RU2852002C1 - Активированный алюминий и способ его получения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения порошка активированного алюминия. Проводят совместную механическую обработку смеси порошков алюминия и графитизированного активированного угля в размольной среде в мельнице-активаторе - шаровой мельнице с водяным охлаждением барабанов. В качестве размольной среды используют раствор парафина в гексане с добавкой поверхностно-активного вещества - моноолеата сорбитана. Сформированный активированный алюминий представляет собой композиционный порошок, содержащий частицы алюминия, в которые внедрены микрочастицы промотора его высокотемпературного окисления и горения. Промотор представляет собой порошок графитизированного активированного угля, насыщенного углеводородами. Изобретение позволяет повысить реакционную способность алюминия и эффективность содержащих его энергетических композиций. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

Description

Изобретение относится к области создания новых энергетических материалов - смесевых взрывчатых веществ, твердых ракетных топлив, взрывозажигательных и пиротехнических составов.

Эффективность содержащих алюминий энергетических композиций существенно зависит от его реакционной способности - скорости и полноты сгорания. Все известные способы активации алюминия в процессах высокотемпературного окисления и горения ориентированы либо на увеличение удельной площади поверхности частиц, либо на нарушение целостности оксидных пленок, препятствующих быстрому сгоранию.

Известен способ активации порошков алюминия [1], включающий облучение образца порошка высокоэнергетическим СВЧ-излучением частотой 2,8 ГГц, продолжительностью импульсов 25 нс и плотностью мощности 8 кВт/см².

Недостатком метода является сложность в технической реализации и эффективность метода достигается только до точки плавления алюминия.

Известен способ активации алюминия путем получения наночастиц алюминия, покрытых слоем оксида алюминия [2].

Недостатком большинства методов получения наноразмерного алюминиевого порошка является его необратимое окисление, приводящее к существенному снижению энергетических характеристик продуктов на его основе.

Известен способ повышения реакционной способности алюминия путем введения в его состав оксидов, например, оксида железа [3].

Введение в состав алюминия различных оксидов металлов приводит к протеканию реакций термитного типа, снижению температуры воспламенения и увеличению скорости сгорания, но при этом происходит значительное снижение теплоты сгорания.

Известны способы активации алюминия путем получения металлизированного горючего за счет введения в состав различных лигатур, например, магния [4].

Недостатком метода является необходимость использования большого количества магния в рецептуре (около 20% масс.), являющегося топливным балластом. При этом теплота сгорания алюминия в составе композиционного порошка значительно снижается.

Наиболее близким по технической сущности решением, выбранным в качестве прототипа, является способ получения композиционного порошка «алюминий-графит», включающий в себя механическую обработку алюминия с графитом в шаровой мельнице-активаторе [5]. Однако относительное содержание оксидов алюминия и углерода в полученных композиционных порошках весьма велико, что существенно снижает их энергетические характеристики, тем самым ограничивая возможные спектры практического применения.

Предлагаемое техническое решение заключается во внедрении в частицы алюминия микрочастиц газообразующего промотора его высокотемпературного окисления и горения - графитизированного активированного угля, насыщенного углеводородами, путем совместной механической обработки в мельницах-активаторах. В результате формируется композиционный порошок, обладающий высокой реакционной способностью в окислительных средах.

Техническим результатом является снижение температуры начала реакции и повышение реакционной способности алюминия.

Предложенный метод активации алюминия ориентирован на нарушение сплошности оксидной пленки - диффузионного барьера, препятствующего быстрому окислению. Причиной интенсивного растрескивания оксидной пленки на низкотемпературной стадии окисления является увеличение сжимающих напряжений во внутреннем объеме частицы, возникающее вследствие выгорания защитного покрытия и термодесорбции углеводородов из частиц угля. Ускорение высокотемпературной стадии окисления обеспечивается за счет выгорания углеродсодержащих компонентов, приводящее к появлению участков свободной поверхности жидкого алюминия и образование на поверхности частиц полостей с большой кривизной поверхности, что приводит к значительному повышению напряжений в оксидных пленках, интенсивности их растрескивания.

Технический результат достигается тем, что активированный алюминий представляет собой композиционный порошок, содержащий микрочастицы промотора высокотемпературного окисления и горения алюминия, внедренные в частицы алюминия. В качестве промотора используются порошки графитизированного активированного угля, насыщенного углеводородами.

Активированный алюминий получают способом, согласно которому формируют композиционный порошок путем совместной механической обработки смеси порошков алюминия и графитизированного активированного угля в мельнице-активаторе в углеводородной размольной среде с добавкой поверхностно-активного вещества и парафина.

Механическая обработка смеси порошков алюминия и графитизированного активированного угля осуществляется в шаровой мельнице с водяным охлаждением барабанов АГО-2У в растворе парафина в гексане с добавлением поверхностно-активного вещества моноолеата сорбитана (SPAN-80).

На фиг. 1 - показаны результаты термогравиметрического анализа (ТГА) и дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), где (а) кривые исходного порошка алюминия и (б) композиционного порошка «алюминий-активированный уголь-графит».

Пример использования заявленного изобретения:

Для приготовления образцов использовался сферический порошок алюминия марки АСД-4 со среднеобъемным размером частиц 6,74 мкм, активированный древесный уголь марки БАУ-А, содержащий в исходном состоянии гранулы размером 0,6…1,5 мм и коллоидный графит С-1 с размером частиц 1…4 мкм. Порошок активированного угля предварительно смешивался с коллоидным графитом в соотношении 4:1 и обрабатывался в вибромельнице в течение 20 минут, что обеспечивало снижение загрязнения композиционных порошков продуктами износа шаров и барабанов планетарной мельницы. Механическая обработка смеси порошков осуществлялась в шаровой мельнице с водяным охлаждением барабанов АГО-2У в 2%-ном растворе парафина в гексане с добавлением от 1 до 7,5% поверхностно-активного моноолеата сорбитана (SPAN-80). Парафин и SPAN-80 вводились с целью формирования в процессе сушки композиционных порошков защитных покрытий. Загрузка порошковой смеси 95% алюминия - 5% графитизированного угля составляла 10 г при массе шаровой загрузки 120 г. Обработка продолжительностью 12 мин проводилась при скорости вращения барабанов 1062 об/мин. Изготовленные образцы подвергались сушке продолжительностью 24 часа при температуре 25°C.

Скорость окисления алюминия в составе композиционных порошков значительно выше, чем у исходного порошка алюминия: скорость окисления на низкотемпературной стадии больше в 4,5-10,1 раза, на высокотемпературной - 1,8-2,5 раза, относительная масса алюминия, окислившегося в интервале температур 20-1000°C, больше в 2,8-3,0 раза. Кроме того, температура начала реакции смещается с 660°C в случае с исходным алюминием до 595°C в случае композиционного порошка (фиг. 1).

Таким образом, предлагаемый авторами способ активации алюминия обеспечивает не только снижение температуры начала реакции, но и приводит к значительному повышению реакционной способности алюминия, что позволяет использовать такие составы в качестве наполнителей для взрывчатых веществ, твердых ракетных топлив, взрывозажигательных и пиротехнических составов.

Источники информации

1. Патент РФ № 2657677. Способ модифицирования микро- и нанопорошков алюминия.

2. Патент РФ № 2397045. Способ получения субмикронных и наночастиц алюминия, покрытых слоем оксида алюминия.

3. Патент РФ № 2011143485. Гранулированный железоалюминиевый термит.

4. Belal, H., Han, C. W., Gunduz, I. E., Ortalan, V., & Son, S. F. Ignition and combustion behavior of mechanically activated Al-Mg particles in composite solid propellants. Combustion and Flame. 194. 410-418

5. Стрелецкий А.H., Колбанев К.В., Борунова А.Б., Леонов А.В., Бутягин П.Ю. Механическая активация алюминия. 1: Совместное измельчение алюминия и графита. Коллоид. журн. 2004. Т. 66. No. 6. С. 811-818.

Claims (5)

1. Активированный алюминий, представляющий собой композиционный порошок, содержащий микрочастицы промотора высокотемпературного окисления и горения алюминия, внедренные в частицы алюминия, отличающийся тем, что в качестве промотора используются порошки графитизированного активированного угля, насыщенного углеводородами.

2. Способ получения активированного алюминия по п. 1, согласно которому формируют композиционный порошок путем совместной механической обработки смеси порошков алюминия и графитизированного активированного угля в мельнице-активаторе в размольной среде, представляющей собой углеводородный раствор с добавкой поверхностно-активного вещества и парафина.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что обработка смеси порошков осуществляется в шаровой мельнице с водяным охлаждением барабанов.

4. Способ по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что в качестве поверхносто-активного вещества используют моноолеат сорбитана.

5. Способ по пп. 2-4, отличающийся тем, что обработку смеси порошков осуществляют в растворе парафина в гексане.