Механоактивация

Механоактивация – метод повышения эффективности…
Д.Б. МЕЕРОВ, Д.А. ИВАНОВ, К.А. МОНОГАРОВ, Н.В. МУРАВЬЕВ 1, О.С. ОРДЖОНИКИДЗЕ1,
А.Н. ПИВКИНА, Ю.В. ФРОЛОВ
Институт химической физики имени Н.Н. Семенова РАН, Москва
1
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
МЕХАНОАКТИВАЦИЯ – МЕТОД ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ЭНЕРГОЕМКИХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ СИСТЕМ
В настоящее время одной из центральных задач остается задача о повышении эффективности энергоемких конденсированных систем (ЭКС). Одним из способов повышения эффективности ЭКС является увеличение площади контакта между компонентами твердого горючего и окислителя для достижения во фронте горения полноты гетерогенной
реакции. Этого можно добиться за счет совместного измельчения исходных компонентов (механоактивации), а также
использования наноразмерных компонентов ЭКС.
Цель данной работы – оценка влияния механоактивированных (совместно измельченных)
компонентов на параметры горения ЭКС, и исследование наноразмерного порошка MoO3 [1, 2].
Объектами исследования являются:
1) стехиометрическая смесь 73 %MoO3+23 %Al, приготовленная по стандартному методу
сухого смешения [3, 4]:
на основе исходных компонентов микронного размера;
на основе предварительно измельченного MoO3;
2) стехиометрическая смесь 73 %MoO3+23 %Al, приготовленная по методу механоактивации;
3) наноразмерный порошок MoO3, полученный методом переконденсации (испарение с последующей конденсацией на охлаждаемую поверхность) в потоке инертного газа.
В качестве исходных компонентов состава были выбраны:
порошок алюминия микронного размера марки ПАП-1, представляющий собой чешуйчатые
частицы, продольным размером 10–50 мкм и поперечным 500 нм. Содержание активного алюминия в порошке составляет 75 %;
порошок оксида молибдена MoO3, представляющий собой кристаллы неправильной формы
чистотой 99 %.
Измельчение оксида молибдена и механоактивация компонентов проводились в шаровой
вибромельнице набором стальных шаров диаметром 8 и 5 мм в течение 1 ч. Масса шаров превышала массу измельчаемого порошка в 15 раз. Наноразмерный порошок MoO3 был получен методом переконденсации в потоке инертного газа Ar. Скорость потока газа 10 л · ч–1, температура возгонки 900 С.
Для исследования механоактивированных и наноразмерных порошков применялись современные методы. Морфология, размер частиц и удельная поверхность исследованых порошков и
составов оценены по результатам лазерной дифрактометрии («Ласка», Россия), растровой электронной микроскопии (РЭМ) («PHENOM», FEI, Нидерланды), а также анализа Брунауэра–
Эммета–Теллера (БЭТ) («FlowSorb», Micrometritics, США). Совмещенный термический анализ
выполнен на приборе STA NETZSCH 409 PC в атмосфере Ar.
Лазерная дифрактометрия показала, что средний размер частиц порошка исходного оксида
молибдена составляет 16,5 мкм, а измельченного в шаровой вибромельнице 1,5 мкм. Рентгенофазный анализ показал, что в измельченном порошке присутствует только MoO3 без примесей. Методом растровой электронной микроскопии было установлено, что в отличие от исходного и измельченного порошка MoO3, представляющего собой кристаллические частицы неправильной
формы, порошок, полученный методом переконденсации, имеет вид крупных конгломератов
размером 10–100 мкм, состоящих из сферических частиц с диаметром ~ 100 нм. Атомно-силовая
микроскопия позволила обнаружить частицы переконденсированного MoO3 размером ~ 5 нм.
Методом термического анализа установлено, что пик температуры плавления исходного порошка MoO3 составляет 800 С, измельченного 790 С, наноразмерного 786 С.
На рис. 1 представлены изображения растровой электронной микроскопии стехиометрического состава 73 %MoO3+23 %Al из исходных компонентов (рис. 1,а) и механоактивированная
смесь (рис. 1,б) (светлые частицы принадлежат оксиду молибдена, темные чешуйки – алюминию).
Видно, что механоактивированная смесь обладает значительно большей гомогенностью по сравнению со смесью, приготовленной стандартным методом (алюминиевые чешуйки сплошь покрыты частицами измельченного оксида молибдена), что соответственно приводит к увеличению ре-
Механоактивация – метод повышения эффективности…
акционных зон между твердым горючим и окислителем. При более детальном рассмотрении механоактивированного состава было обнаружено, что на чешуйках алюминия присутствуют частицы оксида молибдена размерами менее 200 нм.
Площадь удельной поверхности механоактивированной смеси более чем в два раза превышает площадь удельной поверхности исходной смеси. Во время активации происходит не только
измельчение порошка оксида молибдена, но и частичное измельчение частиц алюминия.
а
б
Рис. 1. РЭМ исходного (а) и механоактивированного (б) состава MoO3/Al
По результатам дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) смесей MoO3+Al с
исходными компонентами, предварительно измельченным MoO3 и активированной смесью
(рис. 2), видно, что во всех составах нет выраженного пика выделения энергии, не наблюдается
пик плавления оксида молибдена при Т = 800 С. По пикам плавления Al при Т = 660 С было рассчитано, что содержание непрореагировавшего Al в активированной смеси в 1,5 раза меньше, чем
в составе с измельченным оксидом молибдена, и в 6 раз меньше, чем у состава из исходных компонентов.
10
ДСК, мВт/мг
5
0
3
-5
2
-10
1
-15
200
400
600
800
T,1000
°C
Рис. 2. Кривые ДСК для исходной смеси (1), смеси с предварительно измельченным MoO3 (2)
и механоактивированной смеси (3)
Скорость горения исследуемых составов определялась в атмосфере азота в диапазоне давлений Р0 = 1–6 МПа. Скорость горения механоактивированного состава MoO3+Al превышает скорость горения состава из исходных компонентов на 20 %. В отличие от активированного, состав из
исходных компонентов не горит при атмосферном давлении (рис. 3). Следует отметить, что пористость образцов одинакова и равна 28 %.
3
Механоактивация – метод повышения эффективности…
2
1
Рис. 3. Зависимость скорости горения исходной (1) и механоактивированной (2) смеси
Таким образом, можно сделать вывод, что с уменьшением размера частиц MoO3 снижается
температура пика плавления порошка. Температура пика плавления наноразмерного порошка
MoO3 на 14 С ниже, чем у исходного порошка микронного размера. Механоактивация приводит к
повышению удельной поверхности и гомогенности смеси, а следовательно, к повышению скорости горения и расширению диапазона горения состава по давлению. Использование механоактивированных и наноразмерных компонентов может повышать эффективность энергоемких конденсированных систем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Стрелецкий А.Н., Пивкина А.Н., Колбанев И.В. и др. // Коллоидный журнал. 2004. Т. 66. № 6.
С. 819.
2. Umbrajkar S., Hoffmann V., Dreizin E. et al. // J. Propul. Power. 2008. V. 24. № 2. P. 192.
3. Fischer S.H., Grubelich M.C. // Proc. 24th Int. Pyrotechnics Seminar. – Monterey. July. 27–31. 1998.
4 Son S.F., Asay B., Busse J.R. et al. // Proc. 28st Int. Pyrotechnic Seminar. – Adelaide. Nov. 4–9. 2001.