Влияние состава пороха на эффективность действия катализаторов горения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.07, кандидат технических наук Ньен Чан Аунг

• Ньен Чан Аунг
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ньен Чан Аунг

Введение

1. Литературный обзор

1.1. Механизм горения порохов

1.2. Горение компонентов порохов

1.3. Влияние состава порохов на скорость их горения

1.4. Термическое разложение компонентов порохов

1.5. Катализ горения порохов

2. Экспериментальная часть

2.1. Объекты и методы исследования

2.1.1. Характеристика используемых веществ

2.1.2. Методы исследования

2.2. Влияние катализаторов на горение порохов различного ^ состава с различной калорийностью

2.2.1. Нитроглицериновые пороха на основе коллоксилина (57%)

2.2.2. Пороха с пониженным содержанием коллоксилина (50%)

2.2.3. Пороха на основе коллоксилина и ДНДЭГ

2.2.4. Пороха на основе коллоксилина и ДНТЭГ

2.2.5. Пороха на основе низкоазотной (10,25% И) НЦ и ДНДЭГ

2.2.6. Порох на основе НЦ (10,25% >0 и ДНТЭГ

2.2.7. Пороха на основе низкоазотной (9,3%Ы) НЦ и ДЭГДН

2.2.8. Влияние различных порошков на эффективность действия 92 ФМС при горении пороха №6 (50/50)

2.2.9. Влияние РЬ02 и РЬОг +СиОна горение пороха Н

2.3. Исследование структуры и состава поверхности горения порохов различного состава с №СОз, ФМС и РЬОг

2.3.1. Пороха на основе низкоазотной НЦ и ДЭГДН

2.3.2. Нитроглицериновые пороха

2.3.3. Исследование структуры поверхности горения пороха Не 125 РЬОг в области низкого давления

2.4. Определение температурного профиля в волне горения 132 низкокалорийных порохов

2.5. Обсуждение результатов

2.5.1. Катализ горения порохов различного состава

2.5.2. Закономерности горения низкокалорийных порохов

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние состава пороха на эффективность действия катализаторов горения»

Актуальность темы

Изучению закономерностей и механизма горения баллиститных порохов посвящены многочисленные исследования, проведенные более чем за 60 лет. Именно с изучения закономерностей горения порохов начали разрабатываться методологические подходы к исследованию механизма горения энергонасыщенных материалов и к разработке теории горения. На основании фундаментальных работ, проведенных в ИХФ РАН, ФЦДТ «Союз», РХТУ им. Д.И. Менделеева, РАН и др. сформулирована физико-химическая модель горения порохов. Однако, до сих пор в проблеме горения порохов имеются малоизученные вопросы, так как исследования, в основном, проводились на составах средней (порох Н) и повышенной теплоты горения (порох НБ). Закономерности и механизм горения низкокалорийных (низкотемпературных) порохов, состав которых существенно отличается от указанных выше, почти не исследованы. Такие пороха могут использоваться в различных газогенераторах. Поэтому изучение их горения является весьма актуальной задачей не только в научном, но и в практическом плане.

Много нерешенных вопросов и в катализе горения порохов, хотя этой проблемой занимались многие исследователи, в том числе и за рубежом, и в которой получены чрезвычайно важные практические достижения. Действительно, широкое использование баллиститных порохов в качестве ракетных топлив стало возможным за счет введения в их состав катализаторов горения. Наиболее эффективными и широко используемыми из них являются комбинированные, состоящие из соединений свинца, меди и сажи. Катализаторы снижают зависимость скорости горения порохов от давления в некотором его интервале, в котором эффективность их действия падает с ростом давления, поскольку уменьшается возможность образования на поверхности горения развитого сажистого каркаса, играющего определяющую роль в катализе горения. Однако, известны некоторые данные о том, что при низком давлении указанные катализаторы слабо увеличивают скорость горения пороха Н и слабо влияют на горение низкокалорийных составов. Причины отмеченных фактов непонятны, так как возможности образования на поверхности горения сажистого каркаса при уменьшении калорийности пороха и давления должны увеличиваться. В целом, можно заключить, что исследований зависимости эффективности действия различных катализаторов от состава порохов в широком диапазоне давления проведено явно недостаточно. Такие исследования представляют собой не только научный, но и практический интерес для регулирования зависимости и(р) порохов в диапазоне пониженного давления, используемых в противоградовых ракетах, и низкотемпературных составов для газогенераторов. Цель работы

1. Изучение закономерностей и механизма горения низкотемпературных порохов. 2. Установление зависимости эффективности действия катализаторов от состава и теплоты горения пороха в широком диапазоне давления и изучение некоторых аспектов механизма их действия.

В работе решались следующие задачи:

1. Изучение влияния фталата меди - свинца (ФМС) и карбоната никеля на скорость горения порохов различного состава и теплоты горения.

2. Изучение влияния различных порошкообразных наполнителей на эффективность действия катализаторов при горении высококалорийного модельного пороха.

3. Изучение влияния катализаторов на горение пороха Н при различном давлении и начальной температуре заряда (Т0).

4. Определение температурного профиля в волне горения низкокалорийных порохов.

5. Электронномикроскопические исследования структуры поверхности горения погашенных порохов и определение её элементного химического состава.

Научная новизна

Впервые систематически изучено влияние различных катализаторов на горение порохов различного состава.

Установлено, что независимо от состава пороха катализ горения происходит, если на поверхности горения формируется развитый сажистый каркас, на котором происходит накопление частиц катализатора. Формирование этого каркаса чрезвычайно чувствительно к различным факторам: давлению, наличию компонентов, способствующих образованию каркаса, содержанию азота в НЦ, типу основного пластификатора и др., что обуславливает сложное влияние катализаторов на зависимость скорости горения порохов от давления.

Впервые изучено распределение температуры в волне горения низкокалорийных (С>ж <3000 кДж/кг) порохов. Установлено, что зона над поверхностью их горения отличается от таковой для ранее изученных порохов средней (порох Н) и высокой калорийности (порох НБ) наличием в ней участка, на котором происходит падение температуры от максимального значения, превышающего расчетное, до термодинамической величины за счет протекания эндотермических реакций углерода с СОг и Н20, и более высоким значением Тп, хотя скорость их горения в ~2 раза ниже, чем у пороха Н.

Показано, что независимо от состава пороха кинетика разложения к-фазы является единой, энергия активации ведущей реакции составляет около 80 кДж/моль.

Практическая значимость работы

Результаты работы могут использоваться при компоновке низкотемпературных порохов для различных газогенераторов с регулируемой скоростью горения и при разработке порохов для противоградовых ракет со слабой зависимостью и(р) в области низкого давления (2-3 МПа).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, литературного обзора, экспериментальной части, обсуждения результатов, выводов, списка литературы, включающего 71 источник. Работа изложена на 159 страницах машинописного текста, содержит 79 рисунков и 48 таблиц. Публикации

Заключение диссертации по теме «Химия и технология топлив и специальных продуктов», Ньен Чан Аунг

Выводы

1. Изучено влияние различных катализаторов (№СОз, ФМС, Ре2Оз,РЬОг и СиО) на горение порохов различного состава на основе НЦ, отличающихся содержанием азота, пластифицированных различными пластификаторами. Калорийность (Q*-) порохов изменялась от 1700 до 5700 кДж/кг. Установлено, что эффективность действия всех катализаторов (величина Z = uKaT/uo сложным образом зависит от состава пороха и давления (Р). В большинстве случаев кривая Z(p) проходит через максимум, положение которого по давлению изменяется от -0,3 до 10 МПа, а величина Zmax от 1,5 до 6,5. Для некоторых составов Z падает с ростом давления, а для некоторых на кривой Z (р) имеется минимум и максимум.

2. С помощью электронной микроскопии и РМА исследована структура поверхности горения погашенных порохов. Установлено, что эффективность действия катализаторов определяется степенью покрытия этой поверхности сажистым каркасом, содержащим большое количество катализатора.

3. На основании ранее проведенных в РХТУ им. Д.И. Менделеева исследований и полученных в работе результатов установлена общая закономерность в катализе горения порохов независимо от их состава: катализ происходит, если на поверхности горения образуется сажистый каркас, на котором происходит накопление частиц катализатора. Свинецсодержащие катализаторы способствуют образованию каркаса, а соединения никеля затрудняют, так как ускоряют взаимодействие сажистых частиц с NO. Поэтому они влияют на горение только низкокалорийных составов. Возможность формирования каркаса чрезвычайно чувствительна к изменению состава пороха и давления.

Что обуславливает сложное влияние катализаторов на зависимость и(р) для различных порохов.

4. Впервые изучено распределение температуры в волне горения низкрокалорийных (Q* <3000 кДж/кг) порохов. Установлено, что зона над поверхностью горения имеет сложную структуру, отличающуюся от таковой для пороха средней (Н) и высокой калорийности (НБ) наличием в ней участка, на котором происходит падение температуры от максимального значения, превышающего расчетное, до термодинамической величины за счет протекания эндотермических реакций углерода с С02 и Н20.

Для указанных порохов энергия активации ведущей реакции, протекающей в к-фазе, как для порохов Н и НБ составляет около ~80 кДж/моль. Это говорит о единой кинетики разложения к-фазы независимо от состава пороха.

Для низкокалорийных порохов значения Тп близко или выше, чем для пороха Н, хотя скорость их горения значительно (в 2 раза) ниже. Это связано с тем, что для нарушения сплошности к-фазы порохов, содержащих повышенное количество высококипящих ДНТ и ДБФ, или порохов на основе низкоазотной (9,3% ЬГ) и термически устойчивой НЦ, необходима более высокая степень распада НЦ, НГЦ или ДНДЭГ, что и обеспечивается повышенным значением Тп.

153

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ньен Чан Аунг, 2008 год

1. Андреев К.К. Термическое разложение и горение взрывчатых веществ// -М.: Наука, 1966. -346с.

2. Похил П.Ф. О механизме горения бездымных порохов //Сб «Физика взрыва». -Изд. АН СССР.-1953, №2.-С.181-212.

3. Похил П.Ф., Ромаданова Л.Д., Белов М.М. О механизме горения бездымных порохов (часть.2). // Сб. «Физика взрыва»-Изд. АН СССР — 1955, №3 —С.93-115.

4. Жуков Б.П. Исследование и разработка баллиститных ракетных порохов // Дис.: д-ра техн. наук (издание второе). М, 1950.

5. Зенин A.A. Процессы в зонах горения баллиститных порохов // Физические процессы при горении и взрыве. М.: Атомиздат. -1980,-С.68-105.

6. Зенин A.A. Исследование распределений температуры при горении конденсированных веществ // Дисс.: к.х.н. —М.: ИХФ АН СССР, 1962. — 164 с.

7. Александров В.В., Хлевной С.С. Кинетика тепловыделения в конденсированной фазе пироксилина при повышенных температурах.//ПМТФ, №1, 1970. С. 158-163.

8. Марголин А.Д. О ведущей стадии горения.// ДАН СССР, 1961, Т. 141, №5,-С. 1131-1134.

9. Похил П.Ф. О ведущей стадии горения порохов.// ФГВ, 1969, Т. 5, №3, С. 439-440.

10. Шепелев Ю.Г., Фогельзанг А.Е., А.П. Денисюк, А.Е. Демидов. Влияние начальной температуры на скорость горения баллиститных порохов в области высокого давления.// ФГВ. №4, 1990, С. 40-45.

11. Аристова З.И., Лейпунский О.И. О прогреве поверхности горящего пороха.// ДАН СССР, 1946, Т. LIV, №6, С. 507-509.

12. Хуггетт С. Горение твердых ракетных топлив.// Сборник переводов под редакцией проф. Ю.Х.Шаулова. М.: Изд. Иностранной литературы, 1959, С. 235-301.

13. Денисюк А.П., Фогельзанг А.Е. Изв. ВУЗ. Химия и химическая технология, 1971, Т. 14, вып. Б,- С. 861-864.

14. Ковальский A.A., Конев Э.В., Красильников Б.В. О горении нитроглицеринового пороха.// ФГВ, 1967, №4, С. 547-553.

15. Александров В.В., Хлевной С.С. О температуре поверхности при беспламенном горении нитроглицеринового пороха. // ФГВ, 1970, №3. С.438-443.

16. Александров В.В., Буфетов Н.С., Пастухова Т.В., Тухтаев Р.К. Применение импульсной калориметрии для исследования кинетики реакций в конденсированных средах.// ФГВ, 1973, №1. С.75-83

17. Коробейничев О.П., Хлевной С.С. Масс-спектрометрическое изучение термического разложения нитроглицеринового пороха при высоких температурах.// ФГВ, 1970, Т.6, №3. С. 404-406.

18. Андросов A.C., Денисюк А.П., Токарев Н.П., Фоминов К.Г. О роли отдельных компонентов при катализе горения баллиститных порохов.// ФГВ. 1975, Т. №1, С. 18-26.

19. Андреев К.К., Беспалов Г.Н., О горении нитроглицерина. Сб. статей М.: Оборонгиз, 1963, С. 430-442.

20. Архипов А.Г., Денисюк А.П., Кондриков Б.Н. О горении пластифицированной нитроцеллюлозы.// ФГВ, 1987. №3, С.

21. Андреев К.К., Самсонов Б.С. Термический распад нитроклетчатки при удалении газообразных продуктов распада и в их присутствии. Теория взрывчатых веществ.// Сборник статей. Труды МХТИ, вып. 53, М., «Высшая школа», 1967. С. 7-21.

22. Манелис Г.Б. Назин Г.М., Рубцов Ю.И., Струнин В.А. // Термическое разложение и горение взрывчатых веществ и порохов. Наука, 1996, -224 с.

23. Лурье Б.А., Светлов Б.С. Кинетические характеристики первичной стадии термического распада органических нитратов. //Кинетика и катализ, 1994, Т. 35, №2,- С. 165-175.

24. Лурье Б.А., Светлов Б.С. О способности нитроцеллюлозы к самоускоряющемуся разложению Теория взрывчатых веществ.// Сборник статей. Труды МХТИ, вып. 53, М., «высшая школа», 1967, -С. 36-40.

25. Рогинский С.З., Сапожников JI.M. Взрывные реакции в конденсированных системах и кинетика термического разложения тринитроглицерина ЖФХ.// Т. 11, вып. 1. С.80-101.

26. Светлов Б.С. Термический распад динитрата диэтиленгликоля в жидкой фазе.// Сборник статей. Теория взрывчатых веществ. Оборонгиз. 1963 С. 274-280.

27. Андреев К.К., Пуркалн М.М. О влиянии катализаторов на горение бездымного пороха при низких давлениях// Отчет МХТИ, 1944.

28. Андреев К.К., Пуркалн М.М. О возможности использования катализаторов для улучшения баллистических свойств ракетных порохов// Отчет МХТИ, 1974 г.

29. Андросов A.C., Денисюк А.П., Кувшинов В.М. Токарев Н.П. О взаимосвязи влияния катализаторов на термическое разложение и горение порохов.//ФГВ. 1974. Т. 10, №3, С.

30. Денисюк А.П., Шепелев Ю.Г., Русин Д.Л., Шумский И.В. Влияние гексогена и октогена на эффективность действия катализаторов горения баллиститных порохов.//ФГВ. 2001. Т.37, №2, С. 77-83.

31. Денисюк А.П., Демидова JI.A., Галкин В.И. Ведущая зона горения баллиститных порохов с катализаторами.//Физика горения и взрыва. 1955 г., Т. 31, №2, С. 32-40.

32. Хубаев В.Г., Денисюк А.П., Козырева Т.М. О влиянии соотношения между РЬО и сажей на скорость горения баллиститного пороха.//ФГВ. 1975. Т. 11, №3, С. 11-51.

33. Головина Л.А., Денисюк А.П., Токарев Н.П., Хубаев В.Г. Хромов В.И. О механизме действия Ре20з при горении модельного нитроглицеринового пороха. //ФГВ. 1981. Т. 18, №6, С.

34. Марголин А.Д., Крупкин В.Г., Хубаев В.Г., Байков В.И. Токарев Н.П., Денисюк А.П. Закономерности горения баллиститных составов при перегрузках.//ФГВ. 1978. Т. 14, №6, С. 29-35.

35. Денисюк А.П., Марголин А.Д., Токарев Н.П., Хубаев В.Г., Демидова Л.А. Роль сажи при горении баллиститных порохов со свинецсодержащими катализаторами. //ФГВ. 1977. Т. 13, №4, С. 576584.

36. Андросов A.C., Денисенко М.И., Денисюк А.П., Токарев Н.П. К вопросу о влиянии катализаторов на скорость горения и термическое разложение нитроцеллюлозы. //Известия высших учебных заведений. Химия и хим. Технология. 1976. Т. 14, №8.

37. Preckel R.F Gas Producing Propel lent for Vet Propelled Devices. U.S patent 3033715., 1963.

38. Preckel R.F Gas producing Propel lent for Jot Propelled Devices. U .S patient 3033716., 1962.

39. Preckel R.F Platen Ballistics in Nitrocellulose Propellants.// ASSJ .1961.V.31 No,P.P 1286- 1287.45. .Preekel B.F Platen Ballistics in Nitrocellulose propellants //AJAA -1965,-V.3,N2.-p.p 346-347.

40. Camp A.T. Crescenzo F.G Copper and Lead Burning rate modifiers for Double Base Propellants Containing Alluminum .: U.S Patent .3138499 .1964.

41. Crescenze F.G ., Bow .D.L. Gas Generator composition .:U.S patent 3.693183 , 1972.

42. Dauezman L., Tejma Y.A Solid Phase Reactions of a Double Base Propellants.//AYAA .-1968 .-V.6,-P. 678-685.

43. Кубота, Олемиллер, Кавени, Саммерфилд. Место и механизм действия каталитических добавок, приводящих к образованию плато в случае двухосновных твердых топлив. //РТК. 1974. - Т. 12, №12, С. 118-121.

44. Кочаков В.Д. Роль углеродных образований при горении баллиститных порохов. //Автореферат дисс. . канд. Физ.-мат. Наук. — Казань, Чувашский Гос. Унив. Им. В.И. Ленина, 1982.

45. Земских В.И. Кинетика тепловыделения при зажигании и повторное воспламенение конденсированных реагирующих веществ. // Дисс. . канд. Физ.-мат. Наук. М., ИХФ АН СССР, 1984. - 205 с.

46. Александров В.В., Болдырева A.B., Болдырев В.В., Тухтаев Р.К. Горение дины при атмосферном давлении. //ФГВ. — 1973. — Т. 9, №1 — С. 140-143.

47. Апександров В.В., Болдырев A.B., Болдырев В.В., Тухтаев Р.К. Механизм действия некоторых добавок на скорость горения дины. // ДАН СССР. 1973. - Т. 210, №1, - С. 161-162.

48. Александров В.В., Тухтаев Р.К., Болдырев В.В. О горении дины при атмосферном давлении и действии некоторых добавок.//ФГВ. — 1974. — Т. 10, №4, С. 543-546.

49. Тухтаев Р.К. Исследование механизма действия каталитических добавок на скорость горения взрывчатых веществ и порохов. //Автореферат дисс. . канд. Хим. Наук. Новосибирск, ИХК и ГСО АН СССР, 1977. С. 20.

50. Денисюк А.П., Хубаев В.Г., Шепелев Ю.Г. К вопросу о влиянии катализаторов на горение дины. //ФГВ. 1977. - Т. 13, №1, С. 138-139.

51. Dauezman L., Tejma Y.A Solid Phase Reactions of a Double Base Propellants.// AYAA .-1968 .-V.6,-P. 678-685.

52. Сингх, Pao. Образование платообразного участка на графике зависимости скорости горения от давления в случае баллиститных порохов.//РТК.-1977.-Т. 15, №11. -С. 12-17.

53. Suh .N.P., Adams G.P, Zenchits С. Observation of the role of Lead modifier in Super -Sate Burning of Nitrocellulose Propellants .// Comb. And Flame .-1974.-V.22 .-P.289-293.

54. Денисюк А.П. Архипов А.Г., Калашников И.В., Пашкова O.B. Зависимость скорости горения от температуры поверхности для различных составов на основе нитроклетчатки. //ФГВ. 1984. - Т.20, №5, С. 26-29.

55. Денисюк А.П., Демидова Л.А. Особенности влияния некоторых катализаторов на горение баллиститных порохов. //Физика горения и взрыва. 2004, Т. 40, №3, С. 69-76.

56. Денисюк А.П., Демидова JI.A., Шепелев Ю.Г., Балоян Б.М., Телепченков В.Е. Высокоэффективные малотоксичные катализаторы горения баллиститных порохов. //Физика горения и взрыва. 1997. Т. 33, №6, С. 72-79.

57. Архипов А.Г., Денисюк А.П. Влияние катализаторов на температурный коэффициент скорости горения конденсированных систем на основе нитроцеллюлозы. //ФГВ. 1990. Т. 26, №5, С.

58. А.Е. Чалых, А. Д. Алиев, А.Е. Рубцов. Электронно-зондовый микроанализ в исследовании полимеров.//-М.: Наука, 1990, 192 с.67.fisher D.W.// Abv.X-ray Analysis, 1970, v. 13, N1, -159 p.

59. Количественный электронно-зондовый микроанализ: Пер. с англ./ Под ред. В. Скотта, Г.Лава. М.: Мир, 1986, - 352с.

60. Кондриков Б.Н. Химическая термодинамика горения и взрыва.// М., МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1980 79с.

61. Меуег, К. Explosivstoffe /К.Меуег. Weinheim, Verlag Chemie: 1985. -426 p.

62. Тиниус, К. Пластификаторы/ К.Тиниус. Л.: Химия, 1964. - 916с.