ФГВ2_2000 (Раздаточные материалы)

60

Физика горения и взрыва, 2000, т. 36, № 2

УДК 662.612.1+546.621

ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИИ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО АЛЮМИНИЯ C ВОДОЙ B РЕЖИМЕ ГОРЕНИЯ

B. Г. Иванов, O. B. Гаврилюк, O. B. Глазков, M. H. Сафронов

Институт химии нефти CO PAH, 634021 Томск

Исследованы процессы горения смесей ультрадисперсного электровзрывного порошка алюминия с водой, загущенной 3 %-й добавкой полиакриламида. Реакция в режиме горения сопровождается образованием перегретого вспенивающегося слоя в гелеобразной воде. Обнаружена неполнота сгорания алюминия в стехиометрической смеси, объясняемая выкипанием воды из реакцион­ной зоны. Термопарными измерениями и расчетом по составу продуктов сгорания определены максимальные температуры горения в различных условиях. Показана возможность получения ультрадисперсного или монолитного корунда в качестве продукта реакции.

Ультрадисперсные порошки металлов (УДП), полученные методом электрического взрыва проводников, обладают комплексом необычных свойств, отличающих их от других высокодисперсных материалов. Устойчивые по отношению к воздуху и другим активным газам до некоторых «пороговых» темпера­тур (473 ^- 773 K в зависимости от вида металла), они становятся высокоактивными в момент десорбции содержащихся в них газов и выделения избыточной энергии [1-3].

C точки зрения использования УДП в энер­гетических материалах представляют интерес электровзрывные УДП алюминия [2, 4]. Харак­терная особенность таких порошков — способ­ность, подобно щелочному металлу, непосред­ственно взаимодействовать с водой уже при температурах T > 323 K с выделением водо­рода. Нагрев стехиометрической смеси (50/50) до 343 K приводит к сильному самоускорению реакции и переходу процесса в режим теплово­го взрыва, развитие которого ограничивается выкипанием воды при 373 K. Загущение воды небольшими (до 3 %) добавками водораствори­мых полимеров, например полиакриламидом, переводящими воду в состояние вязкого геля, позволяет осуществить реакцию УДП алюми­ния с водой в режиме послойного горения, ана­логичном горению порохов и BB [5-7].

B настоящей работе, в развитие результа­тов работы [5], исследованы процессы горения смесей электровзрывного УДП алюминия с ге­леобразной водой с целью оценки возможностей использования их в качестве энергетического материала, например источника горячего водо­рода в газогенераторах, а также для получения

конденсированных продуктов с ценными свой­ствами.

Термодинамические параметры и расчет­ные характеристики горения стехиометриче­ской смеси приведены ниже:

Плотность ρ	1,459 г/см3
Теплота сгорания Q	7570 кДж/кг
Температура горения:
при постоянном давлении Тр	320OK
в замкнутом объеме T1,	и 4450 К
Средняя молекулярная масса
продуктов сгорания μ	27
Удельная работоспособность:
R0Tp	0,985 МДж/кг
ro Τν	1,379 МДж/кг
Единичный импульс тяги
при степени расширения 70 : I	2500 (Н'с)/кг
Газовыделение	622 см3 /г

До — приведенная газовая постоянная продуктов сгорания.

По энергетическим параметрам смесь Al + H₂O превосходит большинство жидких моно-топлив и нитроцеллюлозные пороха и прибли­жается к смесевым твердым ракетным топли-вам. Необходимо подчеркнуть, что термодина­мические расчеты выполнены без учета «за­пасенной» энергии УДП, т. е. без поправки на «ненулевую» теплоту образования электро­взрывных УДП металлов, величина которой не может быть точно учтена на данном этапе исследований и по различным оценкам может превышать теплоту плавления металла [1-4].

Как отмечалось в работе [5], смеси УДП алюминия с дистиллированной водой, загущен­ной добавкой водорастворимого полимера, спо­собны самовоспламеняться при T — 361 K. При

B. Г. Иванов, O. B. Гаврилюк и др.

61

Рис. 1. Образованиеметастабильногопере-гретого слоя пены при кратковременном на­греве электрической спиралью воды, загу­щенной 3 % полиакриламида (температура в пенном слое 540 K)

приготовлении этих смссси дистиллированную воду переводили в гелеобразное состояние пу-тсм введения 3 % полиакриламида. Для полно­го растворения полимера и гомогенизации си­стемы воду с добавкой поликриламида непре­рывно перемешивали в течение 6 ч в термоста­те при температуре 333 K, а затем выдержи­вали в течение 3 суток для стабилизации вяз­кости. Полученный водный гель смешивался с УДП алюминия в различных соотношениях. B данном случае использовался УДП алюминия с удельной поверхностью 18 м²/г (средний раз­мер частиц 0,12 мкм) с содержанием активного металла 96,5 %. Характерная особенность та­ких паст - - высокая текучесть под давлени­ем и восстановление высокой вязкости при сня­тии нагрузки — объясняется неньютоновскими свойствами гслсобразной воды [8].

Горение смесей УДП алюминия с водой исследовалось в условиях постоянного давле­ния в бомбе Б-150 в среде аргона и в зам­кнутом объеме в манометрической установке УВД-350. Смеси УДП алюминия с водой поме­щали в кварцевые стаканчики диаметром 10 и высотой 30 мм. Зажигание смесей осуще­ствляли электрической спиралью, скорость го­рения определяли фоторегистратором, темпе-

Рис. 2. Фоторегистрограммы горения сте-хиометрической смеси алюминия с гелеоб-разной водой:

р, МПа: а — 1, 6— 3, о — 5

ратурный профиль в волнс горения регистри­ровали Г-образной вольфрамрениевой термопа­рой [9] толщиной 20 мкм.

Специальными экспериментами установ­лено, что гелеобразная вода при медленном на-гревс закипает при T = 373 K, а при быстром нагреве допускает перегрев на 170 4- 200 K выше нормальной температуры кипения при р — 0,1 МПа. При локальном нагреве электри­ческой спиралью среда сильно вспенивается и расширяется (рис. 1), а измеряемая темпера­тура в пенном слое уже при атмосферном дав­лении достигает 540 -f- 570 K, что, очевидно, достаточно для воспламенения УДП в пузырь­ках, наполненных перегретым паром. При за­жигании заряда пенный слой образуется на его поверхности и в процессе горения перемеща­ется по заряду перед фронтом пламени. Вос­пламенение частиц УДП происходит в пенном слое, что хорошо видно на фоторегистрограм-мах процесса (ярко светящаяся полоса на по­верхности заряда, рис. 2) и на профиле темпе­ратуры горения (наибольший градиент темпе­ратуры на границе пены, рис. 3).

При относительно низких давлениях (до р = 1 ~- 2 МПа) воспламенившиеся в пенном слое у поверхности заряда частицы алюминия выносятся потоком пара и сгорают во взве­шенном состоянии с большой неполнотой (см. рис. 2,a). C увеличением давления парообразо-

62

Физика горения и взрыва, 2000, т. 36, № 2

Рис. 3. Температурный профиль при горении смеси 50/50 УДП алюминия с гелеобразной водой при р = 1 (а) и 5 МПа (б)

вание уменьшается и алюминии сгорает в ви­де отдельных фрагментов вблизи поверхности (см. рис. 2,6). При р = 4 4- 5 МПа частицы ме­талла образуют сплошную зону горения на по­верхности заряда (см. рис. 2,e).

Критический диаметр горения стехиомет-рической (50/50) смеси в аргоне при атмосфер­ном давлении весьма мал (к, 1 мм). Однако, концентрационные пределы устойчивого горе­ния для зарядов диаметром 10 мм довольно уз­кие — от 40 до 55 % УДП алюминия.

B интервале р = 0,1 ^- 7 МПа стехиомет-рическая смесь устойчиво горит со скоростями n = 0,1 ^- 1,1 см/с. Зависимость скорости горе­ния от давления сравнительно слабая (рис. 4): и [см/с] = O,183(p/po)- По-видимому, на ско­рость влияет частичное выкипание воды из по-

верхностного слоя заряда. Химический анализ продуктов сгорания показывает наличие недо­горевшего металлического алюминия, несмо­тря на весьма высокую реакционную способ­ность электровзрывных УДП [1-6]. B интерва­ле р = 1 ^- 7 МПа полнота сгорания (степень окисления алюминия водой) η — 0,525 4- 0,625 (см. рис. 4).

Максимальные температуры горения смеси Т_г, измеренные при различных давле­ниях по профилю температуры (см. рис. 3), находятся в пределах 1800 ~ 2100 K (рис. 5), что значительно ниже расчетного значения 3200 K. Расчет максимальных температур горения с учетом фактической неполноты окисления УДП и выкипания непрореа­гировавшей воды проводился по формулам

Рис. 4. Зависимости скорости горения (1) и степени окисления алюминия (2) в стехио-метрической смеси УДП алюминия с гелеоб­разной водой от давления

Рис. 5. Влияние давления на температуру горения (2), измеренную термопарой:

1 — расчет по составу продуктов сгорания

B. Г. Иванов, O. B. Гаврилюк и др. 63

(1)

где Tg — начальная температура смеси; с_р — теплоемкость при постоянном давлении; Q — теплота сгорания стехиометрической смеси алюминия с водой, кДж/г; Q_mcn — теплота ис­парения воды; 0,5 — массовая доля воды в сте­хиометрической смеси; щ — массовая доля ком­понента в продуктах сгорания; T — средняя температура в зоне горения. Такой расчет да­ет хорошую сходимость рассчитанных по ре­зультатам анализа продуктов сгорания и непо­средственно измеренных температур горения (см. рис. 5). Реальный состав продуктов сгора­ния определялся на основе анализа и включал А^Оз, водород, непрореагировавшие алюми­ний и воду. Значения термодинамических па­раметров (Cp₁ Q, Qucn) взяты из [10]. Наблюда­емое различие значений может быть связано с экстраполяцией справочных данных по тепло­емкости компонентов в область более высоких температур, а также с возможным доокислени-ем алюминия парами воды за фронтом пламе­ни и увеличением η относительно ее значения в зоне основной реакции.

Неполнота сгорания УДП алюминия в сте-хиометрических смесях представляется связан­ной с частичным выкипанием воды из реак­ционной зоны. Скорость испарения воды, оче­видно, выше скорости химического взаимодей­ствия алюминия с водой, в результате чего в зоне реакции фактически имеется избыток го­рючего.

Окисление УДП алюминия водой в кон­денсированной фазе можно рассматривать как разновидность CBC. Теория СВС-процессов [11-13] обычно дает следующую взаимосвязь между скоростью, эффективной температурой и кинетикой реагирования: