EP2615077B1 - Activation de compositions énergétiques par mélange magnétique - Google Patents

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EP2615077B1
EP2615077B1 EP13151038.0A EP13151038A EP2615077B1 EP 2615077 B1 EP2615077 B1 EP 2615077B1 EP 13151038 A EP13151038 A EP 13151038A EP 2615077 B1 EP2615077 B1 EP 2615077B1
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EP
European Patent Office
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composition
particles
energetic
magnetic field
motive
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EP13151038.0A
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German (de)
English (en)
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EP2615077A1 (fr
Inventor
Marc Comet
Denis Spitzer
Dominique Hassler
Etienne Rauscher
Jean Caillard
Vincent Rafin
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Isl - Institut Franco-Allemand De Recherches De SA
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
MBDA France SAS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Franco Allemand de Recherches de Saint Louis ISL
MBDA France SAS
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Filing date
Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B21/00—Apparatus or methods for working-up explosives, e.g. forming, cutting, drying
    • C06B21/0008—Compounding the ingredient
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/60—Mixing solids with solids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/45—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers
    • B01F33/451—Magnetic mixers; Mixers with magnetically driven stirrers wherein the mixture is directly exposed to an electromagnetic field without use of a stirrer, e.g. for material comprising ferromagnetic particles or for molten metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/71—Feed mechanisms
    • B01F35/713—Feed mechanisms comprising breaking packages or parts thereof, e.g. piercing or opening sealing elements between compartments or cartridges
    • B01F35/7137—Piercing, perforating or melting membranes or closures which seal the compartments
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C06—EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06B—EXPLOSIVES OR THERMIC COMPOSITIONS; MANUFACTURE THEREOF; USE OF SINGLE SUBSTANCES AS EXPLOSIVES
    • C06B47/00—Compositions in which the components are separately stored until the moment of burning or explosion, e.g. "Sprengel"-type explosives; Suspensions of solid component in a normally non-explosive liquid phase, including a thickened aqueous phase

Definitions

  • the present invention relates to the field of energy compositions, and in particular energy compositions which can be integrated into pyrotechnic systems, in particular of the military or space industry, such as igniters, detonators or devices integrating these elements.
  • the energy composition is considered to be the primary element of the chain.
  • the energy composition used at the start of the pyrotechnic chain is most often a sensitive composition (primary composition) in order to allow the pyrotechnic chain to start operating. Due to their high sensitivity, it is necessary to guard against accidental operation of the latter.
  • the normal operation of the pyrotechnic system is generally implemented by a mechanical, thermal or electrical effect, of low power.
  • the misalignment of the primary elements of a pyrotechnic chain constitutes a physical device making it possible to achieve the required level of safety by separating the active elements from the pyrotechnic chain and only bringing them together when necessary, under the conditions of shot or ignition planned.
  • the methods currently used involve the integration of sensitive energetic substances capable of giving rise to a pyrotechnic reaction in the event of accidental stresses during storage or use, in armaments or other systems which contain them. These stresses can occur during handling, aging, a fire, or by a hit, etc.
  • the consequences of an accidental pyrotechnic reaction can range from neutralization to destruction of the system and present a cost and associated material and human damage.
  • the regulations applicable in the transport and handling of explosive materials require special, cumbersome and costly conditions to set up.
  • WO 2009/008794 A1 describes a method and a system for mixing and igniting a pyrotechnic charge.
  • the object of the invention is to solve all of the technical problems mentioned above, and in particular the technical and regulatory problems linked to the use of energetic materials made up.
  • the invention aims to provide an energy composition having a very high level of safety from a pyrotechnic point of view, in particular to facilitate the muratization of the systems including it.
  • the object of the invention is in particular to provide an energy composition which does not activate following accidental stresses which may occur during the life cycle of the product.
  • the invention also aims to provide an energy composition available only when it is necessary and without affecting its energy performance.
  • the invention also aims to provide a method for activating this energy composition, and devices implementing it.
  • the invention relates to an energy composition capable of being activated by mixing its elementary constituents which are individually inert.
  • the invention relates to an energy composition
  • an energy composition comprising ferromagnetic or magnetized particles, of micrometric to centimeter size, called motor particles, and at least two types of powdery solid compounds of nanometric size initially physically separated, called inert precursors of final energy composition, said precursors.
  • a redox system comprising an oxidizing composition and a reducing composition, said energetic composition being capable of being activated from the pyrotechnic point of view by mixing inert precursors of final energetic composition by agitation of said driving particles either by means of a varying magnetic field as a function of time.
  • the energetic composition of the invention comprises at least two types of precursor compounds, which physically separated, are inactive from the pyrotechnic point of view, but become active from the pyrotechnic point of view when they are mixed.
  • the composition of the invention is therefore an inert composition from the pyrotechnic point of view which becomes active after contacting the precursors with one another.
  • the invention therefore consists of an energy composition which can be activated from the pyrotechnic point of view by mixing its elementary constituents by means of a magnetic field varying over time and applying directly to the particles.
  • the elementary constituents making it possible to activate the energy composition are the precursors of final energy composition.
  • active or “activated” from the pyrotechnic point of view means making the composition sufficiently energy for its use in a pyrotechnic device, in particular as a priming composition.
  • the size of the driving particles must be sufficient to drive the precursors in motion and ensure their mixing. However, the inertia should not be too great in order to avoid igniting the composition under the effects of shocks or friction produced by the movements of the driving particles.
  • the size of the driving particles is generally between 0.1 and 10,000 micrometers.
  • the driving particles generally have a geometric shape displacing as much of the surrounding material as possible when they move.
  • the driving particles are preferably in the form of plates or strips, possibly notched.
  • the ferromagnetic driving particles which are directly animated by the magnetic field, are chosen from iron, cobalt, nickel, a Heusler alloy, the family of lanthanides, mixed oxides of iron II and iron III, and ferrites.
  • Ferrites can be defined by the formula (MO; Fe 2 O 3 ) where M is a divalent metal.
  • MO magnetite Fe 3 O 4 (FeO; Fe 2 O 3 ).
  • the magnetized driving particles which are directly animated by the magnetic field, are chosen from permanent magnets.
  • the permanent magnets mention may be made of Nd-B-Fe, coordination chemistry magnets such as the compounds [M II (Rtrz) 3 ] A 2 ⁇ xH 2 O where the metal ions M (Fe ", Zn") are linked together by triazole ligands (trz) grafted in position 4 by a group R (generally an alkyl chain), A - corresponds to the counterion used, for example Cl - or the ion paratolylsufonate; organo-metallic magnets such as [Fe (Me 5 Cp) 2 ] [TCNE], where Me 5 Cp is pentamethylcyclopentadienyl and TCNE tetracyanoethylene or V (TCNE) 2 (vanadium di-tetracyanoethylenide); and purely organic magnets.
  • the precursors of the final energy composition form a redox system comprising an oxidizing composition and a reducing composition.
  • the oxidizing composition and the reducing composition are physically separated by an intermediate layer which can include driving particles.
  • the thickness of the layer of driving particles is between 0.2 and 5 mm, and may for example be around 1 mm.
  • the oxidizing composition and the reducing composition may or may not each comprise driving particles.
  • the energetic composition is activated by agitation of the driving particles which penetrate and move through the oxidizing composition and the reducing composition. Under the effect of the agitation of the driving particles, the oxidizing and reducing compositions mix, thus activating the energetic composition.
  • the content of motor particles necessary for ensuring the mixture is between 1 and 20%, and preferably between 1 and 5%, by mass of the total mass of the energy composition. This proportion remains modest and is not high enough to significantly alter the energy performance of the final activated composition.
  • the homogenization of the energy composition is all the more effective the smaller the particles of the precursors.
  • the precursors of the final energy composition are powders of nanometric size.
  • the diameter of the elementary particles is generally between 1 and 300 nm, and preferably less than 100 nm.
  • the agitation of the driving particles allows the proliferation of the precursors, promotes their interpenetration, and consequently, promotes the efficiency and the homogeneity of the mixture.
  • the size of the driving particles is at least an order of magnitude greater than that of the larger aggregates of the precursor particles.
  • An ideal size of the driving particles is between 1 ⁇ m and one centimeter.
  • the precursors of the final energy composition are constituents of nanothermites.
  • Nanothermites (“metastable intermolecular composites” - MICs) are a very fine mixture, on a nanometric scale, of an oxidant and a reducing agent.
  • nanothermites include aluminum-molybdenum oxide (VI) compositions, such as Al-MoO 3 ; aluminum-copper (II) oxide compositions, such as Al-CuO; Aluminum-iron oxide compositions (II, III), such as Al-Fe 2 O 3 ; aluminum-tungsten oxide (VI) compositions, such as Al-WO 3 ; aluminum-bismuth (III) oxide compositions, such as Al-Bi 2 O 3 ; aluminum-manganese (IV) compositions, such as Al-MnO 2 ; mixtures of potassium permanganate with antimony; mixtures of potassium permanganate with aluminum, such as Al-KMnO 4 ; mixtures of potassium permanganate with boron, such as B-KMnO 4 ; aluminum-tungsten (VI) oxide hydrates; Titanium-boron compounds, and aluminum-fluoropolymers.
  • Nanothermites can also be formulated in mixing metal oxide powders with reducing metals such as boron, magnesium,
  • PTFE or other fluoropolymers can be used as binders for nanothermites.
  • Nanothermites are advantageous since they have an energy potential and a thermal sensitivity allowing ignition by hot wire, detonating wire, laser pulse, flame, plasma or capacitive discharge.
  • Their constituents, metals or metallic oxides have excellent stability over time, including under extreme conditions (temperature variations, etc.). This last characteristic is of capital importance for the development of systems which can be integrated into missiles.
  • the energetic composition of the invention can be complex and include organic, energetic or inert molecules, used for example as gas-generating substances, such as propellants for example.
  • the energetic composition of the invention can advantageously constitute an ignition or priming composition for a pyrotechnic system.
  • the invention also relates to a device comprising one or more inactive energy compositions as defined above, and one or more magnetic field generating means varying as a function of time to activate said energy composition from the pyrotechnic point of view.
  • the position of the field lines varies as a function of time.
  • the magnetic field is rotated. This can be done simply by rotating the magnetic field generating means or means.
  • the magnetic field generating means is chosen from one or more mechanically movable permanent magnets, one or more solenoids, one or more electromagnets supplied by an oscillating or direct current source, and any one of their combinations .
  • the magnetic field generating means are arranged around said inactive energy composition, and preferably generate a magnetic field passing substantially through all of the energy composition.
  • the device of the invention comprises a drive means, such as a motor, driving in rotation the magnetic field generator means for agitating the driving particles in order to bring the precursors into contact with each other, and thus generate the energetic composition activated.
  • a drive means such as a motor, driving in rotation the magnetic field generator means for agitating the driving particles in order to bring the precursors into contact with each other, and thus generate the energetic composition activated.
  • the device of the invention is integrated into a pyrotechnic system, and for example a military pyrotechnic system.
  • the invention therefore covers in particular a military charge, a shell, a rocket, a missile in particular an interception or cruise missile, or any other armament comprising a pyrotechnic system according to the invention.
  • the invention also covers systems for very high security detonators used in civil applications.
  • the device of the invention is integrated into an igniter, a detonator or an element of a pyrotechnic system, in particular a military system.
  • a device provides a very high level of security, making it easier to obtain the MURAT label.
  • the architecture of the device used to vary the magnetic field depends on the nature of the substances to be mixed and on the specifics of the intended application.
  • the device of the invention can take any geometry suitable for mixing the precursors by stirring the driving particles under the influence of the magnetic field alone or associated with a complementary mixing means.
  • the pyrotechnic systems of the invention are centimeter-sized systems (such as igniters or detonators).
  • the invention allows the activation of the energy composition of a pyrotechnic system in the moments preceding its ignition. Before activation is triggered, the pyrotechnic system is completely inert since the primary elements of the energy composition, which are insensitive separately, are not associated.
  • the precursor compositions (for example oxidizing and reducing compositions) of the invention can be separated by a physical separation system, for example by a membrane or a diaphragm.
  • This physical separation system can be eliminated just before mixing the two precursor compositions, for example by perforation or opening.
  • the device of the invention can therefore comprise a means of perforating or opening the physical separation system.
  • the magnetic field is produced by one or more mechanically movable permanent magnets and / or by one or more solenoids and / or one or more electromagnets supplied by an oscillating or direct current source.
  • an assembly of solenoids can be used to displace the driving particles throughout the volume occupied by the activated composition.
  • the fields generated are thus controlled in order to ensure a movement allowing the effective homogenization of the constituents of the composition.
  • the method of the invention makes it possible to mix the precursors with a mixing time compatible for the use of the composition in a pyrotechnic system, for example in a missile.
  • the mixing time is of the order of a few seconds (interception missile) to a few minutes (cruise missile).
  • the mixing time is between 0.1 seconds and 5 minutes.
  • the stirring or the mixing is carried out until a homogeneous energetic composition is obtained, that is to say that the precursors are intimately mixed.
  • the driving particles are removed from the mixture, in particular by the action of a stronger magnetic field.
  • the energy composition after activation of the energy composition, it can be compressed.
  • the figure 1 shows a schematic section of a variant of the invention in which an oxidizing composition (10) is deposited at the bottom of a cup (60), said oxidizing composition (10) comprising driving particles (30).
  • a reducing composition (20) is deposited on the surface of the oxidizing composition (10).
  • the cup (60) is positioned inside a magnetic field generating means (or inductor) (50), such as a stator, for example of annular shape (not shown in the figure).
  • the inductor (50) can be connected to one or more electrical supply devices in order to activate or not the magnetic field.
  • the inductor (50) is preferably connected to a device for driving in rotation along the axis (70). This device can typically be a motor.
  • the bucket (60) is preferably kept fixed during the rotation of the inductor (50).
  • the energy composition (system (oxidizing (10) / reducing (20) ⁇ ) composition) is inactive, but may be activated by rotating the inductor (50) in operation.
  • the driving particles (30) are set in motion by the induced magnetic field so as to mix the oxidizing (10) and reducing (20) compositions.
  • inductor (50) in operation is meant the fact that it generates a magnetic field passing through the oxidizing (210) and reducing (220) compositions.
  • the stacking direction of the layers shown on the Figures 1 and 2 can be reversed (parallel to the axis of rotation (70)) if such a configuration has a better yield in terms of ability to mix. All other intermediate orientations can be retained if they are of interest, given the nature of the products to be mixed and the method of agitation.
  • the figure 2 shows a schematic section of another variant of this device in which the cup (260) contains an oxidizing composition (210) on which has been deposited a layer of driving particles (230) on which has been deposited a reducing layer (220) .
  • the layer of motor particles (230) makes it possible to isolate the oxidizing (210) and reducing (220) compositions.
  • This total composition system (oxidizing (10) / reducing (20)) composition)
  • the compositions are mixed by rotating along the axis (270) of the inductor (250) in operation which mixes the oxidizing (210) and reducing (220) compositions due to the setting in movement of the driving particles (230) by the induced magnetic field.
  • the mixing is carried out until a homogeneous composition is obtained with an intimate mixture of the oxidizing (10,210) and reducing (20,220) compositions.

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Description

  • La présente invention concerne le domaine des compositions énergétiques, et en particulier des compositions énergétiques qui peuvent être intégrées dans des systèmes pyrotechniques, notamment de l'industrie militaire ou spatiale, comme les inflammateurs, les détonateurs ou des dispositifs intégrant ces éléments.
  • La composition énergétique est considérée comme étant l'élément primaire de la chaîne. La composition énergétique utilisée en début de la chaîne pyrotechnique est le plus souvent une composition sensible (composition primaire) afin de permettre la mise en régime de la chaîne pyrotechnique. Du fait de leur sensibilité élevée, il est nécessaire de se prémunir du fonctionnement accidentel de ces dernières.
  • Le fonctionnement normal du système pyrotechnique est généralement mis en oeuvre par un effet mécanique, thermique ou électrique, de faible puissance.
  • Un fonctionnement accidentel conduisant au déclenchement de la chaîne pyrotechnique peut causer des dommages importants, que ce soit en termes humain ou de matériel. Il est nécessaire de se prémunir d'un fonctionnement accidentel des compositions énergétiques pour en assurer un niveau de sécurité compatible avec les exigences de muratisation du système (en référence au label MURAT - « Munition à Risques Atténués », ou IM - « Insensitive Munitions » en anglais). Une munition possédant le label MURAT est une munition qui satisfait aux conditions exigées en matière de performances, de disponibilité et de mise en oeuvre, mais pour laquelle on a réduit au minimum la probabilité d'un fonctionnement intempestif et des dommages collatéraux qui en résulteraient lorsqu'elle est soumise à des sollicitations accidentelles. Le caractère MURAT d'une munition en constitue une performance intrinsèque, indépendante du cycle de vie, définie pour une configuration donnée. Les labels MURAT sont définis dans l'instruction DGA/IPE n° 260 édition de juillet 1993 : "Doctrine nationale française en matière de munitions à risques atténués".
  • Des procédés classiques de désensibilisation d'un matériau énergétique consistent à élever le seuil de sensibilité aux différentes formes de sollicitations, au détriment de sa performance. Il existe plusieurs variantes de ce procédé, ayant trait aux explosifs intrinsèques, tels que la nitroglycérine ( A. Nobel, brevet US 78,317 (1868) ), l'azoture de plomb (Société d'études chimiques pour l'industrie, brevet FR 499,506 (1918) ), ainsi qu'aux compositions énergétiques (R.L. Simpson et al., brevets US 6,666,935 (2003) et US 6893518 (2005) . Malgré la diminution du niveau de sensibilité, la substance reste intrinsèquement énergétique.
  • Actuellement les besoins industriels sont satisfaits par la préparation de substances énergétiques primaires pouvant être désensibilisés par ingénierie des matériaux. L'exemple le plus connu est celui du procédé d'Alfred Nobel pour désensibiliser aux chocs la nitroglycérine en l'imprégnant dans différentes substances poreuses. La dynamite ainsi obtenue, quoiqu'elle soit peu sensible, demeure un explosif susceptible de détoner sous l'effet d'une sollicitation d'intensité suffisamment élevée. Ce type de procédé insensibilise le matériau au détriment de ses performances. En d'autres termes, un matériau énergétique primaire n'est jamais rendu totalement inerte.
  • Le désalignement des éléments primaires d'une chaîne pyrotechnique constitue un artifice physique permettant d'atteindre le niveau de sécurité requis en séparant les éléments actifs de la chaine pyrotechnique et à ne les réunir qu'au moment où cela est nécessaire, dans les conditions de tir ou d'allumage prévues.
  • Les procédés actuellement utilisés impliquent l'intégration de substances énergétiques sensibles susceptibles de donner lieu à une réaction pyrotechnique en cas de sollicitations accidentelles au cours du stockage ou de l'utilisation, dans des armements ou d'autres systèmes qui les contiennent. Ces sollicitations peuvent intervenir lors de la manutention, du vieillissement, d'un incendie, ou par un coup au but, etc. Les conséquences d'une réaction pyrotechnique accidentelle peuvent aller de la neutralisation à la destruction du système et présenter un coût et des dommages matériels et humains associés. Enfin, la réglementation applicable dans le transport et la manipulation des matières explosives nécessite des conditions particulières, lourdes et coûteuses à mettre en place.
  • La séparation initiale des phases constitutives de la composition primaire de la chaîne pyrotechnique est actuellement une technique de désensibilisation ultime du matériau énergétique. De plus, ce procédé résout les problèmes provenant des contraintes réglementaires s'appliquant à toute substance pyrotechnique (stockage, installations classées, transport) compte tenu de l'absence de matériau énergétique constitué. Les documents US 5,699,842 , US 3,987,967 A , US 4,632,316 A et A RAKOCZY R ET AL: "Studies of a mixing process induced by a transverse rotating magnetic field", CHEMICAL ENGINEERING SCIENCE, vol. 66, no. 11, 1 juin 2011 (2011-06-01), pages 2298-2308, divulguent des procédés de mélanges de poudres par génération de champs magnétiques.
  • Le document WO 2009/008794 A1 décrit une méthode et un système de mélange et d'ignition d'une charge pyrotechnique.
    • Buts de l'invention
  • L'invention a pour but de résoudre l'ensemble des problèmes techniques mentionnés ci-dessus, et en particulier les problèmes techniques et réglementaires liés à l'emploi de matériaux énergétiques constitués.
  • En particulier, l'invention a pour but de fournir une composition énergétique présentant un très haut niveau de sécurité du point de vue pyrotechnique, notamment pour faciliter la muratisation des systèmes l'incluant.
  • L'invention a notamment pour but de fournir une composition énergétique qui ne s'active pas suite à des sollicitations accidentelles pouvant intervenir lors du cycle de vie du produit.
  • L'invention a également pour but de fournir une composition énergétique disponible uniquement lorsqu'elle est nécessaire et sans affecter ses performances énergétiques.
  • L'invention a également pour but de fournir un procédé permettant d'activer cette composition énergétique, et de dispositifs le mettant en oeuvre.
    • Description de l'invention
  • L'invention concerne une composition énergétique susceptible d'être activée en mélangeant ses constituants élémentaires individuellement inertes.
  • L'invention concerne une composition énergétique comprenant des particules ferromagnétiques ou aimantées, de dimension micrométrique à centimétrique, dites particules motrices, et au moins deux types de composés solides pulvérulents de dimension nanométrique initialement physiquement séparés, dits précurseurs inertes de composition énergétique finale, lesdits précurseurs formant un système redox comprenant une composition oxydante et une composition réductrice, ladite composition énergétique étant susceptible d'être activée du point de vue pyrotechnique par mélange des précurseurs inertes de composition énergétique finale par agitation desdites particules motrices soit au moyen d'un champ magnétique variant en fonction du temps.
  • La composition énergétique de l'invention comprend au moins deux types de composés précurseurs, qui physiquement séparés, sont inactifs du point de vue pyrotechnique, mais deviennent actifs du point de vue pyrotechnique lorsqu'ils sont mélangés. La composition de l'invention est donc une composition inerte du point de vue pyrotechnique qui devient active après mise en contact des précurseurs entre eux.
  • L'invention consiste donc en une composition énergétique qui peut être activée du point de vue pyrotechnique en mélangeant ses constituants élémentaires au moyen d'un champ magnétique variant au cours du temps et s'appliquant directement sur les particules. Les constituants élémentaires permettant d'activer la composition énergétique sont les précurseurs de composition énergétique finale. On entend par « actif » ou « activé » du point de vue pyrotechnique le fait de rendre la composition suffisamment énergétique pour son utilisation dans un dispositif pyrotechnique, notamment en tant que composition d'amorçage.
  • La taille des particules motrices doit être suffisante pour entraîner les précurseurs en mouvement et en assurer le mélange. Toutefois, l'inertie ne doit pas être trop importante afin d'éviter la mise à feu de la composition sous les effets de chocs ou de friction produits par les mouvements des particules motrices. Le dimensionnel des particules motrices est généralement compris entre 0,1 et 10000 micromètres.
  • Les particules motrices présentent généralement une forme géométrique déplaçant la plus grande quantité possible de matières les environnant lorsqu'elles entrent en mouvement. À cet effet, les particules motrices se présentent de préférence sous forme de plaquettes ou lamelles, éventuellement crantées.
  • Selon un mode de réalisation, les particules motrices ferromagnétiques, qui sont directement animées par le champ magnétique, sont choisies parmi le fer, le cobalt, le nickel, un alliage d'Heusler, la famille des lanthanides, oxydes mixtes de fer II et de fer III, et les ferrites. Les ferrites peuvent être définis par la formule (MO ; Fe2O3) où M est un métal divalent. Un représentant bien connu est la magnétite Fe3O4 (FeO ; Fe2O3).
  • Selon un autre mode de réalisation, les particules motrices aimantées, qui sont directement animées par le champ magnétique, sont choisies parmi les aimants permanents. Parmi les aimants permanents on peut citer le Nd-B-Fe, les aimants de chimie de coordination comme les composés [MII(Rtrz)3]A2·xH2O où les ions métalliques M (Fe", Zn") sont reliés entre eux par des ligands triazole (trz) greffés en position 4 par un groupement R (généralement une chaîne alkyle), A- correspond au contre-ion utilisé, par exemple Cl- ou l'ion paratolylsufonate ; les aimants organo-métalliques comme par exemple le [Fe(Me5Cp)2][TCNE], où Me5Cp est le pentaméthylcyclopentadiényl et TCNE le tétracyanoéthylène ou le V(TCNE)2 (di-tétracyanoéthylénure de vanadium); et les aimants purement organiques.
  • Les précurseurs de la composition énergétique finale forment un système redox comprenant une composition oxydante et une composition réductrice.
  • Selon un mode de réalisation particulier, la composition oxydante et la composition réductrice sont physiquement séparées par une couche intermédiaire pouvant inclure des particules motrices. Typiquement l'épaisseur de la couche de particules motrices est comprise entre 0,2 et 5 mm, et peut être par exemple d'environ 1 mm. La séparation de la composition oxydante de la composition réductrice par la couche de particules motrices permet une inactivation encore plus fiable de la composition énergétique.
  • Selon un autre mode de réalisation particulier, la composition oxydante et la composition réductrice, séparées physiquement, par exemple par une membrane, un opercule ou un diaphragme, comprennent ou non chacune des particules motrices.
  • La composition énergétique est activée par agitation des particules motrices qui pénètrent et se déplacent dans la composition oxydante et la composition réductrice. Sous l'effet de l'agitation des particules motrices, les compositions oxydante et réductrice se mélangent, activant ainsi la composition énergétique.
  • En général, la teneur en particules motrices nécessaire pour assurer le mélange se situe entre 1 et 20 %, et de préférence entre 1 et 5%, en masse de la masse totale de la composition énergétique. Cette proportion reste modeste et n'est pas suffisamment élevée pour altérer significativement les performances énergétiques de la composition finale activée.
  • L'homogénéisation de la composition énergétique est d'autant plus efficace que les particules des précurseurs sont de petites tailles. Selon un mode de réalisation, les précurseurs de la composition énergétique finale sont des poudres de dimension nanométrique. Le diamètre des particules élémentaires est généralement compris entre 1 et 300 nm, et de préférence inférieure à 100 nm. L'agitation des particules motrices permet le foisonnement des précurseurs, en favorise l'interpénétration, et par conséquent, favorise l'efficacité et l'homogénéité du mélange.
  • De préférence, la taille des particules motrices est supérieure d'au moins un ordre de grandeur à celle des plus gros agrégats des particules de précurseurs. Une taille idéale des particules motrices se situe entre 1 µm et un centimètre.
  • De préférence, les précurseurs de la composition énergétique finale sont des constituants des nanothermites. Les nanothermites (« metastable intermolecular composites » - MICs) sont un mélange très fin, à l'échelle nanométrique, d'un oxydant et d'un réducteur.
  • Parmi les nanothermites on peut citer les compositions aluminium-oxyde de molybdène(VI), comme Al-MoO3; les compositions aluminium-oxyde de cuivre(II), comme Al-CuO; les compositions Aluminium-oxydes de fer(II,III), comme Al-Fe2O3; les compositions aluminium-oxyde de tungstène(VI), comme Al-WO3; les compositions aluminium-oxyde de bismuth(III), comme Al-Bi2O3; les compositions aluminium-oxyde de manganèse(IV), comme Al-MnO2; les mélanges de permanganate de potassium avec de l'antimoine ; les mélanges de permanganate de potassium avec de l'aluminium, comme Al-KMnO4; les mélanges de permanganate de potassium avec du bore, comme B-KMnO4; les hydrates d'oxydes aluminium-tungsten(VI); les composés Titane-bore, et les aluminium-fluoropolymères. Des nanothermites peuvent également être formulées en mélangeant des poudres d'oxydes métalliques avec des métaux réducteurs tels que le bore, le magnésium, le titane, le zirconium, le hafnium, le zinc ainsi que certains éléments appartenant à la famille des terres rares.
  • Le PTFE ou d'autres fluoropolymères peuvent être utilisés comme liants des nanothermites.
  • Les nanothermites sont avantageuses puisqu'elles possèdent un potentiel énergétique et une sensibilité thermique permettant un allumage par fil chaud, fil détonant, impulsion laser, flamme, plasma ou décharge capacitive. Leurs constituants, métaux ou oxydes métalliques, possèdent une excellente stabilité dans le temps, y compris en conditions extrêmes (variations de températures, etc.). Cette dernière caractéristique revêt une importance capitale pour le développement de systèmes intégrables dans des missiles.
  • La composition énergétique de l'invention peut être complexe et comprendre des molécules organiques, énergétiques ou inertes, utilisées par exemple en tant que substances génératrices de gaz, comme des propergols par exemple.
  • En outre la composition énergétique de l'invention peut constituer avantageusement une composition d'allumage ou d'amorçage d'un système pyrotechnique.
  • L'invention concerne également un dispositif comprenant une ou plusieurs compositions énergétiques inactives telles que définies précédemment, et un ou plusieurs moyens générateurs de champ magnétique variant en fonction du temps pour activer ladite composition énergétique du point de vue pyrotechnique.
  • De préférence la position des lignes de champ varie en fonction du temps. Par exemple le champ magnétique est mis en rotation. Ceci peut s'effectuer simplement en mettant en rotation le ou les moyens générateurs de champ magnétique.
  • Selon un mode de réalisation, le moyen générateur de champ magnétique est choisi parmi un ou plusieurs aimants permanents mécaniquement mobiles, un ou plusieurs solénoïdes, un ou plusieurs électroaimants alimentés par une source de courant oscillant ou continu, et l'une quelconque de leurs combinaisons.
  • Avantageusement, les moyens générateurs de champ magnétique sont disposés autour de ladite composition énergétique inactive, et génèrent de préférence un champ magnétique traversant sensiblement l'ensemble de la composition énergétique.
  • Selon une variante, le dispositif de l'invention comprend un moyen d'entraînement, tel qu'un moteur, entraînant en rotation le moyen générateur de champ magnétique pour agiter les particules motrices afin de mettre en contact les précurseurs entre eux , et ainsi générer la composition énergétique activée.
  • On peut prévoir que le dispositif comprenne un moyen d'activation du champ magnétique à distance.
  • Selon une variante préférée, le dispositif de l'invention est intégré dans un système pyrotechnique, et par exemple un système pyrotechnique militaire. L'invention couvre donc en particulier une charge militaire, un obus, une roquette, un missile notamment un missile d'interception ou de croisière, ou tout autre armement comprenant un système pyrotechnique selon l'invention. L'invention couvre également des systèmes pour détonateurs de très haute sécurité utilisés dans le cadre d'applications civiles.
  • Typiquement le dispositif de l'invention est intégré dans un inflammateur, un détonateur ou un élément de système pyrotechnique, notamment militaire. Un tel dispositif procure un niveau de sécurité très important facilitant l'obtention du label MURAT.
  • L'architecture du dispositif utilisé pour faire varier le champ magnétique dépend de la nature des substances à mélanger et des spécificités de l'application envisagée. Ainsi le dispositif de l'invention peut prendre toute géométrie appropriée au mélange des précurseurs par l'agitation des particules motrices sous l'influence du champ magnétique seul ou associé à un moyen de mélange complémentaire.
  • Les systèmes pyrotechniques de l'invention sont des systèmes de dimension centimétrique (telles que des inflammateurs ou détonateurs).
  • L'invention permet l'activation de la composition énergétique d'un système pyrotechnique dans les instants qui précèdent sa mise à feu. Avant le déclenchement de l'activation, le système pyrotechnique est totalement inerte puisque les éléments primaires de la composition énergétique, qui sont insensibles séparément, ne sont pas associés.
  • Pour assurer une sécurité maximale, les compositions de précurseurs (par exemple compositions oxydante et réductrice) de l'invention peuvent être séparées par un système de séparation physique, par exemple par une membrane ou un diaphragme. Ce système de séparation physique peut être éliminé juste avant mélange des deux compositions de précurseurs, par exemple par perforation ou ouverture. Le dispositif de l'invention peut donc comprendre un moyen de perforation ou d'ouverture du système de séparation physique.
  • L'invention concerne également un procédé d'activation d'une composition énergétique, dans lequel ladite composition énergétique comprend des particules ferromagnétiques ou aimantées de dimension micrométrique à centimétrique, dites particules motrices, et au moins deux types de composés solides pulvérulents de dimension nanométrique initialement physiquement séparés, dits précurseurs inertes de composition énergétique finale, cette composition étant telle que définie précédemment, ledit procédé comprenant :
    1. (i) l'agitation desdites particules motrices soit au moyen d'un champ magnétique variant en fonction du temps pour mélanger les précurseurs de la composition énergétique, et
    2. (ii) l'activation de la composition énergétique par mise en contact des précurseur inertes entre eux.
  • Typiquement, le champ magnétique est produit un ou plusieurs aimants permanents mécaniquement mobiles et/ou par un ou plusieurs solénoïdes et/ou un ou plusieurs électroaimants alimentés par une source de courant oscillant ou continu.
  • Par exemple, un assemblage de solénoïdes peut être utilisé pour déplacer les particules motrices dans la totalité du volume qu'occupe la composition activée. Les champs générés sont ainsi contrôlés afin d'assurer un mouvement permettant l'homogénéisation efficace des constituants de la composition.
  • Le procédé de l'invention permet de mélanger les précurseurs avec un temps de mélange compatible pour l'utilisation de la composition dans un système pyrotechnique, par exemple dans un missile. Le temps de mélange est de l'ordre de quelques secondes (missile d'interception) à quelques minutes (missile de croisière). Typiquement le temps de mélange est compris entre 0,1 seconde et 5 minutes. De préférence, l'agitation ou le mélange est réalisé jusqu'à l'obtention d'une composition énergétique homogène, c'est-à-dire que les précurseurs soient intimement mélangés.
  • Selon une variante, après activation de la composition énergétique, les particules motrices sont retirées du mélange, notamment par l'action d'un champ magnétique plus puissant.
  • Selon une variante, après activation de la composition énergétique, celle-ci peut être comprimée.
  • Le procédé de l'invention consiste donc à produire une composition énergétique au moment où elle doit être utilisée, à partir de précurseurs inertes. Parmi les avantages découlant de la mise en oeuvre de ce procédé on peut notamment citer :
    • un niveau de sécurité très élevé voire absolu, le matériau énergétique n'étant formé qu'au moment de son utilisation ;
    • les performances du matériau énergétique ne sont pas altérées dans le temps ;
    • les contraintes réglementaires inhérentes à la fabrication, la manipulation, le stockage, le transport et la mise en oeuvre des substances énergétiques sont sans objet ;
    • la compacité du système intégrant le dispositif de l'invention permet d'envisager l'embarquement dans différents systèmes militaires ou spatiaux ;
    • le procédé est particulièrement adapté à la fabrication d'une composition d'amorçage, ce qui élève de manière considérable le niveau de muratisation des armements dans lesquels elle peut être intégrée.
  • La figure 1 représente une coupe schématique d'une variante de l'invention dans laquelle une composition oxydante (10) est déposée au fond d'un godet (60), ladite composition oxydante (10) comprenant des particules motrices (30). Une composition réductrice (20) est déposée à la surface de la composition oxydante (10).
  • Le godet (60) est positionné à l'intérieur d'un moyen générateur de champ magnétique (ou inducteur) (50), tel qu'un stator, par exemple de forme annulaire (non représentée sur la figure). L'inducteur (50) peut être relié à un ou plusieurs dispositifs d'alimentation électrique afin d'activer ou non le champ magnétique. L'inducteur (50) est de préférence relié à un dispositif d'entraînement en rotation selon l'axe (70). Ce dispositif peut être typiquement un moteur. Le godet (60) est de préférence maintenu fixe lors de la rotation de l'inducteur (50). La composition énergétique (système {composition oxydante (10) /réductrice (20)}) est inactive, mais peut-être activée par la mise en rotation de l'inducteur (50) en fonctionnement. Les particules motrices (30) sont mises en mouvement par le champ magnétique induit de manière à mélanger les compositions oxydante (10) et réductrice (20). On entend par inducteur (50) en fonctionnement le fait qu'il génère un champ magnétique traversant les compositions oxydante (210) et réductrice (220). Le sens d'empilement des couches représentés sur les figures1 et 2 (orthogonal à l'axe de rotation (70)) peut être inversé (parallèle à l'axe de rotation (70)) si une telle configuration présente un meilleur rendement en terme d'aptitude au mélange. Toutes autres orientations intermédiaires peuvent être retenues si elles présentent un intérêt compte-tenu de la nature des produits à mélanger et du mode d'agitation.
  • La figure 2 représente une coupe schématique d'une autre variante de ce dispositif dans lequel le godet (260) contient une composition oxydante (210) sur laquelle a été déposée une couche de particules motrices (230) sur laquelle a été déposée une couche réductrice (220). La couche de particules motrices (230) permet d'isoler les compositions oxydantes (210) et réductrices (220). Cette composition totale (système {composition oxydante (10) /réductrice (20)}) est alors inactive. De la même manière le mélange des compositions est réalisé par la mise en rotation selon l'axe (270) de l'inducteur (250) en fonctionnement qui mélange les compositions oxydante (210) et réductrice (220) du fait de la mise en mouvement des particules motrices (230) par le champ magnétique induit.
  • De préférence, le mélange est réalisé jusqu'à l'obtention d'une composition homogène avec un mélange intime des compositions oxydante (10,210) et réductrice (20,220).

Claims (15)

  1. Composition énergétique inactive comprenant des particules ferromagnétiques ou aimantées de dimension micrométrique à centimétrique, dites particules motrices, et au moins deux types de composés solides pulvérulents de dimension nanométrique physiquement séparés, dits précurseurs inertes de composition énergétique finale, lesdits précurseurs formant un système redox comprenant une composition oxydante et une composition réductrice, ladite composition énergétique étant susceptible d'être activée du point de vue pyrotechnique par mélange desdits précurseurs inertes de composition énergétique finale par agitation desdites particules motrices au moyen d'un champ magnétique variant en fonction du temps.
  2. Composition, selon la revendication 1, caractérisée en ce que les particules motrices ferromagnétiques sont choisies parmi le fer, le cobalt, le nickel, un alliage d'Heusler, la famille des lanthanides, oxydes mixtes de fer II et de fer III, et les ferrites.
  3. Composition, selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les particules motrices aimantées sont choisies parmi les aimants permanents.
  4. Composition, selon la revendication 1, caractérisée en ce que la composition oxydante et la composition réductrice sont physiquement séparées par une couche intermédiaire pouvant inclure des particules motrices.
  5. Composition, selon la revendication 1, caractérisée en ce que la composition oxydante et la composition réductrice, séparées physiquement, par exemple par une membrane, un diaphragme ou un opercule, comprennent ou non chacune des particules motrices.
  6. Composition, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les précurseurs de la composition énergétique finale sont des constituants des nanothermites.
  7. Dispositif comprenant une ou plusieurs compositions énergétiques inactives telles que définies aux revendications précédentes, et un ou plusieurs moyens générateurs de champ magnétique variant en fonction du temps pour activer ladite composition énergétique du point de vue pyrotechnique.
  8. Dispositif, selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le moyen générateur de champ magnétique est choisi parmi un ou plusieurs aimants permanent mécaniquement mobiles, un ou plusieurs solénoïdes, un ou plusieurs électroaimants alimentés par une source de courant oscillant ou continu, et l'une quelconque de leurs combinaisons.
  9. Dispositif, selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que les moyens générateurs de champ magnétique sont disposés autour de ladite composition énergétique inactive.
  10. Dispositif, selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen d'activation du champ magnétique à distance.
  11. Système pyrotechnique ou élément de système pyrotechnique dans lequel est intégré un dispositif, selon l'une quelconque des revendications 7 à 10.
  12. Procédé d'activation d'une composition énergétique inactive, dans laquelle ladite composition énergétique inactive comprend des particules ferromagnétiques ou aimantées de dimension micrométrique à centimétrique, dites particules motrices, et au moins deux types de composés solides pulvérulents de dimension nanométrique initialement physiquement séparés, dits précurseurs inertes de composition énergétique finale, ladite composition inactive étant telle que définie selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, ledit procédé comprenant :
    (i) l'agitation desdites particules motrices au moyen d'un champ magnétique variant en fonction du temps pour mélanger les précurseurs inertes de la composition énergétique inactive, et
    (ii) l'activation de la composition énergétique inactive par mise en contact des précurseurs inertes entre eux.
  13. Procédé, selon la revendication 12, caractérisé en ce que le champ magnétique est produit par un ou plusieurs aimants permanents mécaniquement mobiles et/ou par un ou plusieurs solénoïdes et/ou un ou plusieurs électroaimants alimentés par une source de courant oscillant ou continu.
  14. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 12 et 13, caractérisé en ce qu'après activation de la composition énergétique, les particules motrices sont retirées du mélange, notamment par l'action d'un champ magnétique plus puissant.
  15. Procédé, selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé en ce qu'après activation de la composition énergétique, la composition est comprimée.
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