eng
Выпуск #2/2014
Г.Шувалов , И.Клековкин, А.Ильин, Д.Тихонов
Горение нанопорошка алюминия
Горение нанопорошка алюминия
Просмотры: 5403
Исследование горения на воздухе нанопорошка алюминия позволило установить характер процесса горения, определить скорость изменения плотности тепловых потоков, проанализировать конечные продукты горения.
Порошки алюминия широко применяются в качестве добавок в ракетных топливах и пиротехнических смесях [1]. С увеличением дисперсности порошков уменьшаются потери и улучшаются другие характеристики топлив, но снижается содержание металлического алюминия и увеличивается вероятность появления пирофорных свойств [2]. Целью проведенной в научно-аналитическом центре Томского политехнического университета работы являлось исследование особенностей процесса горения на воздухе нанопорошка алюминия (НПА).
Исследуемые образцы НПА получены с помощью электровзрывной экспериментальной установки УДП-4Г (рис.1) [3, 4] с автоматической подачей проводника при частоте электровзрывов 0,6–0,8 Гц. В качестве взрываемого проводника использовалась проволока диаметром 0,35 мм с массовой долей алюминия 99,8%.
В качестве рабочего газа применялся аргон при давлении 0,6 МПа. Условия получения нанопорошков представлены в табл.1. Взрывы проводились в режиме "быстрого взрыва" [5] и осуществлялись с дуговой стадией. Энергии – удельная введенная (W/Wc) и дуговой стадии (Wд/Wc) регулировались изменением зарядного напряжения (U0) или длины (l) проводника (W – энергия, введенная в проводник на стадии взрыва, Wд – энергия, введенная на стадии дугового разряда, Wc – энергия сублимации взрываемого провод-
ника). Исследовался нанопорошок, пассивированный в среде аргона с контролируемым содержанием воздуха.
Фазовый состав нанопорошков определялся с использованием рентгеновского дифрактометра Shimadzu XRD-7000 (CuKα). Размер и форма частиц анализировались с помощью растрового микроскопа Jeol JSM-7500FA. Площадь удельной поверхности (Sуд) измерялась низкотемпературной адсорбцией азота по методу БЭТ. Реакционная способность НПА определялась по химической активности [6] с учетом температуры начала окисления, максимальной скорости окисления, степени окисленности НПА и удельного теплового эффекта окисления. Для расчета использовались термограммы, полученные с помощью термоанализатора Q600.
Для измерения мощностей тепловых потоков при сгорании НПА использовался прибор "Термомет-1" (ТМ-1) [7], который предварительно калибровался с помощью установки УТМ-1 с теплометрической камерой, обеспечивающей создание теплового потока плотностью от 10 до 2000 Вт/м2. В соответствии с методикой измерения по ГОСТ 1855-88 (погрешность не более 1,5%) для определения действительной плотности теплового потока в рабочей камере установки использовался эталонный датчик ЭДТП 0924.
Эксперимент
Перед помещением образца в камеру ТМ-1 записывалась термограмма и рассчитывались параметры активности НПА (рис.2). В результате определялась его устойчивость (пирофорность) при комнатной температуре.
Основной тепловой поток от НПА наблюдается до 660°C. Он вносит главный вклад в общее тепловыделение: окисляется 68,9% металлического алюминия (табл.2) и выделяется 5956 Дж/г теплоты.
Образец НПА взвешивался на электронных весах (AND, WTB-200). Для воспламенения навески НПА использовался красный полупроводниковый лазер мощностью 200 мВт. При горении НПА сигнал напряжения с центрального датчика в верхней части камеры ТМ-1 подавался на компьютер через АЦП и непрерывно регистрировался во времени. При измерении тепловых потоков от горящих образцов НПА использовались навески от 0,2 до 0,8 г. Типичная зависимость изменения мощности теплового потока от времени при горении НПА показана на рис.3.
Максимальная скорость возрастания плотности теплового потока зависит от величины навески (табл.3). При этом для НПА характерны две стадии горения: начальная относительно медленная – с момента зажигания до 20-й секунды, и более быстрая – с 20-й с до 30-й секунды. Для первой стадии при навеске 0,8 г характерна средняя скорость возрастания плотности теплового потока 2,19 Вт/с∙м2, а для второй – 3,79 Вт/с∙м2.
После сжигания НПА в камере ТМ-1 фазовый состав продуктов сгорания анализировался с помощью рентгенофазового анализа (РФА). Как показано на рис.4, основная кристаллическая фаза в продуктах горения – нитрид алюминия. Необходимо также отметить, что в этих продуктах присутствует исходный НПА в сравнимых с нитридом количествах.
Результаты
Если масса навески изменялась от 0,800 до 0,812 г (табл.3, образцы 1–7), то скорость роста плотности тепловых потоков горящего НПА изменялась от 1,68 до 2,65 Вт/с∙м2. На первой стадии наблюдалось нестационарное горение НПА [8] и происходило выгорание водорода, образовывавшегося при адсорбции и диссоциации молекул воды на поверхности наночастиц при пассивировании. После диффузии протонов внутрь наночастицы происходило восстановление протонов до атомов водорода и окисление металла [9]. Массовая доля абсорбированного водорода в НПА достигала 1,5%. Энтальпия сгорания алюминия на первой стадии зависит от формы навески, ее плотности и содержания водорода, поэтому наблюдался значительный разброс плотности теплового потока. Аналогичные результаты получены на меньших навесках (табл.3, обр. 8–14), хотя плотность такого потока, согласно полученным данным, понижается с уменьшением массы образцов.
Вторая стадия горения НПА протекает более интенсивно, и плотность теплового потока в среднем увеличивается в 1,5 раза. При этом разброс плотности не уменьшался – экспериментальные данные различаются примерно в два раза. Средние значения скорости роста плотности тепловых потоков для первой и второй стадий горения НПА составляют соответственно 2,19 и 3,79 Вт/с∙м2. Среднее значение плотности тепловой энергии при горении НПА в первой серии экспериментов (навески 0,800–0,812 г) составляет 661,16±38,36 Дж/м2.
Таким образом, горение НПА на первой и второй стадиях отличается от горения горючих материалов в массивном состоянии нестационарностью. Характерное свойство НПА – зависимость скорости изменения плотности тепловых потоков от массы навески. Плотность тепловой энергии зависит от соотношения оксида и нитрида алюминия в конечных продуктах сгорания.
Литература
Сарнер С. Химия ракетных топлив. Перевод с английского / Под ред. В.А. Ильинского. М.: Мир, 1969, с.448.
Буланов В.Я., Кватер Л.И., Долгаль Т.В. и др. Диагностика металлических порошков. –
М.: Наука, 1983, с.278.
Назаренко О.Б., Тихонов Д.В. Формирование наночастиц в условиях электрического взрыва проводников. – Томск, И: ТПУ, 2008, с.87.
Азаркевич Е.И., Ильин А.П., Тихонов Д.В., Яблуновский Г.В. Электровзрывной синтез ультрадисперсных порошков сплавов и интерметаллических соединений. – ФХОМ, 1997, № 4, с.85–88.
Bennet F.D. High-temperature Exploding Wires. Progress in High-temperature Physics and Chemistry. N.Y.: Pergamon Press,1968, vol. 2, p.1–63.
Ильин А.П., Яблуновский Г.В., Громов А.А. Об активности порошков алюминия. – ФГВ, 2001, Т. 37, №4, с.58–62.
Госстандарт РФ. МИ 109-2011. Методика измерений теплового потока при горении нанопорошков металлов.
Ильин А.П., Громов А.А. Горение алюминия и бора в сверхтонком состоянии. – Томск, ТГУ, 2002, с.154.
Хауффе К. Реакции в твердых телах и на их поверхности, ч.2. – И: ИЛ, 1963, c.275.
Исследуемые образцы НПА получены с помощью электровзрывной экспериментальной установки УДП-4Г (рис.1) [3, 4] с автоматической подачей проводника при частоте электровзрывов 0,6–0,8 Гц. В качестве взрываемого проводника использовалась проволока диаметром 0,35 мм с массовой долей алюминия 99,8%.
В качестве рабочего газа применялся аргон при давлении 0,6 МПа. Условия получения нанопорошков представлены в табл.1. Взрывы проводились в режиме "быстрого взрыва" [5] и осуществлялись с дуговой стадией. Энергии – удельная введенная (W/Wc) и дуговой стадии (Wд/Wc) регулировались изменением зарядного напряжения (U0) или длины (l) проводника (W – энергия, введенная в проводник на стадии взрыва, Wд – энергия, введенная на стадии дугового разряда, Wc – энергия сублимации взрываемого провод-
ника). Исследовался нанопорошок, пассивированный в среде аргона с контролируемым содержанием воздуха.
Фазовый состав нанопорошков определялся с использованием рентгеновского дифрактометра Shimadzu XRD-7000 (CuKα). Размер и форма частиц анализировались с помощью растрового микроскопа Jeol JSM-7500FA. Площадь удельной поверхности (Sуд) измерялась низкотемпературной адсорбцией азота по методу БЭТ. Реакционная способность НПА определялась по химической активности [6] с учетом температуры начала окисления, максимальной скорости окисления, степени окисленности НПА и удельного теплового эффекта окисления. Для расчета использовались термограммы, полученные с помощью термоанализатора Q600.
Для измерения мощностей тепловых потоков при сгорании НПА использовался прибор "Термомет-1" (ТМ-1) [7], который предварительно калибровался с помощью установки УТМ-1 с теплометрической камерой, обеспечивающей создание теплового потока плотностью от 10 до 2000 Вт/м2. В соответствии с методикой измерения по ГОСТ 1855-88 (погрешность не более 1,5%) для определения действительной плотности теплового потока в рабочей камере установки использовался эталонный датчик ЭДТП 0924.
Эксперимент
Перед помещением образца в камеру ТМ-1 записывалась термограмма и рассчитывались параметры активности НПА (рис.2). В результате определялась его устойчивость (пирофорность) при комнатной температуре.
Основной тепловой поток от НПА наблюдается до 660°C. Он вносит главный вклад в общее тепловыделение: окисляется 68,9% металлического алюминия (табл.2) и выделяется 5956 Дж/г теплоты.
Образец НПА взвешивался на электронных весах (AND, WTB-200). Для воспламенения навески НПА использовался красный полупроводниковый лазер мощностью 200 мВт. При горении НПА сигнал напряжения с центрального датчика в верхней части камеры ТМ-1 подавался на компьютер через АЦП и непрерывно регистрировался во времени. При измерении тепловых потоков от горящих образцов НПА использовались навески от 0,2 до 0,8 г. Типичная зависимость изменения мощности теплового потока от времени при горении НПА показана на рис.3.
Максимальная скорость возрастания плотности теплового потока зависит от величины навески (табл.3). При этом для НПА характерны две стадии горения: начальная относительно медленная – с момента зажигания до 20-й секунды, и более быстрая – с 20-й с до 30-й секунды. Для первой стадии при навеске 0,8 г характерна средняя скорость возрастания плотности теплового потока 2,19 Вт/с∙м2, а для второй – 3,79 Вт/с∙м2.
После сжигания НПА в камере ТМ-1 фазовый состав продуктов сгорания анализировался с помощью рентгенофазового анализа (РФА). Как показано на рис.4, основная кристаллическая фаза в продуктах горения – нитрид алюминия. Необходимо также отметить, что в этих продуктах присутствует исходный НПА в сравнимых с нитридом количествах.
Результаты
Если масса навески изменялась от 0,800 до 0,812 г (табл.3, образцы 1–7), то скорость роста плотности тепловых потоков горящего НПА изменялась от 1,68 до 2,65 Вт/с∙м2. На первой стадии наблюдалось нестационарное горение НПА [8] и происходило выгорание водорода, образовывавшегося при адсорбции и диссоциации молекул воды на поверхности наночастиц при пассивировании. После диффузии протонов внутрь наночастицы происходило восстановление протонов до атомов водорода и окисление металла [9]. Массовая доля абсорбированного водорода в НПА достигала 1,5%. Энтальпия сгорания алюминия на первой стадии зависит от формы навески, ее плотности и содержания водорода, поэтому наблюдался значительный разброс плотности теплового потока. Аналогичные результаты получены на меньших навесках (табл.3, обр. 8–14), хотя плотность такого потока, согласно полученным данным, понижается с уменьшением массы образцов.
Вторая стадия горения НПА протекает более интенсивно, и плотность теплового потока в среднем увеличивается в 1,5 раза. При этом разброс плотности не уменьшался – экспериментальные данные различаются примерно в два раза. Средние значения скорости роста плотности тепловых потоков для первой и второй стадий горения НПА составляют соответственно 2,19 и 3,79 Вт/с∙м2. Среднее значение плотности тепловой энергии при горении НПА в первой серии экспериментов (навески 0,800–0,812 г) составляет 661,16±38,36 Дж/м2.
Таким образом, горение НПА на первой и второй стадиях отличается от горения горючих материалов в массивном состоянии нестационарностью. Характерное свойство НПА – зависимость скорости изменения плотности тепловых потоков от массы навески. Плотность тепловой энергии зависит от соотношения оксида и нитрида алюминия в конечных продуктах сгорания.
Литература
Сарнер С. Химия ракетных топлив. Перевод с английского / Под ред. В.А. Ильинского. М.: Мир, 1969, с.448.
Буланов В.Я., Кватер Л.И., Долгаль Т.В. и др. Диагностика металлических порошков. –
М.: Наука, 1983, с.278.
Назаренко О.Б., Тихонов Д.В. Формирование наночастиц в условиях электрического взрыва проводников. – Томск, И: ТПУ, 2008, с.87.
Азаркевич Е.И., Ильин А.П., Тихонов Д.В., Яблуновский Г.В. Электровзрывной синтез ультрадисперсных порошков сплавов и интерметаллических соединений. – ФХОМ, 1997, № 4, с.85–88.
Bennet F.D. High-temperature Exploding Wires. Progress in High-temperature Physics and Chemistry. N.Y.: Pergamon Press,1968, vol. 2, p.1–63.
Ильин А.П., Яблуновский Г.В., Громов А.А. Об активности порошков алюминия. – ФГВ, 2001, Т. 37, №4, с.58–62.
Госстандарт РФ. МИ 109-2011. Методика измерений теплового потока при горении нанопорошков металлов.
Ильин А.П., Громов А.А. Горение алюминия и бора в сверхтонком состоянии. – Томск, ТГУ, 2002, с.154.
Хауффе К. Реакции в твердых телах и на их поверхности, ч.2. – И: ИЛ, 1963, c.275.
Отзывы читателей
