Модификация поверхности алюминиевых порошков и исследование свойств высокоэнергетических конденсированных составов на их основе

Полная исследовательская публикация _ Зяблицкий С.А., Трусова Н.А., Певченко Б.В., Панченко Н.Ф.

и Ухин К.О.

Размещено на http://www.allbest.ru/

90 _______________ http://butlerov.com/ ______________ ©--Butlerov Communications. 2016. Vol.45. No.3. P.87-91.

Тематический раздел: Исследование новых процессов. Полная исследовательская публикация

Подраздел: Высокоэнергетические процессы. Идентификатор ссылки на объект - ROI: jbc-01/16-45-3-87

г. Казань. Республика Татарстан. Россия. _________ ©--Бутлеровские сообщения. 2016. Т.45. №3. __________ 87

АО «Федеральный научно-производственный центр «Алтай»

Модификация поверхности алюминиевых порошков и исследование свойств высокоэнергетических конденсированных составов на их основе

Зяблицкий Сергей Анатольевич, Трусова Наталья Александровна,

Певченко Борис Васильевич, Панченко Наталья Федоровна

и Ухин Константин Олегович

Аннотация

алюминиевый порошок дисперсность полимер

В статье представлена методика модификации поверхности сферических алюминиевых порошков дисперсностью 70 и 2 мкм полимером - политрифторэтиленом марки Ф-32Л. Проведены исследования высокоэнергетического состава на основе модифицированного алюминия. Показано его влияние на термическую стабильность, скорость горения, реологические характеристики и содержание конденсированных продуктов сгорания.

Ключевые слова: сферический алюминиевый порошок, политрифторхлорэтилен, скорость горения, конденсированные продукты сгорания, термическая стабильность.

Abstract

Aluminum powders modification and study of high-energy condensed compositions on their basis

Modification method for surfaces of spherical aluminum powders with dispersion 70 and 2 mcm correspondingly by polymer - polytrifluorinechlorethylene F-32L is presented in this article. Studies of high-energy condensed composition based on modified aluminum were performed. The effect on thermal stability, burning velocity, condensed burning products content is shown.

Keywords: spherical aluminum powder, polytrifluorinechlorethylene, burning velocity, condensed burning products, thermal stability.

Введение

При разработке современных высокоэнергетических составов (ВЭС) одной из важных задач является повышение их энергомассовых характеристик. Количество металлизированных добавок (чаще всего это сферический порошок алюминия и некоторые его соединения [1]) в них может достигать 15-20 % масс. частей. Однако при обеспечении минимальной скорости горения композиций ВЭС на поверхности горения образуется большое количество конденсированных частиц - агломератов продуктов неполного сгорания алюминия. При движении в потоке продуктов сгорания они осаждаются на внутренней поверхности камеры сгорания, образуют массы остатков конденсированных продуктов сгорания (КПС), которые приводят к снижению энергетических характеристик изделия [2, 3].

Модификация поверхности алюминиевых порошков различными полимерами является одним из перспективных направлений решения этой проблемы [4, 5].

В настоящей работе представлены результаты отработки методики модификации поверхности алюминиевых порошков, исследования свойств модифицированных порошков алюминия и оценки влияния их модификации на характеристики химической стабильности, пара-метры горения и КПС составов.

Методическая часть

В качестве объекта исследования использованы образцы алюминиевых порошков марок А-0 и А-8 дисперсностью 70 и 2 мкм соответственно. В качестве модифицирующей добавки применяли промышленно выпускаемый фторполимер - политрифторхлорполимер марки Ф-32Л, растворителем для него служил этилацетат. В обогреваемый реактор наливали 40 г этилацетата, добавляли 0.3-0.8% фторполимера и выдерживали при T = (20±5) °С до полного растворения. Навеску сферического алюминиевого порошка массой 40 г засыпали в реактор и перемешивали с помощью лабораторной мешалки в течение двух часов при той же температуре. По истечении времени температуру в реакторе повышали до 80 °С до полного удаления растворителя. Модифицированный сферический алюминиевый порошок помещали в сушильный шкаф при T = 80 °С и выдерживали до постоянства массы.

Микроструктуру поверхности исходных алюминиевых порошков марок А-0 и А-8 и модифицированных фторполимером исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа JSM-840 с увеличением до 2000 раз.

В качестве высокоэнергетического состава использовали смесь «активного» горючего-связующего (на основе тетразольного полимера и нитроэфирных пластификаторов) и наполнителей (алюминиевый порошок, нитрамин, перхлорат аммония и технологические добавки).

Химическую совместимость компонентов ВЭС определяли по ампульно-хроматографи-ческой методике, позволяющей установить количественный и качественный состав газов, выделяющихся в процессе термостатирования образцов при повышенной температуре. Образцы закладывали в ампулы при заполнении свободного объема 1/5 г/см³ и вакуумировали до остаточного давления 10^-2 мм рт. ст., запаивали и термостатировали при T = 80 °С. Затем анализировали объем V_г и состав выделившихся из ампул газов с помощью газового хромато-графа «Кристалл-2000М». В качестве чувствительного элемента применяли детектор теплопроводности.

Влияние модифицированного алюминиевого порошка марок А-0 и А-8 на скорость горения U ВЭС исследовали в приборе возрастающего давления в атмосфере азота при p = 2-4 МПа на лабораторных образцах диаметром 14 мм и высотой 10 мм, забронированных с трех сторон. Величину U рассчитывали методом угловых точек. На каждую точку было проведено 3-5 параллельных измерений. Погрешность не превышала 3% при доверительной вероятности 0.95.

Характеристики частиц агломератов в продуктах сгорания получены в приборе постоянного давления с помощью экспериментальной установки ОМ-87Ц на образцах диаметром 36 мм и высотой 15 мм при давлении p = 3 МПа.

Пробы конденсированной фазы подвергались дисперсно-массовому анализу, который состоит в том, что каждая проба разделялась на фракции с помощью рассеивания на ситах с известным размером ячеек, фракции взвешивались на аналитических весах с точностью 0.5 мг. Результаты взвешивания проб конденсированной фазы позволили получить величину среднемассового диаметра частиц агломератов d₄₃ в продуктах сгорания ВЭС.

Экспериментальная часть

Сравнение микроструктуры поверхности исходного образца сферического алюминия марки А-0 со средней дисперсностью 70 мкм (рис. 1а) и алюминиевого порошка с модифицированной фтор-полимером Ф-32Л поверхностью (0.3% от массы алюминия) (рис. 1б) показало, что на поверхности исходной частицы видны трещины, неровности, а также мелкие частицы алюминия. Поверхность частицы, модифицированной Ф-32Л, более гладкая, трещины отсутствуют.

Из рис. 1в видно, что в результате использования модифицирующей добавки Ф-32Л в количестве 0.3% от массы алюминия марки А-8 образуются непрочные агломераты частиц размером 10-15 мкм, при дальнейшем увеличении её количества на поверхности наблюдается сильная агломерация алюминиевого порошка. В связи с этим требуется его измельчение, что приводит к нарушению поверхностного полимерного слоя.

Исследование кинетики газовыделения модельных композиций ВЭС на основе смесей марок А-0/А-8 исходных и модифицированных представлено на рис. 2.

Увеличение содержания модифицирующей добавки до 0.8% от массы алюминия приводит к снижению уровня газовыделения ВЭС на 36% после 7 сут термостатирования при T = 80 °С (см. рис. 2, таблицу). Качественный состав газов, выделившихся в процессе термостатирования, практически не изменился.

Результаты и их обсуждение

Скорость горения исследовали на образцах ВЭСс различным соотношением используемых марок алюминия: А-0 = 100, А-0/А-8 = 90/10, А-0/А-8 = 80/20 и А-8 = 100%.

Установлено, что при модифицировании поверхности алюминиевого порошка марки А-0 и его смеси с А-8 фторполимером Ф-32Л скорость горения уменьшается на 5-7% по сравнению с исходным образцом ВЭС. Модификация алюминия марки А-8 незначительно снижает скорость горения (~1-1.5%) по сравнению с исходной (рис. 3).

а) б) в)

Рис. 1 Микроструктура поверхности частиц исходного алюминиевого порошка А-0 (а); А-0, модифицированного Ф-32Л (б); А-8, модифицированного Ф-32Л (в)

Рис. 2 Кинетика газовыделения ВЭС с использованием модифицированного алюминиевого порошка после термостатирования при T = 80 °С

Исследование вязкости модельных образцов (рис. 4) показало, что модифицирование поверхности алюминия фторполимером приводит к увеличению вязкости ВЭС на ~20-30% и соответственно к ухудшению технологических характеристик.

На основании изложенного проведен поиск добавок, позволяющих повысить качество покрытия, а также уменьшить вязкость и скорость горения ВЭС. Добавку Х-1 из класса эфи-ров фталевых кислот в количестве 1% на массу модифицированного алюминия марки А-0 вводили в процессе отгонки растворителя из реактора. В результате скорость горения ВЭС (рис. 5) снизилась на 14%, а вязкость ВЭС (рис. 6) на 17% при содержании Ф-32Л - 0.8%.

Таблица

Качественный и количественный состав газов ВЭС в процессе термостатирования при T = 80 °С

Примечание. С_Ф-32Л содержание Ф-32Л, %; время термостатирования, сут.

Рис. 3 Влияние модификации поверхности алюминиевого порошка на скорость горения ВЭС при p = 3 Мпа

Рис. 4 Влияние модификации поверхности алюминиевого порошка на вязкость ВЭС (при Т = 20 °С)

Рис. 5 Влияние модификации поверхности алюминиевого порошка с добавкой Х-1 на скорость горения ВЭС при p = 3 Мпа

Рис. 6 Влияние модификации поверхности сферического алюминия Ф-32Л с добавкой Х-1 на вязкость ВЭС (при Т = 20 °С)

Рис. 7 Влияние модификации алюминиевого порошка А-0 Ф-32Лс добавкой Х-1 на размер КПС ВЭС

Исследование влияния модификации алюминиевого порошка А-0 Ф-32Л с добавкой Х-1 на продукты КПС состава ВЭС показало, что при увеличении содержания фторполимера на поверхности металла до 0.8% средний размер частиц алюминия d₄₃ снижается на 10% (рис. 7).

Выводы

1. Модификация поверхности алюминиевого сферического порошка марок А-0 и А-8 повышает химическую совместимость компонентов модельной композиции на основе активного горючего-связующего.

2. Покрытие алюминиевого порошка фторполимером Ф-32Л позволяет снизить скорость горения и размер частиц конденсированных продуктов сгорания композиции высокоэнер-гетических составов.

3. Использование добавки Х-1 в процессе нанесения фторполимера Ф-32Л на поверхность алюминия приводит к снижению вязкости высокоэнергетического состава и скорости горения по сравнению с исходным порошком металла.

Литература

[1] Гордон Д.А. Сб. «Исследование ракетных двигателей на твердом топливе». М., ИЛ. 1963. 181с.

[2] Похил П.Ф., Беляев А.Ф. и др. Горение порошкообразных металлов в активных средах. М.: Наука. 1972. 297с.

[3] Похил П.Ф., Логачев В.С., Мальцев В.М., Селезнев В.А. Горение металлизированных конденсированных систем. М.: ИХФАН СССР. 1962. 325с.

[4] Лебедева Е.М., Ухин К.О., Астафьева А.С., Вальцифер В.А., Стрельников В.Н. Влияние поверхностной модификации микро- и нанодисперсных порошков алюминия на реологические свойства олигодиенуретановой композиции. Перспективные материалы. 2014. №3. С.72-77.

[5] Кубасов А.В., Зяблицкий С.А., Ухин К.О., Трусова Н.А., Певченко Б.В., Панченко Н.Ф., Никитин Р.Г. Влияние модификации поверхности наноалюминия на характеристики высокоэнергетической композиции. Материалы докладов V Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов». Бийск. 2014. С.144-156.

Размещено на Allbest.ru