Применение нанопорошков в высокоэнергетических материалах и процессах


Уже длительное время порошки алюминия микронных размеров широко используются для улучшения энергомассовых и баллистических характеристик высокоэнергетических конденсированных систем, в том числе, таких как термиты, взрывчатые вещества, пороха, ракетное топливо. Из-за большой площади удельной поверхности наноразмерные электровзрывные частицы алюминия могут обеспечить ряд преимуществ над обыкновенным алюминиевым порошком, в частности, в отношении скорости горения [1 - 5].

Термические свойства (дифференциальный термический анализ) электровзрывного порошка алюминия (ALEX) производимого компанией ППТ, сравнивались с характеристиками промышленного порошка алюминия при их нагреве в воздухе, кислороде и азоте [6]. Для порошка ALEX экзотермический процесс начинается при температуре ниже точки плавления алюминия (660 ºС), в то время как порошок алюминия с размером около 20 мкм не реагирует с кислородом, воздухом или азотом примерно до температуры 1000 ºC. Также наноалюминий воспламеняется гораздо быстрее по сравнению с порошками микронных размеров. При сгорании в воздушной ударной трубе ALEX имел задержку возгорания только 3 микросекунды, по сравнению с задержкой в 600 микросекунд для алюминиевого порошка со средним диаметром частиц 3 мкм.

Порошки ALEX были испытаны рядом исследователей с целью возможного применения в высокоэнергетических композициях.

Влияние нанопорошка алюминия на скорость детонации (СД) было экспериментально продемонстрировано в нескольких исследовательских организациях, изучавших возможность применения ALEX во взрывчатых веществах. В работе [7] в смеси с динитрамидом аммония (AND или SR12) ALEX показал увеличение СД от 4380 м/с до 5070 м/с (73:24:3 ADN/ALEX/фторэластомер "Viton"). Добавка обычного крупнодисперсного порошка алюминия не оказала заметного влияния на СД. В экспериментах [6] по измерению скорости детонации в детонационной трубе в атмосфере азота сравнивались хлопьевидный алюминий типа 40XD и ALEX в смеси с диспергированными лактозой и перхлоратом аммония. Результаты исследования показали преимущество ALEX по величине СД над хлопьевидным алюминием при четырех различных концентрациях алюминия.

Данные [8] показывают повышение характеристик как СД, так и бризантности для ряда составов на основе ТНТ, содержащих ALEX. При замене индустриального алюминия порошком ALEX рост скорости детонации составил 200-300 м/сек, а также в ряде зарядов было отмечено возрастание бризантности до 27%.

Увеличение скорости горения стандартного ракетного топлива увеличивает тягу и скорость истечения газов из ракетного двигателя. В исследованиях [9 - 11] было отмечено возрастание скорости горения топлива вдвое при замене микронного порошка алюминия на порошок ALEX в обычных видах твердого ракетного топлива, таких как Al/AP/HTPB (алюминий/перхлорат аммония/связывающее вещество на основе изобутилена). Повышение скорости горения происходит вследствие меньших размеров частиц нанопорошка алюминия. Модели сгорания алюминиевых частиц в ракетном двигателе показывают, что время жизни сгорающей частицы пропорционально квадрату диаметра частицы. Из экспериментальных данных следует, что алюминиевая частица с размером 5 мкм сгорает в двигателе приблизительно за 4 миллисекунды. Экстраполяция по указанным моделям показывает, что при диаметре частицы 100 нм, она сгорит примерно за 0,6 микросекунд, что является величиной на четыре порядка меньшей, чем для частицы микронного размера. Высокоскоростная фотография поверхности горящего топлива подтверждает, что частица наноразмерного алюминия полностью сгорает на поверхности горящей гранулы топлива, а не выбрасывается выхлопной струей, как это происходит в случае с алюминием микронного размера, т. е. горение частицы завершается внутри двигателя, а не в выхлопных газах ракеты.

Применение наноразмерных порошков алюминия позволяет улучшить характеристики и гибридных ракетных двигателей. В типичном гибридном двигателе используется жидкий кислород и гранулы на резиновой основе (например, HTPB), которые или не содержат окислителя, или содержат в количестве, достаточном для реакции с гранулами. При пиролизе резины образуются органические молекулы с низким молекулярным весом, которые поступают в двигатель и реагируют с жидким кислородом. Если в твердое топливо, такое как HTPB, ввести алюминий, то теоретически возможен прирост импульса двигателя, но алюминий микронных размеров не горит эффективно в подобном двигателе.

Из данных [12] следует, что при добавке 10 % ALEX к HTPB импульс увеличивается на 70%, а процесс горения становится более равномерным по сравнению с горением чистого HTPB.

Добавка алюминия к керосину увеличивает удельную энергию в единице объема жидкого ракетного топлива. Однако алюминий микронных размеров в керосине полностью не сгорает. Добавка нанопорошка ALEX приводит к полному сгоранию металла [13]. Соответственно высокие температуры, возникающие при сгорании алюминия, приводят к увеличению интенсивности горения керосина.

Одной из проблем, мешающих использованию наноразмерных порошков алюминия в высокоэнергетических применениях, является их высокая реакционная способность. Металл может вступить в химическое взаимодействие с другими компонентами пиротехнических составов. Для того чтобы предотвратить химическую реакцию, была разработана процедура микрокапсулирования порошка алюминия. При микрокапсулировании, на поверхность частиц наносятся слои пальмитиновой кислоты, которая защищает частицы порошка от контакта с окисляющими средами (торговое название нанопорошка L-ALEX). В [14, 15] были проведены исследования влияния
воздействия влаги на порошки L-ALEX, ALEX и на индустриальный порошок Cap45a с размером частиц около 17 мкм.

При испытаниях указанные порошки располагались тонкими слоями в чашках внутри испытательной камеры. Измерения количества активного алюминия проводились каждый день. Температура изменялась от комнатной до 60 ºС, при этом относительная влажность воздуха составляла 75 %.

Из полученных данных следует, что порошок Cap45a теряет до 20 % активного алюминия, а ALEX до 70 % активного алюминия от его первоначального значения в течение 8 - 12 дней (рис. 1). Тогда как в порошке L-ALEX содержания активного алюминия практически не снижается в течение 40 дней испытаний.
table5.JPG

Литература

1. Sakovich G., Komarov V., Vorozhtsov A., Lerner M., Eckl W., Eisenreich N., Weller F. Inorganic nanopowders and products // Energetic Materials, 37th International Annual Conference of ICT June 27 - June 30, 2006. - Franhofer Institut Chemische Technologie, Karlsruhe, Federal Republic of Germany, 2006. - Р. 166 - 176.

2. Lerner M., Pavlovets G., Meleshko V. al et. Advanced Technologies of Controlled Manufacturing and the Use of Nanometals in High-Energy Materials (HEM) Formulation // International Workshop on MEMS and Nanotechnology Integration (MNI): Applications. 10-11 May 2004. - Montreux, Switzerland, 2004. - Р. 84-85.

3. Лернер М., Павловец Г., Мелешко В. и др. Передовые технологии управления при производстве и использовании нанометаллов в высокоэнергетических материалах // Высокоэнергетические материалы. Демилитаризация и гражданское применение. Тезисы Международной конференции "НЕМs-2004" 6-9 сентября 2004 г. (г. Белокуриха). - Бийск, 2004. - С. 173.

4. Vorozhtsov A., Lerner M., Pavlovets G. и др. Advanced technologies of controlled manufacturing and use of nanometals in high-energy material formulations // Progress in combustion and detonation. Zel`dovich Memorial. -2004. - P.142 - 143.

5. Tepper F., Ivanov G., Lerner M., Davidovich V. Energetic formulations from nanosize metal
powders // Proceedings of the International Pyrotechnics Seminar, 24th. -N. Y., 1998. - Р. 519 - 530.

6. Mench M. M., Kuo K. K., Yeh C. L., Lu Y. C. Comparison of Thermal Behavior of Regular and Ultra-fine Aluminum Powders (Alex) Made from Plasma Explosion Process // Comb. Sci. and Tech. - 1998. - Vol. 135. - P. 269-292.

7. Bedford C., Aumann C., Thompson D., Miller P. Effect of Metal Particle Size on the Detonation Properties of ADN/Aluminium // TTCP WTP-4, Technical Workshop. - Quebec, Canada, 1998.

8. Brousseau P. Cliff M. The Effect of Ultrafine Aluminium Powder on the Detonation Properties of Various Explosives // The 32th International Annual Conference of ICT, 3 - 6 July. - Karlsruhe, Germany, 2001.

9. Ivanov G. , Tepper F. Activated Aluminum as a Stored Energy Source for Propellants- Symposium on Chemical Propulsion // In A Challenges in Propellants and Combustion, Stockholm, May, 1996. / Editor K. K. Kuo. - Begell House, N. Y., 1997. - Р. 636 - 645.

10. Mench M. M., Yeh C. L., Kuo K. K. Propellant Burning Rate Enhancement and Thermal Behaviour of Ultrafine Aluminium Powders (Alex) // The 29th International Annual Conference of ICT, 30 June - 3 July, 1998. - Karlsruhe, Germany, 1998.

11. Simonenko V. N., Zarko V. E. Comparative Studying the Combustion Behaviour of Composite Propellants Containing Ultrafine Aluminium // The 30th International Annual Conference of ICT, 29 June - 2 July, 1999. - Karlsruhe, Germany, 1999.

12. Chiaverini M., Serin N., Johnson D., Lu Y., Kuo K. K., Risha G. A. Combustion Behavior of HTPB-Based Solid Fuels in a Hybrid Rocket Simulator // JANNAF Propulsion Meeting, Dec. 1996. - Albuquerque, 1996.

13. Tepper F., Kaledin L. Nano Aluminum as a Combustion Accelerant for Kerosene in Air Breathing Systems // 39th AIAA Aerospace Science Meeting, Jan 10, 2001. - Reno, 2001.

14. Cliff M., Tepper F.. Lisetsky V. Ageing Characteristics of Alex® Nanosize Aluminum // 37th AIAA Jоint Propulsion Meeting, 8-11, July 2001. - Salt Lake City, 2001.

15. Tepper F. Lerner M. Ginley D. Metallic Nanopowders // Dekker Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology. - Marcel Dekker, Inc., N. Y., 2004. - P. 1921 - 1933
Мы предлагаем нашим партнерам:
  • Индивидуальный подход к заказу
  • Научно-технологическое сотрудничество
  • Систему скидок
  • Доставку продукции
Новости
4 Апреля 2019 Компания «ПЕРЕДОВЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» успешно выполнила работы по третьему этапу проекта «НТИ - Развитие» (www.fasie.ru)
На третьем этапе выполнения проекта разработаны методы изготовления гранулированных термопластичных материалов на основе микро- и наночастиц сплавов 03Х17Н14М3, Ti-Al, ВТ-6, ВНЖ-90 и Al2O3 (фидстоков) и исследованы их физико-химические характеристики. Для получения гранулированных материалов на основе микро- и наночастиц сплава 03Х17Н14М3 выбран комбинированный метод, включающий получение мелкого гранулята обработкой частиц со структурой ядро-оболочка раствором полимеров и совмещение мелкого гранулята с расплавом полимеров. Для получения гранулированных материалов на основе микро- и наночастиц сплавов ВТ-6, Ti-Al, ВНЖ-90 и Al2O3 выбран метод введения частиц ядро-оболочка в расплав полимеров. Определены режимы формования сложнопрофильных деталей из гранулированных материалов и исследованы их механические характеристики. Установлено, что по микротвердости, пределу прочности при растяжении и изгибе образцы сложнопрофильных деталей близки характеристикам соответствующих объемных материалов.
Разработка методов изготовления гранулированных материалов на основе микро- и наночастиц сплавов 03Х17Н14М3, Ti-Al, ВТ-6, ВНЖ-90 и Al2O3, а также литье под давлением сложнопрофильных деталей с требуемыми механическими характеристиками позволяет приступить к выполнению следующего этапа работ - разработке лабораторного технологического регламента получения гранул из частиц со структурой ядро-оболочка, наработке и исследованию гранулированных материалов. Проект выполняется при поддерже Фонда содействия инновациям (www.fasie.ru).
21 Ноября 2018 Компания "ПЕРЕДОВЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ" индустриальный партнер проекта
ООО «ПЕРЕДОВЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» индустриальный партнер ИФМП СО РАН по проекту ПНИ по теме: «Разработка и создание нового поколения бимодальных металлопорошковых композиций на основе нано- и микрочастиц жаропрочных, жаростойких, коррозионностойких сплавов для аддитивных технологий синтеза деталей сложных систем» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 - 2020 годы» в рамках Соглашения 14.604.21.0158.
В настоящее время завершается выполнение второго этапа проекта "Определение условий синтеза бимодальных порошков на основе нано- и микрочастиц жаропрочных, жаростойких, коррозионностойких сплавов для аддитивных технологий синтеза деталей сложных систем». Успешно выполнены работы:
•    Установлены электрофизические параметры получения бимодальных порошков сплавов ХН70Ю, ХН60ВТ и 316L.
•    Исследованы физико-химические и технологические характеристики экспериментальных образцов бимодальных порошков жаропрочных, жаростойких, коррозионностойких сплавов для аддитивного изготовления деталей сложных систем.
•     Исследована возможность использования бимодальных порошков для аддитивного изготовления деталей сложной пространственной структуры методом селективного лазерного плавления.
•    Разработан метод микрокапсуляции бимодальных порошков органическими соединениями для создания защитного слоя на поверхности частиц. Микрокапсуляция препятствует окислению бимодальных порошков, способствует увеличению скорости спекания образцов и позволяет получать изделия с плотностью, близкой к теоретической плотности сплавов.