Влияние модифицированных углеродных материалов на скорость горения баллиститных порохов
- Authors: 1, 1
-
Affiliations:
- Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева
- Issue: Vol 1 (2022)
- Pages: 267-268
- Section: Химия и технология энергонасыщенных соединений и изделий на их основе
- URL: https://journals.eco-vector.com/osnk-sr/article/view/106934
- ID: 106934
Cite item
Full Text
Abstract
Обоснование. Известно, что регулирование зависимости скорости горения порохов от давления и температуры является важной задачей, так как чем ниже данные зависимости, тем устойчивее и стабильнее работает ракетный двигатель [1]. Для снижения зависимости скорости горения от давления используют соединения переходных металлов как в индивидуальном виде, так и в сочетании с сажей, которая способствует образованию углеродного каркаса на поверхности горения. Ранее в качестве катализаторов горения использовали соединения свинца [2]. В настоящее время штатными добавками наряду с соединениями свинца являются также органические соли никеля и меди [3], а в качестве углеродного материала можно использовать углеродные нанотрубки (УНТ) или графен, которые обладают более развитой поверхностью и большей теплопроводностью, чем сажа [3, 4]. УНТ возможно модифицировать с помощью оксидов металлов, так, например, в работах [5, 6] изучено действие модифицированных УНТ на разложение различных энергонасыщенных материалов, в отечественной литературе модифицированные углеродные материалы применяются в основном в качестве сорбентов и электродных материалов. Для баллиститных порохов модифицирование УНТ может снизить общее содержание катализатора в составе пороха и привести к уменьшению отрицательного влияния на энергетические характеристики.
Цель — изучить влияние модифицированных углеродных нанотрубок на параметры горения баллиститного пороха.
Методы. Исследования проводили на высококалорийном баллиститном порохе с соотношением НЦ : НГЦ = 1 : 1(Qж = 5218 кДж/кг). Для модификации использовали углеродные нанотрубки «Таунит-МД» (Т-МД) (производство — Тамбов) и сажу, для сравнения.
Скорость горения определяли на бронированных образцах диаметром 7 мм и высотой ~15 мм в приборе постоянного давления в атмосфере азота. Точность определения скорости горения ±2 %. Эффективность действия добавок оценивали величиной Z = Uдоб / U0, где Uдоб и U0 — скорость горения пороха с добавками и без них соответственно.
Результаты. Влияние 1,5 % углеродных добавок на скорость горения пороха представлено на рисунке и в таблице.
Рис. Зависимость эффективности действия углеродных добавок на скорость горения высококалорийного пороха от давления: 1 — УНТ/MnCu; 2 — Графен/Fe3O4; 3 — Сажа; 4 — УНТ/Mn; 5 — УНТ
Таблица. Влияние 1,5 % углеродных добавок
Добавки | Порох (ν = 0,68) | ||
ν | Z2 | Z10 | |
Сажа | 0,70 | 1,1 | 1,1 |
УНТ | 0,58 | 1,7 | 1,4 |
УНТ/MnCu | 0,64 | 1,0 | 1,0 |
УНТ/Mn | 0,63 | 1,3 | 1,2 |
Графен/Fe3O4 | 0,76 | 1,0 | 1,2 |
Наилучшим каталитическим эффектом среди модифицированных УНТ обладают нанотрубки, модифицированные оксидом марганца, — скорость горения увеличивается в 1,3 раза при 2 МПа, значение ν в законе горения U = Bpν снижается от 0,68 до 0,63. При этом они уступают не модифицированным УНТ — скорость горения возрастает в 1,7 раза при 2 МПа, а показатель ν снижается от 0,68 до 0,58. Сажа и УНТ/MnCu в индивидуальном виде практически не оказывают влияния на параметры горения.
Выводы. Регулирование скорости горения возможно в том случае, когда на поверхности образуется углеродный каркас, в высококалорийном порохе, в котором отсутствуют дополнительные пластификаторы, возможность образования каркаса ограничена, поэтому ввод углеродных материалов для регулирования скорости горения необходим. Углеродные нанотрубкив индивидуальном виде увеличивают скорость горения за счет своей высокой теплопроводности, значительно превосходящие теплопроводности газовой зоны и сажи. Модифицирование углеродных материалов не привело к увеличению их эффективности, вероятно, из-за неоптимального соотношения между УНТ и катализатором. Работы в данном направлении продолжаются.
Full Text
Обоснование. Известно, что регулирование зависимости скорости горения порохов от давления и температуры является важной задачей, так как чем ниже данные зависимости, тем устойчивее и стабильнее работает ракетный двигатель [1]. Для снижения зависимости скорости горения от давления используют соединения переходных металлов как в индивидуальном виде, так и в сочетании с сажей, которая способствует образованию углеродного каркаса на поверхности горения. Ранее в качестве катализаторов горения использовали соединения свинца [2]. В настоящее время штатными добавками наряду с соединениями свинца являются также органические соли никеля и меди [3], а в качестве углеродного материала можно использовать углеродные нанотрубки (УНТ) или графен, которые обладают более развитой поверхностью и большей теплопроводностью, чем сажа [3, 4]. УНТ возможно модифицировать с помощью оксидов металлов, так, например, в работах [5, 6] изучено действие модифицированных УНТ на разложение различных энергонасыщенных материалов, в отечественной литературе модифицированные углеродные материалы применяются в основном в качестве сорбентов и электродных материалов. Для баллиститных порохов модифицирование УНТ может снизить общее содержание катализатора в составе пороха и привести к уменьшению отрицательного влияния на энергетические характеристики.
Цель — изучить влияние модифицированных углеродных нанотрубок на параметры горения баллиститного пороха.
Методы. Исследования проводили на высококалорийном баллиститном порохе с соотношением НЦ : НГЦ = 1 : 1(Qж = 5218 кДж/кг). Для модификации использовали углеродные нанотрубки «Таунит-МД» (Т-МД) (производство — Тамбов) и сажу, для сравнения.
Скорость горения определяли на бронированных образцах диаметром 7 мм и высотой ~15 мм в приборе постоянного давления в атмосфере азота. Точность определения скорости горения ±2 %. Эффективность действия добавок оценивали величиной Z = Uдоб / U0, где Uдоб и U0 — скорость горения пороха с добавками и без них соответственно.
Результаты. Влияние 1,5 % углеродных добавок на скорость горения пороха представлено на рисунке и в таблице.
Рис. Зависимость эффективности действия углеродных добавок на скорость горения высококалорийного пороха от давления: 1 — УНТ/MnCu; 2 — Графен/Fe3O4; 3 — Сажа; 4 — УНТ/Mn; 5 — УНТ
Таблица. Влияние 1,5 % углеродных добавок
Добавки | Порох (ν = 0,68) | ||
ν | Z2 | Z10 | |
Сажа | 0,70 | 1,1 | 1,1 |
УНТ | 0,58 | 1,7 | 1,4 |
УНТ/MnCu | 0,64 | 1,0 | 1,0 |
УНТ/Mn | 0,63 | 1,3 | 1,2 |
Графен/Fe3O4 | 0,76 | 1,0 | 1,2 |
Наилучшим каталитическим эффектом среди модифицированных УНТ обладают нанотрубки, модифицированные оксидом марганца, — скорость горения увеличивается в 1,3 раза при 2 МПа, значение ν в законе горения U = Bpν снижается от 0,68 до 0,63. При этом они уступают не модифицированным УНТ — скорость горения возрастает в 1,7 раза при 2 МПа, а показатель ν снижается от 0,68 до 0,58. Сажа и УНТ/MnCu в индивидуальном виде практически не оказывают влияния на параметры горения.
Выводы. Регулирование скорости горения возможно в том случае, когда на поверхности образуется углеродный каркас, в высококалорийном порохе, в котором отсутствуют дополнительные пластификаторы, возможность образования каркаса ограничена, поэтому ввод углеродных материалов для регулирования скорости горения необходим. Углеродные нанотрубкив индивидуальном виде увеличивают скорость горения за счет своей высокой теплопроводности, значительно превосходящие теплопроводности газовой зоны и сажи. Модифицирование углеродных материалов не привело к увеличению их эффективности, вероятно, из-за неоптимального соотношения между УНТ и катализатором. Работы в данном направлении продолжаются.
About the authors
Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева
Email: sidorova.p.g@muctr.ru
лаборант кафедры химии технологии высокомолекулярных соединений
Russian Federation, МоскваРоссийский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева
Author for correspondence.
Email: sizov.v.a@muctr.ru
научный руководитель, кандидат технических наук, доцент кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений
Russian Federation, МоскваReferences
- Андреев К.К., Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ. Москва: Оборонгиз, 1960. 595 с.
- Андросов А.С., Денисюк А.П., Токарев Н.П. О механизме влияния комбинированных свинцово-медных катализаторов на горение порохов // Физика горения и взрыва. 1978. № 14. С. 63–66.
- Киричко В.А., Сизов В.А., Денисюк А.П. Влияние углеродных нанотрубок на эффективность действия катализаторов горения низкокалорийного пороха // Успехи в химии и химической технологии. 2016. Т. XXX. № 8. С. 16–20.
- Денисюк А.П., Милехин Ю.М., Демидова Л.А., Сизов В.А. Влияние углеродных нанотрубок на закономерности катализа горения пороха // Доклады Академии наук. 2018. Т. 483, № 6. С. 632–634.
- Ren H., Liu Y.-Y., Jiao Q.-J., et al. Preparation of nanocomposite PbO·CuO/CNTs via microemulsion process and its catalysis on thermal decomposition of RDX // J Phys Chem Solids. 2010. Vol. 71, No. 2. P. 149–152. doi: 10.1016/j.jpcs.2009.10.006
- Ling Q., Chen L.-Y., Wang A.-J., et al. Preparation and Characterization of Rice-Shaped MnO2/CNTs Composite and Superior Catalytic Activity on Thermal Decomposition of Ammonium Perchlorate // Fuller Nanotub Carbon Nanostruct. 2016. Vol. 25, No. 1. P. 8–23. doi: 10.1080/1536383X.2016.1247349
Supplementary files
