powderИзвестия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытияPowder Metallurgy аnd Functional Coatings (Izvestiya Vuzov. Poroshkovaya Metallurgiya i Funktsional'nye Pokrytiya)1997-308X2412-8767НИТУ "МИСИС"10.17073/1997-308X-2018-2-54-60powder-367Research ArticleСамораспространяющийся высокотемпературный синтезSelf-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS)ВОСПЛАМЕНЕНИЕ СМЕСИ ВОЛЬФРАМА С ТЕФЛОНОМ И ДОБАВКАМИ АЛЮМИНИЯIGNITION AND COMBUSTION OF W–TEFLON–AL MIXTURESАлымовМ. И.AlymovM. I.

докт. техн. наук, чл.-корр. РАН, директор ИСМАН,

142432, г. Черноголовка, ул. Акад. Осипьяна, 8

Dr. Sci. (Tech.), Corr. member of the RAS, Director,

143432, Moscow Region, Chernogolovka, Academician Osipyan str., 8

alymov@ism.ac.ruВадченкоС. Г.VadchenkoS. G.

канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотрудник лаборатории динамики микрогетерогенных процессов

Cand. Sci. (Phys.-Math.), Leading researcher, Laboratory of dynamics of microheterogeneous processes

vadchenko@ism.ac.ruГордополоваИ. С.GordopolovaI. S.

канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник лаборатории ударно-волновых процессов

Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior researcher, Laboratory of shock-wave processes

gis@ism.ac.ruИнститут структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А.Г. Мержанова РАН (ИСМАН)РоссияInstitute of Structural Macrokinetics and Materials Science RAS (ISMAN)Russian Federation201818062018025460Copyright © Алымов М.И., Вадченко С.Г., Гордополова И.С., 20182018Алымов М.И., Вадченко С.Г., Гордополова И.С.Alymov M.I., Vadchenko S.G., Gordopolova I.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://powder.misis.ru/jour/article/view/367

Проведен термодинамический анализ и исследована зависимость процессов воспламенения и формирования структуры продуктов в порошковых смесях вольфрама с тефлоном (Tf) и добавками алюминия. Использование вольфрама в качестве одного из компонентов смеси связано с необходимостью получения конденсированных продуктов с большой плотностью, а алюминий применялся в качестве энергетической добавки, понижающей температуру воспламенения и увеличивающей температуру горения смеси. Для исследования использовали составы с фиксированным соотношением вольфрама и тефлона, концентрацию алюминия варьировали в соответствии с формулой (1 – x)(0,8W + 0,2Tf) + xAl = const. Смеси готовили в планетарной мельнице АГО-2 в среде гексана. Затем из них прессовали образцы массой 0,01–0,02 г, которые нагревали в тигле из нитрида бора в среде аргона при атмосферном давлении. Скорость нагрева тигля варьировалась. При достижении температуры воспламенения на термограмме наблюдался резкий скачок температуры образца. Показано что увеличение скорости нагрева повышает температуру воспламенения систем, что может быть связано с переходом из режима теплового взрыва в режим зажигания. Составы с небольшими добавками алюминия в ходе воспламенения и горения образуют большой объем газообразных продуктов, которые либо полностью разлетаются, либо формируют высокопористую структуру. Для систем с высоким содержанием алюминия анализ полученных продуктов показал, что основным является WAl4. При большой концентрации алюминия результаты экспериментов и термодинамических расчетов существенно различаются, что объясняется отсутствием в программе Thermo сведений для алюминидов вольфрама и тем, что реальные условия протекания реакции далеки от равновесных и адиабатических условий. Полученные расчетные и экспериментальные данные показывают, что для образования расплавленных продуктов с высокой плотностью (ρW2C = = 17,2 г/см3) оптимальная концентрация алюминия должна составлять около 10 мас.%. При превышении этого значения образующийся основной продукт WAl4 имеет плотность значительно ниже (ρWAl4 = 6,6 г/см3), что недостаточно для практического применения.

Relationships between ignition and product structure formation in W–Teflon (Tf)–Al powder mixtures was explored by thermodynamic and structural analyses. The use of tungsten as one of mixture components was dictated by the need to obtain high-density condensation products. Aluminum was used as a heat-generating agent to reduce ignition temperature and increase mixture combustion temperature. Combustion experiments used compositions with a fixed tungsten-to-Teflon ratio, while aluminum content varied according to the formula: (1 – x)(0,8W + 0,2Tf) + xAl = const. After intermixing in the AGO-2 planetary mill in hexane environment, the powders were compressed into 0,01–0,02 g samples and then heated in a BN crucible in argon environment under atmospheric pressure at a variable crucible heating rate. The sample temperature increased sharply on the thermogram once the ignition temperature was reached. It is shown that as the heating rate increases, the ignition temperature of systems grows, and this may be due to transfer from thermal explosion mode to ignition mode. Low-aluminum mixtures yielded large amounts of gaseous products during ignition and combustion, and this results either in defragmentation of combustion product or in formation of porous cakes. The analysis of products obtained with high-aluminum systems indicated WAl4 as a main product. For higher aluminum content results of thermodynamic calculations strongly differed from experimental ones owing to the lack of thermodynamic data for tungsten aluminides in the Thermo software and to the strong mismatch between the actual reaction conditions and adiabatic equilibrium ones. Calculated and experimental results suggest that the formation of fused high-density products (ρW2C = = 17,2 g/cm3) is possible at an optimal aluminum content ≈10 wt.%. When this value is exceeded, the main product, WAl4, has a much lower density (ρWAl4 = 6,6 g/cm3), which is inadequate for practical implementation.

высокоэнергетические смеси металлов с тефлономвоспламенениегорениеструктурообразованиеhigh-energy mixtures of metals with Teflonignitionburningstructure formationReferencesДенисаев А.А., Штейнберг А.С., Берлин А.А. Влияние температуры на чувствительность к удару слоевых композиций алюминий—тефлон // Докл. АН. 2009. Т. 428. No. 1. С. 44—47.Denisaev A.A., Steinberg A.S., Berlin A.A. Vliyanie temperatury na chyvstvitelnost k udaru sloevyh kompozicii aluminii—teflon [Influence of temperature on shock sensitivity of the layered compositions of aluminium-teflon]. Doclady Academii Nauk. 2009. Vol. 428. No. 1. P. 44—47.Thadhani N.N. Shock-induced chemical reactions and synthesis of materials // Progr. Mater. Sci. 1993. Vol. 37. No. 2. P. 117—226.Thadhani N.N. Shock-induced chemical reactions and synthesis of materials. Progr. Mater. Sci. 1993. Vol. 37. No. 2. P. 117—226.Зелепугин С.А., Долгобородов А.Ю., Иванова О.В., Зелепугин А.С. Ударно-волновой синтез в твердых смесях. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2012.Zelepugin S.A., Dolgoborodov A.Yu., Ivanova O., Zelepugin A.S. Udarno-volnovoi syntez v tverdykh smesyakh [Shock-wave synthesis in solid mixtures]. Tomsk: IOA SB RAS, 2012.Барамбойм Н.К. Механохимия полимеров. М.: Ростехиздат, 1961.Barambojm N.K. Mechanochimiya polymerov [Mechano-chemistry of polymers]. Moscow: Rostehizdat, 1961.Гороховский Г.А. Поверхностное диспергирование динамически контактирующих полимеров и металлов. Киев: Наук. думка, 1972.Gorokhovskiy G.A. Poverhnostnoe dispergirovanie dinamicheski kontactiruyucshikh polymerov i metallov [Surface dispersion dynamically contacting polymers and metals]. Kiev: Naukova dumka, 1972.Малкин А.И., Киселев М.Р., Клюев В.А, Лознецова Н.Н., Топоров Ю.П. Влияние механоактивации на термические свойства порошковых смесей алюминия с политетрафторэтиленом // Материаловедение. 2012. No. 3. С. 10—14.Malkin A.I., Kiselev M.R., Kliuev V.A., Loznecova N.N., Toporov Yu.P. Vliyanie mechanoactivacii na termicheskie svoistva poroshkovykh smesei aluminiya s polytetraftoretilenom [Influence mechanical activation on the thermal properties of powder mixtures of aluminium with politetraftorjetilenom]. Materialovedenie. 2012. No. 3. Р. 10—14.Болдырев В.В., Аввакумов Е.Г., Болдырева Е.В. и др. Фундаментальные основы механической активации, механосинтеза и механохимических технологий / Под ред. Аввакумова Е.Г. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009.Boldyrev V.V., Avvakumov E.G., Boldyreva E.V. et al. Fundamentalnye osnovy mechanicheskoi activacii, mechanosynteza i mechanochimicheskikh tehnologii [Fundamentals of mechanical activation, and mechanоsynthesis are considered chemical technologies]. (Ed. Avvakumov E.G.). Novosibirsk: SO RAN, 2009.Демьяненко Д.Б., Дудырев А.С., Страхов И.Г., Цынбал М.Н. Комплекс новых пиротехнических замедлительных составов для временных устройств пироавтоматики и средств инициирования // Изв. СПбГТИ. 2012. Т. 42. No. 16. С. 3—7.Demyanenko D.B., Dudyrev A.S., Strahov I.G., Cynbal M.N. Kompleks novykh pirotehnicheskikh zamedlitelnykh sostavov dlya vremennykh ustroistv piroavtomatiki i sredstv iniciirovaniya [Complex new pyrotechnic compositions for temporary piroavtomatiс devices and means of initiation]. Izv. Sankt-Peterburgskogo Gos. Tekhnol. Inst. (Tekh. Univ.). 2012. Vol. 42. No. 16. P. 3—7.Демьяненко Д.Б., Дудырев А.С., Ефанов В.В., Страхов И.Г., Цынбал М.Н. Пиротехнические временные устройства для объектов космической техники // Науч.-техн. журн. НПО им. С.А. Лавочкина. 2012. Т. 14. No. 3. С. 35—40.Demyanenko D.B., Dudyrev A.S., Ephanov V.V., Strahov I.G, Cynbal M.N. Pirotehnicheskie vremennye ustroistva dlya ob’ektov kosmicheskoi tekhniki [Pyrotechnic devices for temporary objects of space technology]. Nauchno-technicheskii journal NPO im. S.A. Lavochkina. 2012. Vol. 14. No. 3. P. 35—40.Демьяненко Д.Б., Дудырев А.С., Ефанов В.В. Комплекс новых пиротехнических средств, для обеспечения функционирования малых космических аппаратов // Изв. СПбГТИ. 2007. Т. 27. No. 1. С. 5—9.Demyanenko D.B., Dudyrev A.S., Ephanov V.V. Complex novyh pirotehnicheskikh sredstv dlya obespecheniya funkcionirovaniya malykh kosmicheskikh apparatov [Complex new fireworks, to ensure the functioning of small spacecraft]. Izv. Sankt-Peterburgskogo Gos. Tekhnol. Inst. (Tekh. Univ.). 2007. Vol. 27. No. 1. P. 5—9.Мадякин Ф.П., Тихонова Н.А. Компоненты и продукты сгорания пиротехнических составов. Полимеры и олигомеры: Учеб. пос. Казань: Изд-во КГТУ, 2008.Madjakin F.P., Tikhonov N.A. Componenty i producty sgoraniya pirotehnicheskikh sostavov [A components and products of combustion of pyrotechnic compositions: Polymers and oligomers]. Kazan: Izd-vo Kazanskogo Gos. Tech. Un-ta, 2008.Полард Ф.Б., Арнольд Дж.Б. Вспомогательные системы ракетно-космической техники. М.: Мир, 1970.Polard F.B., Arnold J.B. Vspomogatelnye sistemy raketno-kosmicheskoi tekhniki [Support systems of rocket and space technology]. Moscow: Mir, 1970.Hightower J.O., Hamner J.W., Matthews R.L. Solid propellant with alumina burning rate catalyst: Pat. 4084992 (USA). 1978.James O. Hightower, James W. Hamner, Richard L. Matthews. Solid propellant with alumina burning rate catalyst. Pat. 4084992 (USA). 1978.Shoshin Y.L., Mudryy R.S., Dreizin E.L. Preparation and characterization of energetic Al—Mg mechanical alloy powders // Combus. and Flame. 2002. Vol. 128. No. 3. P. 259—269.Shoshin Y.L., Mudryy R.S., Dreizin E.L. Preparation and characterization of energetic Al—Mg mechanical alloy powders. Combus. and Flame. 2002. Vol. 128. No. 3. P. 259—269.Streletskii A., Kolbanev I.V., Borunova A.B., Butyagin P.Yu. Mechanochemically activated Al: Preparation, structure and chemical properties: Abstr. INCOME 2003. Braunschweig, Germany (7—11 Sept. 2003). P. 44.Streletskii A., Kolbanev I.V., Borunova A.B., Butyagin P.Yu. Mechanochemically activated Al: Preparation, structure and chemical properties: Abstr. INCOME 2003. Braunschweig, Germany (7—11 Sept. 2003). P. 44.Streletskii A.N., Pivkina A., Kolbanev I., Leipunsky I., Pschechenkov P., Lomaeva S., Polunina I., Frolov Yu., Butyagin P. Mechanochemically activated nano-aluminium: Structure and morphology: Abstr. INCOME 2003. Braunschweig, Germany (7—11 Sept. 2003). P. 137.Streletskii A.N., Pivkina A., Kolbanev I., Leipunsky I., Pschechenkov P., Lomaeva S., Polunina I., Frolov Yu., Butyagin P. Mechanochemically activated nano-aluminium: Structure and morphology: Abstr. INCOME 2003. Braunschweig, Germany (7—11 Sept. 2003). P. 137.Levitas V. The effects of fuel particle size on the reaction of Al/teflon mixtures. New-York: John Borrelli Dean of the Graduate School, 2006.Levitas V. The effects of fuel particle size on the reaction of Al/teflon mixtures. New-York: John Borrelli Dean of the Graduate School, 2006.Денисаев А.А., Штейнберг А.С., Берлин А.А. Инициирование реакции в тонкопленочных многослойных образцах алюминий—фторопласт при ударе на копре // Хим. физика. 2008. Т. 27. No. 6. С. 83—90.Denisaev A.A., Steinberg A.S., Berlin A.A. Iniciirovanie reactii v toncoplenochnyh mnogosloinyh obrazcah aluminii-ftoroplast pri udare na kopre [Initiation reactions in thin-film multilayer aluminium-fluoropolymer samples upon impact to koper]. Khimicheskaya phizika. 2008. Vol. 27. No. 6. P. 83—90.Лаптенков В.Н., Салтанов Л.С., Свидинский А.В., Белов В.Ю., Баранов Г.В., Крылов В.П. Композиционный материал для осуществления взрывопроникающего действия: Пат. 2579586 (РФ). 2016.Laptenkov V.N., Saltanov L.S., Svidinskij A.V., Belov V.Yu., Baranov G.V., Krylov V.P. Kompozicionnyi material dlya osuschestvleniya vzryvopronikayuschego deistviya [Composite material for the implementation of the explosive actions]. Pat. 2579586 (RU). 2016.Vadchenko S.G., Alymov M.I. Ignition of W—Teflon— Al powder mixtures // Int. J. Self-Propagating HighTemperature Synthesis. 2017. Vol. 26. No. 2. Р. 137—139.Vadchenko S.G., Alymov M.I. Ignition of W—Teflon—Al Powder Mixtures. Int. J. Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2017. Vol. 26. No. 2. Р. 137—139.Селиванов В.В., Имховик Н.А., Лашков В.Н., Селезенев А.А. Исследование процесса физико-химической деструкции ПТФЭ и композиций ПТФЭ—металл при термических и ударно-волновых воздействиях // Хим. физика. 2001. Т. 20. No. 8. С. 80—85.Selivanov V.V., Imhovik N.A., Lashkov V.N., Selezenev A.A. Issledovanie processa phiziko-khimicheskoi destructii PTFE i kompozicii PTFE-metal pri termicheskikh i udarno-volnovyh vozdeistviyakh [Study process physical and chemical degradation of PTFE and PTFE-metal compositions with thermal and shock-wave effects]. Khimicheskaya fizika. 2001. Vol. 20. No. 8. P. 80—85.Бузник В.М., Курявый В.Г. Морфология и строение микронных и наноразмерных порошков политетрафторэтилена, полученных газофазным методом // Журн. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева. 2008. Т. LII. No. 3. С. 131—139.Buznik V.M., Kuryavyi V.G. Morfologiya i stroyeniye mikronnykh i nanorazmernykh poroshkov olitetraftoretilena, poluchennykh gazofaznym metodom [Morphology and structure of fine teflon powders prepared by gas-phase method]. Ros. khimicheskii. zhurnal im. D.I. Mendeleyeva. 2008. Vol. LII. No. 3. P. 131—139.Тарасов А.В., Алиханян А.С., Архангельский И.В. Взаимодействие фторполимеров с переходными металлами // Неорган. матер. 2009. Т. 45. No. 7. С. 1—6.Tarasov A.V., Alikhanian A.S., Arkhangel’skii I.V. Vzaimodeystviye ftorpolimerov s perekhodnymi metallami [Chemical interaction of fluoropolymers with transition metals]. Neorgan. materialy. 2009. Vol. 45. No. 7. P. 1—6.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.