Возможности применения кремния как горючего в пиротехнических составах

1. Название работы

Студент Руководитель - д.т.н., профессор Коробков А.М.

2.

• Объектом исследования является пиротехнические
составы на основе кремния и неорганических
окислителей.
• Цель работы: определить возможности применения
кремния как горючего в пиротехнических составах.
• Задачи:
• - Провести термодинамические расчеты составов на основе
кремния;
• - Исследовать зависимость скорости горения составов в
зависимости
от
соотношения
компонентов,
природы
компонентов (окислителей), содержания модифицированной
добавки.

3. Кремний как компонент пиротехнических составов

Кремний обладает свойствами, которые делают его перспективным кандидатом для
использования в разного рода наноэнергетических композициях. Он имеет меньший
пассивирующий слой, чем алюминий (около 1 нм, а не 3-6 нм, как у наночастиц алюминия),
что существенно повышает содержание активного кремния. Кремний лучше сохраняет свои
свойства при хранении, в процессах изготовления на его основе ЭКС. Его композиции с
различными окислителями при горении развивают очень высокую температуру. Поверхность
кремния легко функционализируется, что позволяет прививать к его поверхности фрагменты
соединений, облегчающих совмещение наночастиц кремния с различными полимерами,
гелями, пастами и др.

4. Выбор окислителя. Термодинамический расчет

4000
Теплота сгорания,кДж/кг
Температура смеси, К
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
3500
3000
2500
2000
1500
1000
0
0
20
40
60
80
Содержание кремния, %
Si+NaNO3
Si+KCIO4
100
Si+Ф-422
0
20
40
60
80
Содержание кремния,%
Si+NaNO3
Si+KCIO4
Si+Ф-4
100

5. Природа окислителей, соотношение компонентов

2834
№
1
2
Состав
Массовая
доля,%
Si
NaNO3
СКФ-32(сверх
100%)
70
30
2
Si
KCIO4
СКФ-32*
70
30
2
Скорость
горения,
мм/с
7,21
4,64
Теплота сгорания, кДж/кг
2840
2820
2800
2780
2769
NaNO3
KCIO4
2760
2740
2720
30
Содержание окислителя, %

6. Зависимость скорости горения от содержания кремния

Скорость горения, мм/с
8
7,23
7
6,21
6
5
4,68
4,51
4,95
4,25
4
на NaNO3
на KCIO4
3
Линейная (на NaNO3)
2
Линейная (на KCIO4)
1
0
60
70
Содержание кремния, %
80

7. Исследование характеристик составов на основе модифицированных компонентов

Составы с применением
модифицированных компонентов
Механическое смешивание
6
5
4
Si+ACД-4
модиф
3
Si+МПФ-2
модиф
2
Si+ ПАМ-2
модиф
1
0
Скорость горения, мм/с
Скорость горения, мм/с
6
5
4
3
2
1
Si+ACД-4 механ
Si+МПФ-2
механ
Si+ПАМ-2
механ
0
90/10
80/20
70/30
Соотношение горючих, %
90/10 80/20 70/30
Соотношение кремний-металл, %

8. Влияние размера частиц на параметр горения

Характеристики исходного и измельченного
порошка кремния
Исходный
кремний
Удельная
поверхность
порошка, см3/г
Средний
размер частиц,
мкм
1338,11
19,24
Кремний после
измельчения на
вибромельнице
4107,76
6,27
Сравнение характеристики составов на исходном и
модифицированном кремнии
№
Состав
Массовая
доля,%
1
Si
NaNO3
СКФ-32*
70
30
2
70
2
SiМ
(кремний –
100%)
NaNO3
СКФ-32*
30
2
Время
Скорость
горения,
горения,
с
мм/с
4,7
3,88
5,1
3,62

9. Влияние добавок на скорость горения составов с кремнием

Исходный СКФ32 - 4%
LiF2
KClO4
ФП-4
NaF
Скорость горения, мм/с
2,5
2,38
2
1,5
1
0,5
0
1,6
1,03
1
1,15

10. Выводы

• Зависимость скорости горения от содержания кремния для составов с
перхлоратом калия имеет экстремальный характер с максимумом при
содержании кремния 70%, для составов с нитратом натрия –
снижающийся характер при содержании кремния свыше 70%.
• Для кремнийсодержащих составов с 70% содержанием горючего, при
переходе с перхлората калия к нитрату натрия скорость горения
увеличивается в 1,01 – 1,3, с 4,66 до 7,17 мм/с.
• Применение фторсодержащих добавок для кремнийсодержащих
составов позволяет регулировать скорость и изменять характер
горения. Наиболее эффективной добавкой для увеличения скорости
горения является NaF, введение её в количестве 2% в состав (Si-55%,
KClO4-41%, СКФ-32 – 4%) за счет СКФ-32 приводит к увеличению
скорости горения пиротехнического элемента 2,1-2,3 раза (с 1,03мм/с
для состава без добавки до 2,28мм/с для состава с NaF).