Шидловский. Основы пиротехники

сопровождающееся отчетливо воспринимаемым световым, звуковым или дымовым эффектом.

Температура самовоспламенения для одного и того же состава не является вполне постоянной величиной, но в некоторой степени зависит от условий испытания; поэтому при испытании строго регламентируют навеску состава, конструкцию прибора и скорость нагрева.

Ряд испытаний, проводимых при различных температурах, каждый раз с новыми навесками состава, дает возможность установить с точностью до 5° С минимальную температуру, ниже которой самовоспламенения не происходит.

ЕСЛИ температура самовоспламенения состава выше 400— 450° С, то достаточно определить ее с точностью ±10 С.

Температура самовоспламенения двойных смесей с окислителем —хлоратом калия (табл. 7. 1) —в большинстве случаев значительно ниже температуры самовоспламенения перхлоратных или нитратных смесей (с теми же горючими).

Таблица 7.1 Температра самовоспламенения стехиометрических двойных смесей

Температура самовоспламенения в °С

Исключением являются двойные смеси, содержащие порошки горючих металлов.

Эллерм делит пиротехнические горючие (без добавления к ним окислителя) на три группы в зависимости от значения их температуры самовоспламенения, а именно: I. 200— 350°, II. 350—600°. III. >700°C.

К первой группе он относит Zr, Ti, Р красн, S, Th, Nb и Та; ко второй группе — Mg (520— 540° С), Mn (492° С), сульфиды сурьмы и мышьяка, возможно, цинк и силицид кальция; к третьей группе—только алюминий. Очевидно, чем ниже температура воспламенения горючего, тем будет ниже и температура самовоспламенения состава, изготовленного с использованием этого горючего.

В табл. 7.2 приводятся данные о температуре самовоспламенения различных пиротехнических составов.

Таблица 7.2

Температура самовоспламенения пиротехнических смесей [117; 96]

71

Определение чувствительности к лучу огня

Чувствительность к лучу огня характеризует возможность воспламенения составов при случайном попадании на них искры. Иногда при этом испытании используется бикфордов шнур, нижний срез которого касается поверхности пиросостава;

результат испытания фиксируют следующим образом: «+» — воспламенение или «—» — отказ.

Дополнительные испытания

Для трудновоспламеняемых составов проводят дополнительные испытания их способности загораться от различных воспламенительных составов. При этом постепенно переходят от более слабых к более сильным воспламенительным составам.

Впоследние годы разработана методика испытания пиросостaвoв на чувствительность их к воздействию лучистой энергии. Источником излучения может служить угольная электродуга (~5000К). Ее излучение фиксируется на поверхности шашечки пиросостава при помощи оптической системы из двух параболических зеркал. Время индукции обычно выражается в миллисекундах.

Внекоторых случаях проводят дополнительное исследование поведения составов при воздействии на них высокой температуры методами дифференциального термического

72

анализа (ДТА) и термогравиметрического анализа (ТГА); описание этих методов в применении к пиросоставам дается в работах.

§ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ К МЕХАНИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

Впроцессе изготовления и уплотнения составов, как бы осторожно эти операции не проводились, неминуемо возникает трение, не исключена также возможность толчков и ударов.

Вартиллерийских снарядах в момент выстрела возникают значительные инерционные напряжения. Они могут повлечь за собой сдвиг пиротехяических зарядов, может возникнуть значительное трение.

Всвязи с этим изучение чувствительности составов к механическим воздействиям имеет очень большое значение.

Следует отметить, что, как правило, составы, более чувствительные к трению, обладают и большей чувствительностью к удару, но полного соответствия между этими характеристиками нет, так же как нет соответствия между температурой самовоспламенения составов и их чувствительностью к удару или трению. Очевидно, способность воспринимать ту или иную форму энергии различна у разных составов. Степень восприятия энергии зависит от физических свойств состава и условий испытания.

Определение чувствительности к удару

Для определения чувствительности используют ту же аппаратуру, что и при испытании бризантных ВВ, т. е. вертикальные копры и роликовые приборчики (ГОСТ 4545—48). Пиросостав испытывают с грузом 10 кг; для более чувствительных составов можно пользоваться грузами 5 или 2 кг. Часто чувствительность к удару выражается произведением веса груза на высоту его падения, отнесенным к единице площади состава, на которую удар распространяется. В табл. 7. 3 приводятся данные о чувствительности к удару для некоторых двойных стехиометрических смесей.

Особо чувствительны к удару смеси КСlOз с роданистым калиeм (KCNS) и реальгаром (As2S2); для этих смесей работа удара равна соответственно 0,5 и 0,6 кгс-м/см2 (4,9 и 5,8 Дж/см).

Ряд работ по выяснению механизма возникновения взрыва при ударе и уточнению методов испытания чувствительности ВВ к удару выполнен Н. А. Холево, К. К. Андреевым с сотрудниками, Ф. Боуденом и др..

В известной мере выводы, сделанные в этих работах, могут быть перенесены и на пиротехнические составы.

Таблица 7.3

Чувствительность к удару двойных стехиометрических смесей (в кгс • м/см2)

73

Определение чувствительности к трению

Предварительная оценка чувствительности составов к трению может быть получена растиранием их в неглазурованной фарфоровой ступке (навеска на кончике ножа). Но это испытание имеет, конечно, субъективный характер (зависит от приемов трения и силы экспериментатора).

Очевидно, в принципе .возможно создать прибор, осуществляющийся вращательное (и вибрирующее) движение пестика в ступке и вместе с тем фиксирующий то давление, которое оказывает пестик на навеску состава.

В приборе С. Г. Добрыша испытуемый состав (или ВВ) растирается между двумя параллельными стальными поверхностями, нижняя из которых (матрица) неподвижна, а верхняя (пуансон) вращается со скоростью 150 об/мин. К пуансону может быть приложено давление до 2000 кгс/см2 (196 МН/м2). Навеска состава 0,02 г; для увеличения трения к составу добавляется 0,002 г тонкого кварцевого песка. Продолжительность трения 10 с. Чувствительность оценивается по минимальному давлению, при котором при растирании образца происходит воспламенение.

При каждом давлении проводится шесть испытаний; параллельно проводят опыты с эталонным веществом. Однако многие пиросоставы при испытании на этом приборе не взрываются даже при давлении в 2000 кгс/см2.

Результаты испытаний на этом приборе стехиометрических хлоратных двойных смесей приведены в табл. 7.4.

Разработан и другой прибор — Боудеда — Козлова. В этом приборе (рис. 7.1) может быть создано давление до 10 000 кгс/см2 (961 МН/м2).

Тротил на этом приборе дает взрывы, начиная с давления 5000 кгс/см2 (490 МН/м2). Так как при испытании обычно имеет место некоторый перекос подвижного ролика при ударе, то в данном случае возможно сочетание трения со скользящим ударом.

В Японии для определения чувствительности к трению употребляется прибор Ямада (Yamada). Проба в этом приборе помещается между двумя гори-

Таблица 7.4

Чувствительность к трению двойных смесей с окислителем — хлоратом калия

74

зонтальными поверхностями из корунда. Нижняя поверхность — шестигранник со стороной 8 мм, верхняя поверхность — цилиндр длиной 7 мм, диаметром 5 мм. Таблетка испытуемого вещества или смеси имеет диаметр 3 мм

Рис. 7.1. Узел прибора Боуде-на — Козлова для определения чувствительности ВВ к трению:

1-подвижный ролик; 2-упор; 3-неподвижный ролик; 4-ВВ; 5-поршень для передачи давления пресса на ролик 3; 6-муфта; 7-стержень с головкой, передающий удар

и толщину 0,3 мм. Сжатие корундовых поверхностей создается сильной стальной пружиной и регулируется поворотом рулевого колеса; на приборе можно создать давление до 'ЗОЮ кгс/см2. Сдвиг верхней трущей поверхности осуществляется при помощи маятника радиусом 400 мм и весом 5 кг (возможный сдвиг до 10 мм). Испытание повторяют, меняя давление сжатия пробы, затем строят график: % воспламенения — давление сжатия.

Известны и другие приборы для определения чувствительности к трению.

§ 3. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ СОСТАВОВ К НАЧАЛЬНОМУ ИМПУЛЬСУ

Количество энергии, которое необходимо сообщить системе для возникновения в ней быстрой химической реакции, определяется, с одной стороны, возможяостя.ми ее собственной энергетики, а с другой — внутренним сопротивлением системы.

Влияние энергетики сказывается в способности реакции, начавшейся в малом объеме, к саморазвитию за счет выделяющейся энерпии. Чем эта склонность к саморазвитию будет больше, тем больше будет и вероятность распространения процесса даже при сравнительно слабом начальном импульсе.

Внутреннее сопротивление системы определяется тем количеством энергии, которое необходимо для разрыва связей; эту величину принято называть энергией активации процесса.

Абстрагируясь временно от влияния внешних физических факторов, можно сказать, что чувствительность химической системы определяется прежде всего величиной энергии активации и величиной теплового эффекта реакции. И та и другая величины выражаются в одинаковой размерности — ккал/г-моль (кДж/г-моль).

Однако это, безусловно, справедливое общее положение не дает возможности практически оценить чувствительность даже индивидуальных веществ (ВВ). Тем более затруднительно оценить чувствительность многокомпонентной микрогетерогенной системы — пиротехнического состава 1.

75

При .рассмотрении возможности возбуждения реакции в пиросоставе прежде всего следует обратить внимание на степень легкости осуществления отдельных процессов: распада окислителя н окисления горючего.

Характеристиками этих более простых (но по существу еще очень сложных) процессов должны были бы опять являться энергия 'активации и теплота реакции.

Однако практически приходится почти всегда ограничиваться рассмотрением температуры разложения окислителя и температуры самовоспламенения иди разложения горючего.

Чем меньше энергии требуется для разложения окислителя и чем ниже температура его разложения, тем при прочих равных условиях (одно и то же горючее) состав будет более чувствителен к начальным импульсам (см. табл. 7.1 и 7.3).

Из сравнения свойств составов с окислителями — КСl)з, КС104 и КNОз — следует, что наибольшей чувствительностью обладают хлоратные составы, так как процесс разложения хлората калия протекает уже при сравнительно низкой температуре ~350° С и в отличие от процессов разложения других окислителей сопровождается выделением ощутимого количества тепла.

Несколько меньшей чувствительностью обладают смеси с перхлоратом калия (реакция его разложения термонейтральна) и значительно меньшей чувствительностью — смеси с нитратом калия (процесс его разложения эндотермичен).

Наиболее трудно и при наиболее высокой температуре распадаются такие оксиды металлов, как, например, оксид железа.

Очевидно, изготовленные с участием F2O3 или Fс204'составы будут иметь наименьшую чувствительность ко всем видам начальных импульсов. Отметим, в частности, что железоалюминие-

' Основными затруднениями при этом являются:

1)то, что реальная энергия активации процесса имеет очень мало общего с энергией активации термического разложения;

2)влияние различных физических факторов, связанное с разной скоростью восприятия энергии, поступающий извне.

вый термит практически не чувствителен к удару и трению, имеет температуру воспламенения около 1300° С и не воспламеняется даже при длительном нагревании его пламенем газовой горелки.

Сложнее обстоит дело при рассмотрении чувствительности составов с одним и тем же окислителем, но с различными горючими.

Малую чувствительность имеют составы с низкокалорийными горючими и окислителями, требующими большого количества тепла на свое разложение. К таким составам относятся, например, двойные смеси нитратов с серой. Малую чувствительность имеют составы, содержащие в себе только очень трудноокисляемые горючие с высокой температурой воспламенения, например графит или кремний.

При рассмотрении чувствительности составов с различными горючими очень .большое значение приобретают физические свойства горючего — температура плавления и кипения, теплопроводность, пластичность, твердость я т. п.

76

Из двойных смесей следует отметить крайне высокую чувствительность смесей хлората калия с красным фосфором; они взрываются уже при легком растирании их резиновой пробкой или при самом легком ударе.

Весьма чувствительны к удару и трению смеси хлоратов с серой, селеном ;и сульфидами фосфора, мышьяка и сурьмы. Особо высокой чувствительностью к удару и трению обладают смеси хлоратов с роданидами, железо и железистосинеродистыми солями. Значительной чувствительностью к трению обладают смеси хлоратов с различными органическими горючими: углеводами, смолами и т. п.

Чувствительными к трению и очень опасными в обращении являются двойные смеси хлоратов с порошками металлов — магнием или алюминием 1.

Из двойных смесей с нитратами металлов значительную чувствительность к удару и трению имеют, ие считая весьма чувствительных смесей с фосфором, только смеси с порошками высококалорийных металлов — магния, алюминия, циркония и др.

• Чувствительность смесей нитратов с органическими горючими в большинстве .случаев невелика.

Температура самовоспламенения алюминия значительно выше, чем у магния, и потому температура самовоспламенения составов с алюминием значительно выше, чем у магниевых составов; в связи с этим для составов с алюминием применяются воспламенительные составы с более высокой температурой горения.

* Ввиду большой взрывоопасности в некоторых странах запрещено изготовление смеси КСlOз+Al .

От луча огня легко воспламеняются дымдый порох, двойные смеси нитрата калия с древесным углем или идитолом и большинство хлоратных составов.

В спрессованном виде составы обычно менее восприимчивы к лучу огня, чем в виде порошка.

Обычно более чувствительны те составы, в которых компоненты находятся в стехиометряческих соотношениях; составы с большим избытком горючего, как правило, менее чувствительны к начальным импульсам.

В табл. 7.5 приведены данные о чувствительности двойных смесей (КСlOз — молочный сахар), содержащих различное количество горючего.

Таблица 7. 5

Чувствительность двойных смесей КСlO3 — молочный сахар [131]

77

Примечания 1 При расчете на полное сгорание до СО2 и Н20 стехиометрическая смесь содержит 27% молочного сахара

2 Температура самовоспламенения всех смесей находится в пределах 199—206° С

Чувствительность реально используемых многокомпонентных составов показана ниже (см. табл. 7.6).

Данные о чувствительности к механическим импульсам, приведенные в табл. 7.5 и 7.6, получены на немецких приборах и потому не сравнимы с ранее приведенными данными в табл. 7.3 и 7.4.

Как видно из табл. 7.6, наибольшую чувствительность ко всем видам импульсов, имеют хлоратные составы: самыми опасными из них являются свистящие составы с галловой кислотой.

Весьма чувствительны перхлоратные (с КС104) фотосмеси.

Значительно менее чувствительны нитратные составы; введение серы в двойные смеси Ва (NОз)2+А1 несколько повышает их чувствительность. Мало чувствительны ко всем видам начальных импульсов дымовые смеси на основе окислителя гексахлорэтана — С2С16.

Таблица 76

Чувствительность к тепловым и механическим импульсам.

78

Из факторов физического порядка следует отметить влияние измельчения компонентов: более тонкое измельчение должно способствовать более тесному их соприкосновению, а следовательно, и облегчать условия возникновения горения.

Действительно, чувствительность составов к лучу огня повышается при уменьшении размера частиц компонентов; меньшее влияние степень измельчения оказывает н.а температуру самовоспламенения 1 и чувствительность к удару многих составов. Влияние

79

измельчения компонентов на чувствительность составов к трению мало изучено; известно, что в отдельных случаях наличие крупных зерен твердого окислителя несколько увеличивает чувствительность составов к трению.

Увеличение плотности состава понижает его чувствительность к начальным импульса.м (кроме температуры самовоспламенения), так как в этом случае то же количество энергии приходится на большее количество (большую массу) состава и эффективность воздействия на отдельные частицы состава оказывается меньшей.

С повышением начальной температуры чувствительность составов к механическим воздействиям и к лучу огня увеличивается, поэтому при сушке составов должны быть приняты соответствующие меры предосторожности.

Добавление к составам флегматизаторов — пластических веществ, например парафина, вазелина, стеарина, различных масел — уменьшает их чувствительность к трению и к лучу огня.

Чувствительность к трению уменьшается при этом вследствие распределения усилия трения по большей массе состава.

Чувствительность к лучу огня понижается вследствие того, что флегм атизатор покрывает пленкой отдельные частицы состава и тем самым затрудняет проникновение к ним тепла; сам флегматизатор обычно представляет собой малоактивное трудновоспламеняющееся вещество.

На чувствительность к удару введение флегматизаторов — органических веществ — оказывает в некоторых случаях обратное влияние при введении в составы, содержащие порошки металлов, парафина или сходных с ним веществ чувствительность к удару увеличивается; это наблюдается в смеси хлората калия с магнием или в случае фотосмесей.

Безусловными флегматизаторами, снижающими чувствительность составов ко всем видам начального импульса, если они введены в состав в большом количестве, являются инертные ве-

* В тех случаях, когда размеры частиц горючего очень малы (порядка 1 мкм и меньше), происходит очень большое увеличение поверхности вещества и значительное снижение температуры самовоспламенения горючего. Так, например, сублимированный магний, осевший на стенках сосуда в виде мельчайших кристаллов, самовоспламеняется при соприкосновении с воздухом уже при комнатной температуре.

щества, не принимающие активного участия в процессе горения. К таким веществам следует отнести оксид и фторид магния, фторид бария и др., а при отсутствии в составах порошков металлов также карбонаты, оксалаты и т. п.

Так, например, в составе красного огня, содержащего КСlOз+SгСО3+идитол, роль флегматязатора играет карбонат стронция; идитол же назвать флегматизатором здесь нельзя, так как он в данном случае является основным горючим и принимает активное участие в процессе горения.

Примеси песка, стекла и других твердых веществ значительно повышают чувствительность составов к механическим воздействиям и делают их очень опасными в обращении. В некоторых случаях увеличение чувствительности к удару и трению происходит и при введении в составы твердых порошков металлов (например, ферросилиция) или твердых кристаллов некоторых окислителей.

80