30% Металлического горючего и 70% нитрата:

а – NaNO₃; б – Sr(NO₃)₂; в – Ba(NO₃)₂;

г – Pb(NO₃)₂; д – NH₄NO₃

При содержании в смеси 5-95% магния или 15-90% сплава АМ начавшаяся экзотермическая реакция быстро переходит во вспышку; при этом содержание сплава АМ незначительно влияет на температуру начала реакции (рис. 2.4), а увеличение содержания магния приводит к существенному снижению температуры начала экзотермического эффекта.

Рис. 2.4. Кривые дифференциальной записи температуры при нагревании

нитратов и их смесей со сплавом АМ

(скорость нагрева 20 град/мин)

Разрежение (рис. 2.5) и увеличение скорости нагрева (рис. 2.6) оказывают незначительное влияние на температуру начала экзотермического эффекта при нагревании смесей нитрата натрия со сплавом АМ.

Рис. 2.5. Кривые дифференциальной записи температуры

при нагревании нитрата натрия (а), нитрата стронция (б),

нитрата бария (в) и смесей на их основе со сплавом АМ

при остаточном давлении 133 Па

Нитрат натрия содержит значительное количество активного кислорода и относительно легко его отдает. Он дешев, имеет широкую сырьевую и производственную базу. Смеси на его основе обладают невысокой чувствительностью к механическим воздействиям. С большинством металлических горючих нитрат натрия сгорает со значительными скоростями и образованием яркого пламени. Поэтому, несмотря на относительно высокую гигроскопичность, он находит широкое применение в различных пиротехнических составах. Наиболее часто применяется в осветительных пиротехнических составах, используемых для снаряжения осветительных патронов, факелов, снарядов и бомб [49, 50]. Осветительные средства на основе нитрата натрия обладают высокими светотехническими характеристиками.

Рис. 2.6. Кривые дифференциальной записи температуры

при нагревании смесей, содержащих

30% Сплава ам и 70% нитрата

при различной скорости нагрева:

а – NaNO₃; б – Ba(NO₃)₂

Нитрат натрия является ингредиентом черного пороха, входит в рецептуры сигнальных и трассирующих составов белого и желтого огней, высокоазотных газогенерирующих и воспламенительных составов, пиротехнических топлив для реактивных двигателей различного назначения. Используется в составах ИК-излучения для систем слежения за объектами ракетно-космической техники, калибровки измерительных средств и оптических систем [50]. В ряде случаев применяется в смесевых ракетных топливах. Известно его использование в качестве одного из компонентов металлизированных жидковязких огнесмесей [8].

1.4. Нитрат калия

Нитрат калия (калий азотнокислый, калиевая селитра) KNO₃ – бесцветное кристаллическое вещество ромбической системы. Кристаллы соли безводны и в воздухе не расплываются.

Твердость нитрата калия по шкале Мооса равна 2. При температуре 124,0-129,5⁰С наблюдается полиморфное превращение, теплота которого составляет 5,44 кДж/моль. В ряде работ отмечается наличие еще одного превращения, которое происходит в результате охлаждения при температуре  109⁰С. Модификация, стабильная в диапазоне температур 109-124⁰С, обозначается III.

Нитрат калия хорошо растворяется в воде и разбавленном спирте, в абсолютном спирте практически не растворяется. Примеси солей кальция, натрия, магния и марганца увеличивают его гигроскопичность.

По данным ДТА (см. табл. 2.1) термическое разложение нитрата калия становится заметным при температуре 628⁰С, т.е. значительно превышающей температуру плавления. Медленное разложение его наблюдается при более низких температурах (350-400⁰С).

Известно, что реакция

КNO₃ (ж) KNO₂ (ж) + 0,5O₂ – 108,8 кДж

в диапазоне температур 600-700⁰С является обратимой.

Реакция разложения не бывает полной: по мере накопления нитрита калия она замедляется и, наконец, прекращается при достижении определенного соотношения между нитратом и нитритом.

Политермы изотермического разложения нитрата калия в тигле из серебра в воздухе после выдержки в течение 10 мин представлены на рис. 2.1. Кинетические кривые изотермического разложения нитрата калия в тех же условиях в диапазоне температур 550-750⁰С приведены на рис. 2.7.

Энергия активации реакции термического разложения нитрита калия в диапазоне температур равна, кДж/моль: 500-650⁰С – 83,51; 650-700⁰С – 232,09.

Рис. 2.7. Кинетические кривые изотермического разложения

нитрата калия в воздухе (тигель из серебра)

При температурах, соответствующих горению большинства пиротехнических составов, разложение нитрата калия происходит по уравнению

2KNO₃ = К₂О + N₂ + 2,5О₂ – 631,8 кДж.

Скорость разложения при температуре 1000⁰С (близкой к температуре поверхности горения твердого ракетного топлива) весьма велика.

Нитрат калия известен в качестве окислителя с глубокой древности. Высокое содержание свободного кислорода, низкая гигроскопичность и достаточная устойчивость составов на его основе к механическим воздействиям наряду с низкой стоимостью позволяют применять его с рядом горючих (как металлов, так и неметаллов).

Наиболее часто нитрат калия применяют в сочетании с серой и древесным углем для изготовления дымных порохов [50]. Последние используют для изготовления передаточных и вышибных зарядов в шрапнелях, зажигательных и осветительных снарядах; замедлителей и усилителей луча пламени в трубках и взрывателях; пороховых лепешек в капсюльных втулках; воспламенителей РДТТ; огнепроводного шнура; воспламенительно-вышибных зарядов для высотных фейерверочных изделий типа «Салют» и т.д.

В зависимости от назначения существует несколько сортов дымных порохов: ружейный, крупнозернистый, трубочный, шнуровой, призматический, кубический, охотничий.

На основе нитрата калия разработаны пиротехнические воспламенительные составы для РДТТ [49, 50], продукты сгорания которых обладают значительной температурой и высоким содержанием конденсированной фазы. Смеси, содержащие металлическое горючее (например, бор, цирконий), прессуются в таблетки определенной формы, которые затем размещаются в камере РДТТ в виде воспламенителей корзиночного или пирогенного типа.

Он входит в воспламенительные составы для зажигания дымовых, осветительных и других пиротехнических смесей [8].

Известны рецептуры смесевых твердых ракетных топлив на основе нитрата калия, преимуществом которых наряду с достаточно высоким удельным импульсом тяги (1960 Нс/кг) является низкая температура продуктов сгорания (~ 1750⁰С), что позволяет обеспечить высокую живучесть элементов двигателя.

Нитрат калия применяют также в качестве окислителя в твердых пиротехнических топливах для ПВРД, металлизированных зажигательных огнесмесях [8, 50], инициирующих смесях для пиропатронов [49], сигнальных, аэрозолеобразующих составах и составах для объемного пожаротушения [51, 52].