KR101837837B1 - 다공 구조의 반응물질 구조체 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

제안기술은 다공 구조의 반응성 케이스 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반응성 금속 물질을 포함한 케이스의 폭발 시 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도를 증가시키기 위해 케이스를 다공 구조로 형성한 다공 구조의 반응성 케이스 및 그 제조 방법에 관한 발명이다.

Description

다공 구조의 반응물질 구조체 및 그 제조 방법{Reactive case manufacturing method of the porous structure of manufacturing method thereof}

제안기술은 다공 구조의 반응물질 구조체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반응성 금속 물질을 포함한 케이스의 폭발 시 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도를 증가시키기 위해 케이스를 다공 구조로 형성한 다공 구조의 반응물질 구조체 및 그 제조 방법에 관한 발명이다.

일반적으로 폭발물인 탄두(2)는 도 1에 도시된 바와 같이, 비 반응성의 케이스(8) 내부에 화약(4)을 장입하거나, 비 반응성의 케이스(8) 내부에 화약(4)과 반응성 물질을 같이 장입하는 구조로 구성된다.

상기와 같은 구성에서 벗어나 최근 일부 선진국에서는 반응성 물질 자체로 케이스를 만들고 그 내부에 화약을 장입하도록 구성하여 사용하고 있다. 즉, 반응하는 두 물질 중 어느 하나의 물질로 케이스를 제작하고 다른 하나의 물질을 케이스에 장입하도록 구성하여, 케이스와 케이스 내부에 장입된 반응물질이 서로 반응하도록 하는 것이다.

이러한 구성은 앞서 설명한 탄두의 구성과는 다른 구성으로 이루어지지만 전체적인 형상 및 구조는 고전적인 탄두 설계 기법을 적용한 기술에 머물러 있다.

또한, 종래의 구성에서의 일반적인 화약은 유기 반응의 가스 상태에서 주반응 현상이 일어나기 때문에 화약이 폭발하여 완전 반응하였을 때 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도가 5000m/sec 이상이 되도록 만족할 수 있었지만, 반응성 물질을 금속 나노 물질로 구성하게 되면 금속 표면에서 반응이 전달되기 때문에 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도가 1000m/sec 이상으로 유지되기 어려워 반응 전달속도가 상대적으로 늦어지는 현상을 발견할 수 있다.

금속 나노 물질을 포함한 반응성 물질의 반응 속도는 급속하게 일어나지만 반응을 전달하는 속도가 반응 속도와 대비하여 느리기 때문에 금속 나노 물질을 포함한 반응성 물질의 점화 후 반응이 충격파(shock)에 의해 전달되기 전에 파편이 생성되면서 파편(6)의 반응 열량이 금속 나노 물질이 보유한 열량에 미치지 못하게 되는 문제점이 있다.

미국 등록특허공보 제10-7955451호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 탄두를 제조하는 반응성 물질에 금속 나노 물질이 포함된 경우에도 폭발 시 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도와 반응성 물질의 반응속도를 일치시킬 수 있는 구조를 제공함으로서, 반응성 물질의 반응전달속도를 5000m/sec 이상으로도 유지할 수 있는 다공 구조의 반응성 케이스를 제공하는데 목적이 있다.

탄두를 구성하기 위한 반응성 케이스를 제조하는 방법에 있어서,

상기 반응성 케이스는 서로 반응하여 화학 에너지를 발생시키는 제1반응성물질과 제2반응성물질로 구성되며, 상기 제1반응성물질과 상기 제2반응성물질 중 적어도 어느 하나에는 금속 나노 물질이 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 반응성 케이스에 일정 압력의 충격파(shock)이 인가되면 하기의 관계식 1을 만족하는 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도를 만족하는 것을 특징으로 한다.

(관계식 1)

1< Vpor/Vref

(여기서, Vpor는 본 발명의 반응성 케이스의 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도이며, Vref는 본 발명과 동일한 형상 및 물질로 이루어지되 다공 구조가 형성되지 않은 반응성 케이스의 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도이다.)

상기 반응성 케이스에는 폼(foam) 형상 또는 육면체 내지 팔면체의 다공 구조가 3차원적으로 배열되는 것을 특징으로 한다.

상기 반응성 케이스는 상기 제1반응성물질과 상기 제2반응성물질을 포함하는 격벽에 의해 기공이 구획되는 것을 특징으로 한다.

상기 반응성 케이스는 하기의 관계식 2를 만족하는 밀도로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

(관계식 2)

0.2 ≤ Dpor/Dref≤0.8

(여기서, Dpor는 본 발명의 반응성 케이스의 단위 부피당 질량인 겉보기 밀도이며, Dref는 본 발명과 동일한 형상 및 조성으로 이루어진 기준 물질의 이론 밀도이다.)

상기 반응성 케이스는 상기 제1반응성물질 1몰 대비 하기의 관계식 3을 만족하는 몰수의 상기 제2반응성물질을 함유하는 것을 특징으로 한다.

(관계식 3)

0.8N0≤N ≤1.2N0

(여기서, N0는 화학에너지를 발생시키는 반응에서 화학양론에 따른 반응 시 상기 제1반응성물질 1몰 기준 요구되는 상기 제2반응성물질의 몰수이며, N은 상기 반응성 케이스에 상기 제1반응성물질 1몰 대비 함유되는 상기 제2반응성물질의 몰수이다.)

상기 제1반응성물질과 상기 제2반응성물질은 서로 용융 결착되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1반응성물질과 상기 제2반응성물질은 불소가 함유된 폴리머에 의해 결착되는 것을 특징으로 한다.

상기 반응성 케이스는 상기 제1반응성물질과 상기 제2반응성물질을 포함하는 원료를 3차원으로 인쇄하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 탄두를 제조하는데 필요한 반응성 물질에 금속 나노 물질이 포함된 경우, 폭발 시 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도와 반응속도가 일치되도록 함으로서, 금속 나노 물질을 포함한 반응성 물질의 점화 후 반응이 충격파(shock)에 의해 전달되기 전에 파편이 생성되면서 파편의 반응 열량이 금속 나노 물질이 보유한 열량에 미치지 못하게 되는 문제점이 해결된다.

따라서 폭발 시 생성되는 파편의 반응 열량이 금속 나노 물질이 보유한 열량만큼 최대화 될 수 있고, 파편의 탄속 증가 문제 해결이 가능해 지는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 반응성 케이스를 사용하게 되면 기존의 고에너지물질에서 사용되던 이차 화약을 대부분 제거할 수 있으므로 안전한 반응성 물질로 탄두를 제조할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 탄두 반응 시 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 다공 구조의 반응물질 구조체 개략도.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 탄두를 구성하기 위한 반응성 케이스(20)에 관한 발명으로, 상기 반응성 케이스를 구성하는 반응성 물질에 금속 나노 물질이 포함된 경우에도 폭발 시 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도가 5000m/sec 이상을 유지할 수 있도록 하는 다공 구조의 반응성 케이스 제조 방법에 관한 발명이다.

도 2는 본 발명에 따른 다공 구조의 반응물질 구조체 개략도를 도시하고 있다.

본 발명의 반응성 케이스는 서로 반응하여 화학 에너지를 발생시키는 제1반응성물질과 제2반응성물질로 구성되며, 상기 제1반응성물질과 상기 제2반응성물질 중 적어도 어느 하나에는 금속 나노 물질이 포함되도록 구성된다.

상기 반응성 케이스는 상기 제1반응성물질과 상기 제2반응성물질을 포함하는 원료를 3차원으로 인쇄하여 형성하게 된다.

상기 제1반응성물질에 금속 나노 물질이 포함되어 있다면, 상기 제2반응성물질에는 금속산화제 또는 테프론이 포함될 수 있다.

예를 들어, 상기 제1반응성물질과 상기 제2반응성물질은 다음과 같이 짝지어질 수 있다.

1. 제1금속인 제1반응성물질과 제2금속인 제2반응성물질

2. 금속인 제1반응성물질과 산화물인 제2반응성물질

3. 금속인 제1반응성물질과 메탈로이드를 포함하는 비금속인 제2반응성물질

4. 금속인 제1반응성물질과 불소를 함유하는 폴리머인 제2반응성물질

상기 제1반응성물질과 상기 제2반응성물질은 두 물질 중 어느 하나의 물질이 용융되어 서로 용융 결착되거나, 불소가 함유된 폴리머에 의해 결착될 수 있다. 불소가 함유된 폴리머는 상기 제1반응성물질 및 상기 제2반응성물질 중 어느 하나의 반응성 물질과 반응하여 또 다른 화학 에너지를 발생시킬 수 있으므로 제3반응성물질로 분류될 수 있다.

상기 반응성 케이스(20)는 상기 제1반응성물질 1몰 대비 하기의 관계식 3을 만족하는 몰수의 상기 제2반응성물질을 함유하게 된다.

(관계식 3)

0.8N0≤N ≤1.2N0

여기서, N0는 화학에너지를 발생시키는 반응에서 화학양론에 따른 반응 시 제1반응성물질 1몰 기준 요구되는 제2반응성물질의 몰수이며, N은 상기 반응성 케이스(20)에 상기 제1반응성물질 1몰 대비 함유되는 상기 제2반응성물질의 몰수이다.

상기와 같은 반응성 물질로 구성된 상기 반응성 케이스(20)에는 스펀지와 같은 폼(foam) 형상 또는 육면체 내지 팔면체의 다공 구조가 3차원적으로 배열되어 구성된다. 상기 다공 구조는 닫힌 기공들에 의해 형성되며, 상기 제1반응성물질과 상기 제2반응성물질을 포함하는 격벽에 의해 기공이 구획되어진다. 상기 기공의 구조, 크기, 형상, 배열 등은 탄두가 목표하는 물체와 충돌 시 기폭 개시가 잘 이루어지며 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도를 향상시키기 위해 최적화될 수 있다.

상기 다공 구조가 형성된 상기 반응성 케이스(20)는 하기의 관계식 2를 만족하는 밀도로 이루어진다.

(관계식 2)

0.2 ≤ Dpor/Dref≤0.8

Dpor는 본 발명의 반응성 케이스(20)의 단위 부피당 질량인 겉보기 밀도이며, Dref는 본 발명과 동일한 형상 및 조성으로 이루어진 기준 물질의 이론 밀도이다.

이러한 다공 구조가 형성된 상기 반응성 케이스(20)에 일정 압력의 충격파(shock)이 인가되면, 하기의 관계식 1을 만족하는 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도를 만족하게 된다.

(관계식 1)

1< Vpor/Vref

여기서, Vpor는 본 발명의 반응성 케이스(20)의 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도이며, Vref는 본 발명과 동일한 형상 및 물질로 이루어지되 다공 구조가 형성되지 않은 반응성 케이스(20)의 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도이다.

본 발명의 상기 다공 구조의 반응물질 구조체의 제조 방법은 다음과 같다.

상기 제1반응성물질로 알루미늄을 이용하고 상기 제2반응성물질로 니켈을 이용하여, 알루미늄과 니켈을 몰비 1:1의 비로 헥산 용매와 혼합하고, 상온에서 한시간 이상 교반한다. 교반 후 알루미늄과 니켈 분말을 합친 무게비로 10% 내외의 테프론 분말을 첨가한 후 비활성 가스를 이용한 건조분무 공정을 거쳐서 다공 구조의 반응성 케이스(20)를 만들게 된다. 만들어진 다공 구조의 반응성 케이스(20) 표면을 가공하여 시료의 다공성을 측정한다.

상기에서 설명한 구성으로 이루어진 본 발명의 반응성 케이스(20)는 반응성 물질에 금속 나노 물질이 포함된 경우에도 폭발 시 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도가 5000m/sec 이상을 유지할 수 있게 되며, 폭발 시 생성되는 상기 반응성 케이스(20) 파편의 반응 열량이 금속 나노 물질이 보유한 열량만큼 최대화 될 수 있고, 파편의 탄속 증가 문제 해결이 가능해진다.

또한, 기존의 고에너지물질에서 사용되던 이차 화약을 대부분 제거할 수 있으므로 안전한 반응성 물질로 탄두를 제조할 수 있다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

2 : 기존의 탄두
4 : 화약
6 : 반응물 파편
8 : 케이스
10 : 타겟
20 : 금속 나노 입자가 반응성 케이스

Claims (9)

1. 다공 구조의 반응물질 구조체에 있어서,
   반응성 케이스는 서로 반응하여 화학 에너지를 발생시키는 제1반응성물질과 제2반응성물질로 구성되며, 상기 제1반응성물질과 상기 제2반응성물질 중 적어도 어느 하나에는 금속 나노 물질이 포함되고,
   상기 반응성 케이스는 하기의 관계식 2를 만족하는 밀도로 이루어지는 것
   (관계식 2)
   0.2 ≤ Dpor/Dref≤0.8
   (여기서, Dpor는 반응성 케이스의 단위 부피당 질량인 겉보기 밀도이며, Dref는 동일한 형상 및 조성으로 이루어진 기준 물질의 이론 밀도임)
   을 특징으로 하는 다공 구조의 반응물질 구조체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 반응성 케이스에 일정 압력의 충격파(shock)이 인가되면 하기의 관계식 1을 만족하는 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도를 만족하는 것을 특징으로 하는 다공 구조의 반응물질 구조체.
   (관계식 1)
   1< Vpor/Vref
   (여기서, Vpor는 반응성 케이스의 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도이며, Vref는 동일한 형상 및 물질로 이루어지되 다공 구조가 형성되지 않은 반응성 케이스의 충격파(shock)에 의한 반응 전달속도임)
3. 제1항에 있어서,
   상기 반응성 케이스에는 폼(foam) 형상이거나, 육면체 또는 팔면체의 다공 구조가 3차원적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 다공 구조의 반응물질 구조체.
4. 제1항에 있어서,
   상기 반응성 케이스는 상기 제1반응성물질과 상기 제2반응성물질을 포함하는 격벽에 의해 기공이 구획되는 것을 특징으로 하는 다공 구조의 반응물질 구조체.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 반응성 케이스는 상기 제1반응성물질 1몰 대비 하기의 관계식 3을 만족하는 몰수의 상기 제2반응성물질을 함유하는 것을 특징으로 하는 다공 구조의 반응물질 구조체.
   (관계식 3)
   0.8N0≤N ≤1.2N0
   (여기서, N0는 화학에너지를 발생시키는 반응에서 화학양론에 따른 반응 시 상기 제1반응성물질 1몰 기준 요구되는 상기 제2반응성물질의 몰수이며, N은 상기 반응성 케이스에 상기 제1반응성물질 1몰 대비 함유되는 상기 제2반응성물질의 몰수임)
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1반응성물질과 상기 제2반응성물질은 서로 용융 결착되는 것을 특징으로 하는 다공 구조의 반응물질 구조체.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1반응성물질과 상기 제2반응성물질은 불소가 함유된 폴리머에 의해 결착되는 것을 특징으로 하는 다공 구조의 반응물질 구조체.
9. 제1항 내지 제4항, 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항의 다공 구조의 반응물질 구조체의 제조방법에 있어서,
   상기 제1반응성물질은 알루미늄이고 상기 제2반응성물질은 니켈로서, 상기 알루미늄과 상기 니켈을 몰비 1:1의 비로 헥산 용매와 혼합하는 단계;
   상기 혼합 후 상온에서 1시간 이상 교반하는 단계;
   상기 교반 후 알루미늄과 니켈 분말을 합친 무게비로 10% 내외의 테프론 분말을 첨가하는 단계;
   비활성 가스를 이용한 건조분무 단계;
   를 포함하는 다공 구조의 반응물질 구조체 제조방법.
   

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