RU2744462C1 - Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц - Google Patents

Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц Download PDF

Info

Publication number
RU2744462C1
RU2744462C1 RU2020122556A RU2020122556A RU2744462C1 RU 2744462 C1 RU2744462 C1 RU 2744462C1 RU 2020122556 A RU2020122556 A RU 2020122556A RU 2020122556 A RU2020122556 A RU 2020122556A RU 2744462 C1 RU2744462 C1 RU 2744462C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nanoparticles
shell
radius
core
dispersion
Prior art date
Application number
RU2020122556A
Other languages
English (en)
Inventor
Павел Сергеевич Кулешов
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова"
Priority to RU2020122556A priority Critical patent/RU2744462C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2744462C1 publication Critical patent/RU2744462C1/ru

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)

Abstract

Изобретение относится к тепловым двигателям, в которых для производства механической работы используется теплота сгорания твердого топлива из трудновоспламеняемых наночастиц. Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц, состоящих из ядра и оболочки, заключается в том, что осуществляют смешение наночастиц с воздухом для транспортировки в камеру сгорания, в которой запускают процесс диспергации наночастиц с образованием вторичных кластеров и фрагментов оболочки, причем радиус вторичных кластеров не должен превышать 25 нм и определяется из заданного соотношения. Для запуска процесса диспергации наночастиц в камере сгорания их экспонируют рентгеновским излучением с определенными интенсивностью и длиной волны, при этом радиус наночастицы и толщина ее оболочки ограничены определенными соотношениями. Далее происходит самопроизвольная атомизация вторичных кластеров. Изобретение обеспечивает повышение энергетических характеристик и надежности работы двигателя.

Description

Изобретение относится к тепловым двигателям, в которых для производства механической работы используется теплота сгорания твердого топлива, в частности топлива из трудновоспламеняемых наночастиц.
Известен способ организации рабочего процесса в двигателе (RU 2633730, 2017), характеризующийся тем, что порошок в виде равномерно перемешанной суспензии в сжиженном горючем газе предварительно нагружают давлением вытеснения, нагревают и подают в камеру сгорания через форсунку. Недостатком способа является необходимость предварительной подготовки суспензии на основе сжиженных газов и порошков металлов и ограничения по времени хранения топлива.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц бора (RU 2701249, 2019), состоящих из ядра и оболочки, характеризующийся тем, что осуществляют смешение наночастиц с воздухом для транспортировки в камеру сгорания, в которой запускают процесс диспергации наночастиц с образованием вторичных кластеров и фрагментов оболочки, причем радиус вторичных кластеров не должен превышать 25 нм и определяется из соотношения, после чего происходит самопроизвольная атомизация вторичных кластеров.
В известном способе для осуществления диспергации наночастиц используется быстрый нагрев в ударной волне, который приводит к энергетическим потерям на его организацию и возможным разрушающим последствиям воздействия ударной волны на конструкцию двигателя.
Кроме того, выбор материалов ядра и оболочки наночастиц ограничен бором и его соединениями.
Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в возникновении энергетических потерь и возможном разрушении двигателя при организации ударной волны.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении энергетических характеристик и надежности работы двигателя.
Технический результат достигается тем, что в способе диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц, состоящих из ядра и оболочки, осуществляют смешение наночастиц с воздухом для транспортировки в камеру сгорания, в которой запускают процесс диспергации наночастиц с образованием вторичных кластеров и фрагментов оболочки, причем радиус r вторичных кластеров не должен превышать 25 нм и определяется из соотношения:
Figure 00000001
где:
R - радиус наночастицы;
с - скорость звука в ядре;
σ - коэффициент поверхностного натяжения ядра;
ρ - плотность ядра,
после чего происходит самопроизвольная атомизация вторичных кластеров, отличающийся тем, что для запуска процесса диспергации наночастиц в камере сгорания экспонируют их рентгеновским излучением с интенсивностью J и длиной волны λ, определяемыми из соотношений:
Figure 00000002
где:
σm - разрушающее механическое напряжение оболочки;
d - толщина оболочки;
ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума;
ε1 - диэлектрическая проницаемость оболочки;
ρв1 - удельное электрическое сопротивление оболочки;
с0 - скорость света в вакууме;
h - постоянная Планка;
е - заряд электрона,
при этом радиус R наночастицы и толщина d ее оболочки ограничены соотношениями:
Figure 00000003
где:
М0 - молярная масса материала оболочки;
N a - число Авогадро;
ρ0 - плотность материала оболочки.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как только совокупность всех действий и операций, составляющих изобретение, позволяет устранить недостатки, присущие известным способам.
Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц осуществляется следующим образом.
Исходные трудновоспламеняемые наночастицы могут быть получены по известному из уровня техники способу (Бакулин В.Н. и др., «Энергоемкие горючие для авиационных и ракетных двигателей», Москва, Физматлит, 2009).
В качестве наночастиц могут быть использованы наночастицы алюминия (Al) с ядрами в жидком состоянии, наночастицы бора (B) в аморфном состоянии или схожие с ними по энергетическим и физическим свойствам вещества.
Наиболее подходящим диаметром наночастиц является 10 нм - 1 мкм (Кулешов П.С., «О диспергировании наночастиц алюминия», «Горение и взрыв», 2019, Т. 12, №3, с. 118-127).
В качестве оболочки могут использоваться соединения, образующиеся естественным образом в воздухе (Al2O3, В2О3), или наносимые искусственно (В4С, TiB2, ZrB2, BN, HfB2), причем последние защищают ядра наночастиц от окисления в воздухе и дают энергетический выход при сжигании.
В качестве примера теплового двигателя для осуществления заявленного способа может использоваться воздушно-реактивный двигатель (ВРД), схема и описание работы которого приведены в патенте RU 2633730.
Осуществляют смешение трудновоспламеняемых наночастиц, состоящих из ядра и оболочки, с воздухом для транспортировки в камеру сгорания ВРД, в которой экспонируют их рентгеновским излучением с интенсивностью J и длиной λ волны, определяемыми из соотношений:
Figure 00000004
которое способствует запуску процесса диспергации наночастиц с образованием вторичных кластеров и фрагментов оболочки, причем радиус r вторичных кластеров не должен превышать 25 нм и определяется из соотношения:
Figure 00000005
В частности, длина волны, необходимая для диспергирования наночастиц бора и алюминия, составляет 3-8 нм. Такое излучение может быть получено в камере сгорания с использованием рентгеновской трубки или естественно-радиоактивного материала, распад которого сопровождается выделением короткоживущих радионуклидов и слабопроникающей радиацией, что вызывает фотоэффект, в процессе которого происходит зарядка и как следствие, кулоновский взрыв наночастицы.
При этом в камере сгорания возникает зона быстрой зарядки наночастиц и их диспергации с образованием вторичных кластеров, за которой вниз по потоку вдоль осевой координаты двигателя образуется зона атомизации вторичных кластеров, в которой происходит самопроизвольная атомизация вторичных кластеров, самовоспламенение и горение фрагментов оболочки в нагретом воздухе. Выпуск продуктов сгорания происходит через реактивное сопло ВРД. Раскаленные газообразные продукты сгорания формируют тягу в ВРД на стенках камеры сгорания и сопла.
Радиус R наночастицы и толщина d ее оболочки ограничены соотношениями:
Figure 00000006
Приведенные соотношения для J, λ, R и d следуют из известного уровня техники (Кулешов П.С., «Электрическая диспергация оксидированных наночастиц», Труды 62-ой Всероссийской научной конференции МФТИ, 18-24 ноября 2019, Аэрокосмические технологии, Москва-Долгопрудный-Жуковский. МФТИ. 2019. с. 307-308. ISBN978-5-7417-0729-6).
Ниже описаны примеры использования предложенного способа.
Предварительно были получены наночастицы алюминия и бора с радиусом
R ~ 100 нм
и толщиной оболочки
d ~ 2 нм.
По проведенным оценкам при реализации способа, на диспергацию одной наночастицы алюминия радиусом 100 нм необходима энергия импульса
~ 10-13 - 10-12 Дж
рентгеновского излучения, или (с учетом коэффициента полезного действия рентгеновской трубки)
~ 10-11 Дж
подводимой энергии к трубке, а при сжигании наночастицы в воздухе выделяется
~ 10-10 Дж.
Для диспергации одной наночастицы бора с таким же радиусом 100 нм необходима энергия импульса
~ 10-20 - 10-18 Дж,
или (с учетом коэффициента полезного действия рентгеновской трубки)
~ 10-18 - 10-16 Дж
подводимой энергии к трубке.
При этом при сжигании наночастицы бора в воздухе также выделяется
~ 10-10 Дж.
Таким образом, заявленный способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц обеспечивает значительное снижение энергетических потерь для наночастиц алюминия и бора, что подтверждает достижение заявленного технического результата - повышение энергетических характеристик и надежности работы двигателя.
Дополнительным преимуществом заявленного изобретения является расширение диапазона материалов ядра и оболочки наночастиц.

Claims (24)

  1. Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц, состоящих из ядра и оболочки, характеризующийся тем, что осуществляют смешение наночастиц с воздухом для транспортировки в камеру сгорания, в которой запускают процесс диспергации наночастиц с образованием вторичных кластеров и фрагментов оболочки, причем радиус r вторичных кластеров не должен превышать 25 нм и определяется из соотношения:
  2. Figure 00000007
  3. где:
  4. R - радиус наночастицы;
  5. с - скорость звука в ядре;
  6. σ - коэффициент поверхностного натяжения ядра;
  7. ρ - плотность ядра,
  8. после чего происходит самопроизвольная атомизация вторичных кластеров, отличающийся тем, что для запуска процесса диспергации наночастиц в камере сгорания экспонируют их рентгеновским излучением с интенсивностью J и длиной λ волны, определяемыми из соотношений:
  9. Figure 00000008
  10. где:
  11. σm - разрушающее механическое напряжение оболочки;
  12. d - толщина оболочки;
  13. ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума;
  14. ε1 - диэлектрическая проницаемость оболочки;
  15. ρв1 - удельное электрическое сопротивление оболочки;
  16. с0 - скорость света в вакууме;
  17. h - постоянная Планка;
  18. e - заряд электрона,
  19. при этом радиус R наночастицы и толщина d ее оболочки ограничены соотношениями:
  20. Figure 00000009
  21. где:
  22. M0 - молярная масса материала оболочки;
  23. N a - число Авогадро;
  24. ρ0 - плотность материала оболочки.
RU2020122556A 2020-07-08 2020-07-08 Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц RU2744462C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020122556A RU2744462C1 (ru) 2020-07-08 2020-07-08 Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020122556A RU2744462C1 (ru) 2020-07-08 2020-07-08 Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2744462C1 true RU2744462C1 (ru) 2021-03-09

Family

ID=74857477

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020122556A RU2744462C1 (ru) 2020-07-08 2020-07-08 Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2744462C1 (ru)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007524663A (ja) * 2003-12-22 2007-08-30 エモリー ユニバーシティ 生体接合されたナノ構造、前記を製造する方法、及び前記を使用する方法
RU2444561C1 (ru) * 2010-09-13 2012-03-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Способ получения наноструктурированного топлива
RU2701249C1 (ru) * 2019-04-02 2019-09-25 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц бора

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007524663A (ja) * 2003-12-22 2007-08-30 エモリー ユニバーシティ 生体接合されたナノ構造、前記を製造する方法、及び前記を使用する方法
RU2444561C1 (ru) * 2010-09-13 2012-03-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) Способ получения наноструктурированного топлива
RU2701249C1 (ru) * 2019-04-02 2019-09-25 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц бора

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Markstein Combustion of metals
Monogarov et al. Uncontrolled re-entry of satellite parts after finishing their mission in LEO: Titanium alloy degradation by thermite reaction energy
Yagodnikov et al. Ignition and combustion of pyrotechnic compositions based on micro-and nanoparticles of aluminum diboride in air flow in a two-zone combustion chamber
RU2744462C1 (ru) Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц
Brackett et al. Computational investigation of oblique detonation ramjet-in-tube concepts
KR101804225B1 (ko) 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체
Bykovskii et al. Detonation combustion of coal
Obuchi et al. Ignition characteristics of boron particles in the secondary combustor of ducted rockets-effects of magnalium particle addition
Kazaoka et al. Combustion characteristics of boron particles in the secondary combustor of ducted rockets
US3754511A (en) Fuel and fuel igniter for ram jet and rocket
Arkhipov et al. Effect of ultrafine aluminum on the combustion of composite solid propellants at subatmospheric pressures
RU2701249C1 (ru) Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц бора
Gautham et al. Propulsive performance of mechanically activated aluminum–water gelled composite propellant
Natan et al. Boron carbide combustion in solid‐fuel ramjets using bypass air. Part I: Experimental investigation
Savenkov et al. Initiation of high-energy material ignition by nanosecond high-current electron beam
Glotov et al. Combustion characteristics of model composite propellants containing boron and its compounds
US3158992A (en) Propulsion process using phosphorus and metallic fuel
Babuk et al. The role of intermediate structures in the combustion of high-energy condensed systems
US3069300A (en) Boron containing fuel and fuel igniter for ram jet and rocket
Glotov et al. The Effects of Fluorine-Containing Additives in Composite Propellants with Boron and Aluminum Dodecaboride on the Characteristics of Their Combustion
Liu et al. Physical Design of Local-volume Ignition for Inertial Confinement Fusion
Gabdrashova et al. Development of pyrotechnic delay mixtures based on a composite material hardened with carbon nanotubes
Ojha et al. Effect of particle size on droplet regression, break-up and combustion characteristics of boron-laden jet fuel droplet
Georges et al. Burning rate of nano-aluminum-water propellant at high pressures
Sun et al. Combustion characteristics of coated nano aluminum in composite propellants

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20210804