SE527338C2 - Modifierat metallpulverbränsle och sätt att öka brinnhastighet och antändbarhet hos metallpulverbränslet - Google Patents

Description

00 0 OI IC ICO O 'ICO 0 0 0 000 0000 0 00 0 I 0 00 I O Q 00 I 0 0 0 00 000 10 15 20 25 30 35 2 samma sätt som dagens metallpulverbränslen och ersätta dessa i kända komposi- tioner för att förbättra kompositionemas prestanda.

Detta uppnås genom ett sätt och ett metallpulver som definieras i patentkraven.

Enligt uppfinningen förses en pulverformig basmetall vald bland Al, Mg, B, Ti Zr, Hf och legeringar av två eller flera av dessa med en ytbeläggning innehållande ett legeringsämne som reagerar exotennt med basmetallen vid antändning av metall- pulvret. Ytbeläggningen kan bestå av legeringsåmnet eller utgöras av en legering som till väsentlig del innehåller ett eller flera av legeringsämnena eller innehålla t.ex. metallsulfid eller metallfosfid när legeringsåmnet är S respektive P. Hur mycket exotermt reagerande legeringsämne som krävs i ytbeläggningen för att ge en påtaglig förhöjning av metallpulvrets brinnhastighet och antändbarhet, varierar med legeringsentalpin mellan aktuell basmetall och legeringsämne och viktförhållandet ytbelåggning/basmetall. För vissa kombinationer av basmetall och legenngsämne kan en positiv verkan uppnås redan vid ca. 3 vikts% legeringsämne i ytbelägg- ningen. Normalt är halten 10-100 vikts%.

Ytbeläggningen anbringas på kemisk våg på pulver av basmetallen, dvs. genom beläggningsmetoder som inte kräver någon yttre strömkälla utan beläggningsmate- rialet reduceras från jonform i lösning till en fast beläggning genom kemisk reaktion med basmetallen eller med ett reduktionsmedel i behandlingslösnlngen. Ett stort antal varianter av sådana beläggningsmetoder är kända och benämns kemisk plätering eller strömlös plätering. Metodema lämpar sig för beläggning av pulver eftersom de ger en likforrnig beläggning av alla ytor oberoende av formen hos substratet. Beläggningsmaterialet är löst i pläteringsbadet, ofta bundet till något kelaterande eller komplexbindande medel. Ett reduktionsmedel kan ingå i badet, t.ex. hypofosfit, fonnaldehyd m.fl. Vid autokatalytisk plätering katalyseras redoxre- aktionen mellan reduktionsmedlet och beläggningsmaterialet av den utfällda beläggningsmetallen. När reaktionen startas kan den katalytiska verkan utövas av basmetallen själv eller genom att basmetallen förbehandlats föratt få denna verkan. Ett stort antal pläteringsbad av denna typ är kommersiellt tillgängliga. l en annan typ av strömlös plätering utgör basmetallen reduktionsmedlet och en del av i basmetallen gåri lösning samtidigt som beläggningsmaterialet reduceras och faller ut på basmetallen. Denna typ av strömlös plätering benämns ofta "immersion plating" eller "replacement plating" och pläteringsbaden är enklare till sin 10 15 20 25 30 35 5 2 7 Z É 'I §II= . - . 0000 0000 0 0 I Q u oo QIIO Q 0400 ut 0 0 I 0 I 0 0 no Q 3 sammansättning än de reduktionsmedelsinnehållande baden. Båda typerna av bad kan användas enligt uppfinningen och väljs beroende på vilken kombination av basmetall och legeringsämne som är aktuell. l den senare metoden krävs att basmetallen har en högre oxidationspotential än legeringsämnet. l det modifierade metallpulvret enligt uppfinningen utgör ytbeläggningen företrädes- vis 1-10 % av basmetallens vikt. Tjocka beläggningsskikt kan åstadkommas med autokatalytiska pläteringsprocesser eftersom reaktionen katalyseras av det utfällda legeringsämnet. Vid ”replacement plating" avstannar däremot reaktionen när basmetallen är helt täckt av legeringsämnet.

Den exoterma reaktionen mellan basmetallen och legeringsämnet startar när metallpulvret hettas upp till relativt hög temperatur, som uppstår när pulvret antänds i en drivämnes- eller sprängämneskomposition. Vid normal temperatur fungerar ytbeläggningen däremot som ett extra skydd mot oxidation av basmetallen. Detta gör att ett ytbelagt metallpulver enligt uppfinningen kan göras kemiskt stabilare än ett obehandlat pulver av basmetallen. Eftersom basmetallens hela yta är täckt av beläggningsmetallen blir det beläggningsmetallen som bestämmer pulvrets kemiska uppträdande vid normal temperatur. Många av de möjliga beläggningsmetallema är mycket korrosionsbestândiga och inerta material, som gör att det belagda pulvret kan användas i kompositioner där basmetallen nonnalt inte skulle passa.

När basmetallen är Al kan legeringsämnet vara valt från Ni, Co, Fe, Mn, S, P, Cr, Mo, B, Ce, Nb och platinametallema. S och P kan anbringas på basmetallen i form av en sulfid respektive fosfid av någon lämplig beläggningsmetall, t.ex. Ni, Co, Fe, Mn, Cr, Mo, Ce och Nb. Alkalimetallsulfit eller alkalimetallsulfid kan även tillsättas pläteringslösningar för olika metaller och ger då upphov till metallsulfid i den bildade ytbeläggningen. Pläteringsbad som innehåller hypofosfit som reduktionsmedel ger nonnalt en viss procent metallfosfid i den bildade beläggningen. Nickel och jâmskikt som påförts med pläteringsbad innehållande hypofosfit kan t.ex. innehålla 540% nickel- respektive jâmfosfid. Halten metallfosfid i belâggningsskiktet kan enkelt ökas till ca. 50% enbart genom att öka halten hypofosfiti pläteringsbadet. De mekaniska egenskapema hos ytskiktet blir då sämre men kan vara tillräckliga för ett metallpul- verbränsle.

OIÛO Il I I I O 000 OQO OÛÛI I IIII I I I I III I O II I I I II o I I In I I I I OO ICO I I II II II O I I o I I II 10 15 20 25 30 35 527 38 4 När basmetallen är Mg kan legeringsämnet vara valt från samma grupp som ovan samt från Sn, Pb, Ag och Au.

När basmetallen är B kan legeringsämnet vara valt från Ti, Zr, Mo, Al och Nb.

När basmetallen är Ti, Zr eller Hf kan legeringsämnet vara valt från C, B, S. och P.

På motsvarande sätt som beskrivits ovan kan S och P anbringas i forrn av en sulfid respektive fosfid av en valfri metall, som enkelt kan beläggas på basmetallen.

Uppfinningen skall i det följande belysas med några typexempel på tillvägagångs- sätt vid beläggning av basmetallen med legeringsämnet.

Den hastighet med vilken det ytbelagda metallpulvret omsattes med syre mättes genom 'PGA-experiment och jämfördes med obehandlat pulver av samma kom- storlek och komforrn. En provmängd på 1012 mg placerades i en aluminiumoxid- degel och mättes i en termovåg i en syrgasström med en uppvännningshastíghet av 20°Clmin i intervallet 100-1100°C. Viktökningen på grund av oxidationen registrera- des som funktion av temperaturen till 1100°C och denna temperatur hölls sedan konstant i ytterligare 10 minuter för att komplettera oxidationen av provet till en stationär nivå. Dessa data, jämförda med motsvarande data för obehandlat pulver, ligger till grund för nedanstående bedömningar av hur mycket snabbare det ytbelagda pulvret brinner.

Exempel 1.

BeläqggLgg av aluminiur_n_gl_ilver medjä Aluminiumpulver suspenderas i rent vatten och en liten mängd saltsyra eller svavel- syra tillsätts. Mängden syra kan vara från 0.01 till 10 mol% av mängden basmetall.

Företrädesvis används 0.01 till 1 mol% och helst 0.1 till 0.5 mol%. Syrans uppgift är att ta bort oxider och aktivera aluminiumet för jämbeläggningen. Efter några minuter filtreras metallpulvret av eller lösningen dekanteras bort, men pulvret torkas inte.

Det syrafuktiga pulvret blandas därefter med ett icke-elektrolytiskt jämbad. Badet rörs om så att varje partikel blirjämt belagd med jäm. Skikttjocklekar på mellan 0.01 och 10 um kan framställas genom reglering av temperatur och behandlingstid.

Företrädesvis väljs en skikttjocklek på 0.1 till 5 um och helst 0.1 till 1 um. Ett stort antal jämbad för strömlös plätering av aluminium finns kommersiellt tillgängliga och IOII OI O U 000 lot 0900 000 I 0 c I 000 I! 10 15 20 25 30 35 5 2 7 71 2 2 §II= = gïï ;ïï; 5 innehåller anvisningar om hur det skall handhas för att ge olika skikttjocklekar av jäm.

Aluminiumpulver som behandlats på detta sätt brinner 10-20 gånger snabbare än obehandlat pulver av samma komstorlek och komform.

Exempel 2.

Beläggning av aluminiumpulver med nickel.

Tillvägagångssättet är lika som i exempel 1 men i stället för ett icke-elektrolytiskt jämbad används ett icke-elektrolytiskt nickelbad.

Aluminiumpulver som behandlats på detta sätt brinner 50-100 gånger snabbare än obehandlat pulver av samma komstorlek och komform.

Exempel 3.

Fâllnin@n_ickel i fi_nkomig fom1 på alfllinitmlgilver.

Aluminiumpulvret suspenderas i utspädd syra på samma sätt som i exempel 1.

Därefter tillsätts en koncentrerad lösning av ett nickelsalt, t.ex. nickelsulfat eller nickelklond, till samma suspension. Mängden nickel väljs mellan 0.01 och 5 mol% av den molära mängden aluminium. Företrådesvis används från 0.05 till 2 mol% och helst mellan 0.5 och 2 mol%. Lösningen av nickelsalt har en grönaktig färg och allt eftersom nickeljonema reduceras och fälls ut som finkomigt metalliskt nickel på aluminiumpulvret avtar den gröna färgen. När lösningen inte längre har en grönaktig färg, filtreras pulvret av och torkas.

Aluminiumpulver som behandlats på detta sätt brinner 100-200 gånger snabbare än obehandlat pulver av samma komstorlek och komform.

Exempel 4.

Fällninggv nickel i finkom_ig form gå magnesiumgulver eller gå pulver av magne- sium-aluminiumlegering.

Tillvägagångssättet är lika som i exempel 3 men i ställer för aluminiumpulver som basmetall används magnesiumpulver eller pulver av magnesium-aluminiumlegering.

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 Patentkrav:

1. Metallpulver lämpligt för användning som bränsle i drivmedels- och sprängäm- neskompositioner innefattande en basmetall av Al, Mg, B, Ti, Zr, Hf eller legeringar av två eller flera av dessa, kännetecknat av att metallpulverpartiklama har en ytbe- Iäggning innehållande ett legeringsämne som reagerar exotermt med basmetallen vid antändning av metallpulvret.

2. Metallpulver enligt krav 1, kännetecknat av att basmetallen är Al och att leger- ingsämnet är valt ur en grupp bestående av Ni, Co, Fe, Mn, S, P, Cr. Mo, B, CG. Nb. och platinametallema.

3. Metallpulver enligt krav 2, kännetecknat av att basmetallen är Al och legerings- ämnet är Ni.

4. Metallpulver enligt krav 1, kännetecknat av att basmetallen är Mg och att leger- ingsämnet är valt ur en grupp bestående av Ni, Co, Fe, Mn, S, P, Cr, Mo, B, Ce, Nb, Sn, Pb, Ag, Au och platinametallema.

5. Metallpulver enligt krav 1, kännetecknat av att basmetallen är B och att legerings- ämnet är valt ur en grupp bestående av Ti, Zr, Mo, Al och Nb.

6. Metallpulver enligt krav 1, kännetecknat av att basmetallen är Ti, Zr eller Hf och att Iegeringsåmnet är valt ur en grupp bestående av C, B, P och S.

7. Metallpulver enligt krav 1, kännetecknat av att ytbelâggningen på kemisk väg anbringats på pulverpartiklar av basmetallen.

8. Metallpulver enligt krav 1, kännetecknat av att ytbeläggningen utgör 1-10 % av basmetallens vikt.

9. Sätt att förbättra brinnhastighet och antändbarhet hos ett metallpulverbränsle av en basmetall vald från Al, Mg, B, Ti, Zr, Hf eller legeringar av två eller flera av dessa, kännetecknat av att en ytbeläggning innehållande ett legeringsämne, som förmår reagera exotermt med basmetallen vid antändning av metallpulvret, på kemisk väg anbringas på pulverpartiklama av basmetallen. o 0 0000 00 00 00 0 0 0 0 i 0 I 0 000 000 0000 000 0 0000 0 0 0 0 COQ I OQO OO IQ 10 15 J

10. Sätt enligt krav 9, kännetecknat av att basmetallen är Al och att legeringsämnet är valt ur en grupp bestående av Ni, Co, Fe, Mn, S, P, Cr, Mo, B, Ce, Nb, och platinameta|lema_

11. Sätt enligt krav 10, kännetecknat av att basmetallen är Al och legeringsämnet är Ni.

12. Sätt enligt krav 9, kännetecknat av att basmetallen är Mg och att legeringsämnet är valt ur en grupp bestående av Ni, Co, Fe, Mn, S, P, Cr, Mo, B, Ce. Nb, Sn, Pb, Ag, Au och platinametallema.

13. Sätt enligt krav 9, kännetecknat av att basmetallen är B och att legeringsämnet är valt ur en grupp bestående av Ti, Zr, Mo, AI och Nb.

14. Sätt enligt krav 9, kännetecknat av att basmetallen är Ti, Zr eller Hf och att legeringsämnet är valt ur en grupp bestående av C, B, P och S.