pyrotechnic composition (PTS) used is required to produce a strictly defined amount of heat in a given time interval with low gas emission.

Известен ПТС[1] , содержащий смесь железа (88 мас.%) и перхлората калия (12 мас. %). Данный состав имеет низкое значение газовыделения ~1,3 см³/г. Однако его недостатком является небольшое тепловыделение ~220 кал/г, что ограничивает его применение.Known PTS [1] containing a mixture of iron (88 wt.%) And potassium perchlorate (12 wt.%). This composition has a low gas emission value of ~ 1.3 cm ³ / g. However, its disadvantage is a small heat release of ~ 220 cal / g, which limits its use.

Известны ПТС[2] на основе циркония (15 - 50 мас.%) и хромата бария (50 - 85 мас. %). Эти ПТС обладают высокими значениями тепловыделения, но для них характерно большое количество газообразных продуктов сгорания (до нескольких десятков см³/г). Высокое давление газа приводит к необходимости делать корпус конструкции прочным, что сказывается на увеличении ее массы и габаритов. Такие ПТС после сгорания изменяют форму, и геометрические размеры из-за плавления части компонентов состава в процессе горения, что приводит к ослаблению теплового контакта между ПТН и нагреваемой частью конструкции. Кроме того, температура горения таких составов велика 2500 - 3000^oC, поэтому возникает проблема защиты конструктивных частей от теплового удара.PTS [2] based on zirconium (15–50 wt.%) And barium chromate (50–85 wt.%) Are known. These PTS have high values of heat, but they are characterized by a large number of gaseous products of combustion (up to several tens of cm ³ / g). High gas pressure leads to the need to make the body of the structure durable, which affects the increase in its mass and dimensions. Such PTS after combustion change shape and geometric dimensions due to the melting of part of the components of the composition during combustion, which leads to weakening of the thermal contact between the PTH and the heated part of the structure. In addition, the combustion temperature of such compositions is high 2500 - 3000 ^o C, so there is a problem of protecting the structural parts from heat shock.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности является ПТС[3], содержащий порошки титана и бора, взятых в стехиометрическом соотношении или со смещенной стехиометрией в сторону избытка титана. Реакционная смесь содержит также порошок иттрия, взятый в количестве от 5 до 35 мас.% сверх состава, что соответствует массовой доле иттрия в смеси ~4,8 - 25,9 мас.%. Данный ПТС предназначен для инициирования взрывной реакции путем экзотермического взаимодействия компонентов состава с последующим контактированием реакционной массы с водой. Известный ПТС на основе стехиометрического состава Ti+2B с добавкой указанного количества иттрия характеризуется, наряду с высоким значением тепловыделения, высоким значением газовыделения. Так состав, соответствующий по рецептуре составу-прототипу (таблица 1, N 5), по нашим данным при тепловыделении 560 кал/г имеет удельное газовыделение 7,2 - 1,5 см³/г (таблица 1, N 5), поэтому при его использовании в качестве нагревательного элемента, например в тепловой батарее (ТБ), возникают проблемы, связанные с увеличением давления в герметичном корпусе, увеличением теплопроводности теплоизоляции и возможным взаимодействием образующихся газов с активным или полезным веществом изделия. Кроме того, использование такого высококалорийного состава предполагает наличие в нагревательном устройстве дополнительных элементов, предотвращающих изделие от чрезмерного перегрева, что, несомненно, усложняет его конструкцию. В свою очередь смещение рецептуры в сторону избытка титана, наряду с уменьшением калорийности состава, приводит к понижению скорости горения и соответственно к увеличению инерционного периода приведения нагревательного устройства в активное состояние.Closest to the claimed technical solution according to the technical essence is PTS [3], containing titanium and boron powders taken in a stoichiometric ratio or with stoichiometry shifted towards excess titanium. The reaction mixture also contains yttrium powder, taken in an amount from 5 to 35 wt.% Over the composition, which corresponds to a mass fraction of yttrium in the mixture of ~ 4.8 - 25.9 wt.%. This PTS is designed to initiate an explosive reaction by exothermic interaction of the components of the composition with subsequent contacting of the reaction mass with water. The well-known PTS based on the stoichiometric composition of Ti + 2B with the addition of the indicated amount of yttrium is characterized, along with a high heat release value, a high gas release value. So the composition corresponding to the composition of the prototype according to the recipe (table 1, N 5), according to our data, with a heat release of 560 cal / g, it has a specific gas release of 7.2 - 1.5 cm ³ / g (table 1, N 5), therefore, when its use as a heating element, for example in a thermal battery (TB), there are problems associated with an increase in pressure in a sealed enclosure, an increase in thermal conductivity of thermal insulation and possible interaction of the gases formed with the active or useful substance of the product. In addition, the use of such a high-calorie composition implies the presence of additional elements in the heating device that prevent the product from excessive overheating, which undoubtedly complicates its design. In turn, the shift of the formulation towards excess titanium, along with a decrease in the calorific value of the composition, leads to a decrease in the burning rate and, accordingly, to an increase in the inertial period of bringing the heating device to an active state.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является уменьшение значения газовыделения ПТС при сохранении высоких значений тепловыделения. The problem solved by the present invention is to reduce the value of the gas release of the TCP while maintaining high values of heat.

Для решения поставленной задачи в известном ПТС, содержащем порошки титана, бора и иттрия, согласно изобретению компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:
Ti - 26 - 31
B - 12 - 14
Y - 55 - 62
Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, следующий: удельное газовыделение 4 - 0,3 см³/г (первое значение соответствует максимальному газовыделению, второе характеризуется газосодержанием после прошедшего поглощения); тепловыделение 460 - 580 кал/г; скорость горения 50 - 95 мм/с.To solve the problem in the known TCP containing powders of titanium, boron and yttrium, according to the invention, the components are taken in the following ratio, wt.%:
Ti - 26 - 31
B - 12 - 14
Y - 55 - 62
The technical result achieved by using the invention is as follows: specific gas evolution of 4 - 0.3 cm ³ / g (the first value corresponds to the maximum gas evolution, the second is characterized by gas content after past absorption); heat emission 460 - 580 cal / g; burning rate 50 - 95 mm / s.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый ПТС отличается от известного новым соотношением компонентов. Экспериментально установлено, что использование указанного соотношения компонентов позволяет не только сохранить высокое значение тепловыделения (температура горения не превышает 2000^oC), но и получить низкое значение газовыделения. Данный эффект обеспечивается в результате взаимодействия иттрия с газами, которое может идти как по пути образования химических соединений, так и путем сорбции или растворения. Кроме того, действие проактивированного в ходе химической реакции газопоглотителя распространяется практически на все газы, кроме инертных, которые могут образовываться как вследствие горения ПТС, так и разогрева конструктивных частей изделия.Comparative analysis with the prototype shows that the claimed TCP is different from the known new ratio of components. It was experimentally established that the use of the specified ratio of the components allows not only to maintain a high value of heat (combustion temperature does not exceed 2000 ^o C), but also to obtain a low value of gas evolution. This effect is ensured as a result of the interaction of yttrium with gases, which can go both along the path of the formation of chemical compounds and through sorption or dissolution. In addition, the action of a getter that is activated during a chemical reaction extends to almost all gases, except inert gases, which can be formed both due to combustion of the PTS and heating of the structural parts of the product.

Заявляемый ПТС готовится механическим перемешиванием исходных компонентов в шаровой мельнице. Для приготовления реакционных смесей использовались порошок титана марки ТПАТ, порошок иттрия с фракцией частиц менее 40 мкм и порошок бора с фракцией частиц менее 1 мкм. The inventive TCP is prepared by mechanical mixing of the starting components in a ball mill. To prepare the reaction mixtures, TPAT grade titanium powder, yttrium powder with a particle fraction of less than 40 μm and boron powder with a particle fraction of less than 1 μm were used.

Тепловыделение состава определялось на калориметре В-08М. Газовыделение определялось при помощи датчика давления МДД-ТЕ с непрерывной регистрацией на светолучевом осциллографе Н017. Относительная плотность запрессовки состава составляла 0,7. Скорость горения определялась по времени срабатывания фотодиодов, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга. The heat release of the composition was determined on a calorimeter V-08M. Gas evolution was determined using an MDD-TE pressure sensor with continuous recording on an H017 light-beam oscilloscope. The relative density of the pressing-in composition was 0.7. The burning rate was determined by the response time of the photodiodes located at a fixed distance from each other.

Результаты опытов сведены в таблицу. The results of the experiments are summarized in table.

Из таблицы видно, что получен ряд составов на основе системы Ti-B-Y с различным соотношением компонентов, характеризующихся низким значением газовыделения: 4 - 0,3 см³/г (N 1 - 3, таблица 1). Состав по п. N 5 относится к прототипу и имеет высокое значение максимального газовыделения (7,2 см³/г). Состав по п. N 4 не соответствует эффективному газопоглащению и имеет высокое минимальное значение газовыделения равное 3 см³/г. Тепловыделение составов по п. N 1 - 3, составляет 460 - 580 кал/г, что достаточно для достижения рабочих температур изделия, с другой стороны позволяет отказаться от конструктивных дополнительных элементов, предотвращающих изделие от теплового удара.The table shows that a number of compositions based on the Ti-BY system with a different ratio of components characterized by a low gas evolution value were obtained: 4 - 0.3 cm ³ / g (N 1 - 3, table 1). The composition according to p. N 5 relates to the prototype and has a high value of maximum gas evolution (7.2 cm ³ / g). The composition according to p. N 4 does not correspond to effective gas absorption and has a high minimum gas evolution value of 3 cm ³ / g. The heat dissipation of the compositions according to p. N 1 - 3 is 460 - 580 cal / g, which is sufficient to achieve the product operating temperatures, on the other hand, it allows to abandon the structural additional elements that prevent the product from heat shock.

Согласно экспериментальным данным, приведенным в таблице, оптимальный технический результат наблюдается у составов по п. 1, 2 и 3, т.е., мас.%:
Ti - 26 - 31
B - 12 - 14
Y - 55 - 62
Заявляемый пиротехнический состав позволяет обеспечить температуру горения не более 2000^oC и таким образом отказаться от дополнительных конструкций, предотвращающих элементы изделия от чрезмерного перегрева и теплового удара; сохранить при этом высокие значения скорости горения 50 - 95 мм/с и тепловыделения 460 - 580 кал/г, необходимые соответственно для быстрого приведения в действие изделия и достижения рабочих температур; понизить значение удельного газовыделения (4 - 0,3 см³ /г) за счет приведения в ходе химической реакции добавки металла в активное состояние и эффективного газопоглощения ей образующихся газов.According to the experimental data given in the table, the optimal technical result is observed for the compositions according to p. 1, 2 and 3, i.e., wt.%:
Ti - 26 - 31
B - 12 - 14
Y - 55 - 62
The inventive pyrotechnic composition allows you to provide a combustion temperature of not more than 2000 ^o C and thus abandon additional designs that prevent the elements of the product from excessive overheating and heat stroke; at the same time, keep high values of the burning rate of 50 - 95 mm / s and heat dissipation of 460 - 580 cal / g, which are necessary, respectively, for quick actuation of the product and achievement of operating temperatures; to lower the value of specific gas evolution (4 - 0.3 cm ³ / g) by bringing the metal additive into an active state during the chemical reaction and efficient absorption of the resulting gases.

Кроме того, создание малогазового состава с большим значением тепловыделения создает благоприятные условия для уменьшения габаритов ПТН и соответственно их массы. In addition, the creation of a low-gas composition with a large heat release creates favorable conditions for reducing the dimensions of the PTN and, accordingly, their mass.

Claims

Pyrotechnic composition containing titanium, boron and yttrium powders, characterized in that it contains components in the following ratio, wt.%:
Ti - 26-31
B - 12-14
Y - 55-62