Skład pirotechniczny: klasyfikacja, komponenty, zastosowanie

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Kompozycja pirotechniczna to substancja lub mieszanina składników zaprojektowana w celu wytworzenia efektu w postaci ciepła, światła, dźwięku, gazu, dymu lub ich kombinacji w wyniku samopodtrzymujących się egzotermicznych reakcji chemicznych, które odbywać się bez detonacji. Taki proces nie jest uzależniony od tlenu ze źródeł zewnętrznych.

Klasyfikacja kompozycji pirotechnicznych

Można je podzielić według akcji:

• Fiery.
• Dym.
• Dynamiczny.

Pierwsze dwie grupy można podzielić na mniejsze typy.

Ognisty: oświetlający, nocny sygnał, smugacz i trochę zapalające.

Grupa dymu obejmuje kompozycje do sygnalizacji dziennej i maskowania (mgła).

Główne rodzaje pirotechniki

Powyższy efekt (światło, dźwięk itp.) można stworzyć za pomocą tych komponentów:

• Błysk proszkowy - spala się bardzo szybko, wytwarza eksplozje lub jasne rozbłyski światła.
• Proch strzelniczy - pali się wolniej niż proszek, emituje duże ilości gazów.
• Propelent stały - wytwarza dużo gorących oparów wykorzystywanych jako źródło energii kinetycznej dla rakiet i pocisków.
• Inicjatory pirotechniczne - wytwarzają duże ilości ciepła, płomieni lub gorących iskier używanych do zapalania innych kompozycji.
• Sładunki wyrzutowe - spalają się szybko, wytwarzają dużo gazu w krótkim czasie, służą do uwalniania ładunków z pojemników.
• Ładunki wybuchowe - palą się szybko, wytwarzają dużą ilość gazu w krótkim czasie, służą do zgniatania pojemnika i zrzucania jego zawartości.
• Kompozycje dymne - palą się powoli, wytwarzają mgłę (zwykłą lub kolorową).
• Pociągi opóźniające - płoną ze stałą, spokojną prędkością, używane do wprowadzania opóźnień w rezerwie ogniowej.
• Pirotechniczne źródła ciepła - emitują dużą ilość ciepła i praktycznie nie rozprowadzają gazów, wolno palą się, często przypominają termit.
• Sparklery - wytwarzają białe lub kolorowe iskry.
• Błyski – spalaj się powoli, wytwarzaj dużą ilość światła, używanego do oświetlenia lub sygnalizacji.
• Kolorowe kompozycje fajerwerków - wytwarzają lekkie, białe lub wielokolorowe iskry.

Aplikacja

Niektóre technologie kompozycji i produktów pirotechnicznych są wykorzystywane w przemyśle i lotnictwie do generowania dużych ilości gazu (np. w poduszkach powietrznych), a także w różnychmocowania i w innych podobnych sytuacjach. Stosowane są również w przemyśle wojskowym, gdy wymagane są duże ilości hałasu, światła lub promieniowania podczerwonego. Na przykład rakiety wabiące, flary i granaty ogłuszające. Wojsko prowadzi obecnie badania nad nową klasą składów materiałów reaktywnych.

Wiele związków pirotechnicznych (zwłaszcza zawierających aluminium i nadchlorany) jest często bardzo wrażliwych na tarcie, wstrząsy i elektryczność statyczną. Nawet od 0,1 do 10 milidżuli iskry może wywołać pewne skutki.

Proch strzelniczy

To słynny czarny proszek. Jest to najwcześniejszy znany chemiczny materiał wybuchowy, składający się z mieszaniny siarki (S), węgla drzewnego (C) i azotanu potasu (salpetery, KNO 3). Pierwsze dwa składniki działają jak paliwo, a trzeci to utleniacz. Ze względu na swoje właściwości zapalające oraz ilość wytwarzanego ciepła i gazu, proch strzelniczy jest szeroko stosowany do produkcji ładunków miotających w broni palnej i artylerii. Ponadto znajduje zastosowanie w produkcji rakiet, fajerwerków i urządzeń wybuchowych w kamieniołomach, górnictwie i budownictwie drogowym.

Wskaźniki

Proch strzelniczy został wynaleziony w Chinach w VII wieku i rozprzestrzenił się na większą część Eurazji pod koniec XIII wieku. Pierwotnie opracowany przez taoistów do celów leczniczych, proszek był używany do działań wojennych około 1000 rne.

Proch strzelniczy jest klasyfikowany dojako mały materiał wybuchowy ze względu na jego stosunkowo powolną szybkość rozkładu i niską brisance.

Wybuchowa moc

Zapalenie prochu strzelniczego umieszczonego za pociskiem wytwarza wystarczające ciśnienie, aby lufa wystrzeliła z dużą prędkością, ale nie na tyle, aby rozerwać lufę działa. Proch strzelniczy jest więc dobrym paliwem, ale mniej nadaje się do niszczenia kamienia lub fortyfikacji ze względu na niską siłę wybuchową. Przenosząc wystarczającą ilość energii (z palącej się substancji do masy kuli armatniej, a następnie z niej do celu za pomocą amunicji uderzeniowej), bombowiec może ostatecznie zdominować ufortyfikowaną obronę wroga.

Proch strzelniczy był powszechnie używany do napełniania łusek i był używany w projektach górniczych i inżynieryjnych aż do drugiej połowy XIX wieku, kiedy to przetestowano pierwsze materiały wybuchowe. Proszek nie jest już używany w nowoczesnej broni i zastosowaniach przemysłowych ze względu na jego stosunkowo niską skuteczność (w porównaniu z nowszymi alternatywami, takimi jak dynamit i saletra amonowa czy olej opałowy). Obecnie broń palna prochowa ogranicza się głównie do myślistwa, strzelania do celu.

Pirotechniczne źródło ciepła

Kompozycje pirotechniczne to urządzenia na bazie substancji palnych z odpowiednim zapalnikiem. Ich rolą jest wytwarzanie kontrolowanej ilości ciepła. Źródła pirotechniczne są zwykle oparte na termitowych (lub opóźniających skład) utleniaczach paliw o niskiej szybkości spalania,wysoka moc grzewcza w żądanej temperaturze i niewielkie lub żadne tworzenie się gazu.

Można je aktywować na kilka sposobów. Najczęściej spotykane są zapałki elektryczne i nasadki udarowe.

Pirotechniczne źródła ciepła są często używane do aktywacji akumulatorów, gdzie służą do stopienia elektrolitu. Istnieją dwa główne typy projektów. Jeden używa listwy bezpiecznikowej (zawiera chromian baru i sproszkowany metal cyrkonowy w papierze ceramicznym). Wzdłuż jej krawędzi biegną kompozycje z termicznego granulatu pirotechnicznego inicjujące spalanie. Pasek jest zwykle uruchamiany zapalnikiem elektrycznym lub wtyczką za pomocą prądu.

Druga konstrukcja wykorzystuje centralny otwór w zestawie akumulatorów, do którego wysokoenergetyczny zapłonnik uwalnia mieszankę gazów palnych i żarówek. Konstrukcja z centralnym otworem może znacznie skrócić czas aktywacji (kilkadziesiąt milisekund). Dla porównania zauważamy, że w urządzeniach z paskiem brzegowym wskaźnik ten wynosi setki milisekund.

Włączenie baterii można również wykonać za pomocą podkładki udarowej podobnej do strzelby. Pożądane jest, aby źródło narażenia nie zawierało gazu. Zazwyczaj standardowy skład mieszanin pirotechnicznych składa się z proszku żelaza i nadchloranu potasu. W stosunkach wagowych są to 88/12, 86/14 i 84/16. Im wyższy poziom nadchloranu, tym większa moc cieplna (nominalnie 200, 259 i 297 kalorii/gram). Rozmiar i grubość tabletek z nadchloranem żelaza mają niewielki wpływ na szybkość spalania, ale tak jestwpływ na gęstość, skład, wielkość cząstek i może być stosowany do dostosowania pożądanego profilu uwalniania ciepła.

Kolejną używaną kompozycją jest cyrkon z chromianem baru. Inna mieszanina zawiera 46,67% tytanu, 23,33% amorficznego boru i około 30% chromianu baru. Dostępne są również 45% wolframu, 40,5% chromianu baru, 14,5% nadchloranu potasu oraz 1% alkoholu winylowego i octanu spoiwa.

Reakcje tworzące międzymetaliczne składniki kompozycji pirotechnicznych, takich jak cyrkon z borem, mogą być stosowane, gdy pożądane jest działanie bezgazowe, zachowanie niehigroskopijne i niezależność od ciśnienia otoczenia.

Źródło ciepła

Może być bezpośrednim elementem składu pirotechnicznego, na przykład w chemicznych generatorach tlenu taki składnik jest używany z dużym nadmiarem utleniacza. Ciepło uwalniane podczas spalania jest wykorzystywane do rozkładu termicznego. W odniesieniu do spalania na zimno, kompozycje stosuje się do wytwarzania kolorowego dymu lub rozpylania aerozolu, takiego jak pestycydy lub gaz CS, zapewniając ciepło sublimacji pożądanego związku.

Składnik opóźniający fazę kompozycji, który wraz z produktami spalania tworzy mieszaninę o jednej różnej temperaturze przejścia fazowego, może być stosowany do stabilizacji wysokości płomienia.

Materiały

Kompozycje pirotechniczne są zwykle homogenizowanymi mieszaninami małychcząstki paliwa i utleniacze. Te pierwsze mogą być ziarnami lub płatkami. Generalnie im większa powierzchnia cząstek, tym większa szybkość reakcji i spalania. Do niektórych celów stosuje się spoiwa, które przekształcają proszek w stały materiał.

Paliwo

Typowe typy są oparte na proszkach metalicznych lub metaloidalnych. Skład może wskazywać na kilka różnych rodzajów paliwa. Niektóre mogą również służyć jako segregatory.

Metale

Do powszechnych paliw należą:

• Aluminium jest najpowszechniejszym paliwem w wielu klasach mieszanek, a także regulatorem niestabilności spalania. Płomień wysokotemperaturowy z cząstkami stałymi, które zakłócają wygląd barwników, reaguje z azotanami (z wyjątkiem amonu) tworząc tlenki azotu, amoniaku i ciepła (reakcja powolna w temperaturze pokojowej, ale gwałtowna powyżej 80 °C, może ulec samozapłonowi).
• Magnalium to stop aluminiowo-magnezowy, który jest bardziej stabilny i tańszy niż pojedynczy metal. Mniej reaktywny niż magnez, ale bardziej palny niż aluminium.
• Żelazo - tworzy złote iskry, powszechnie używany element.
• Stal jest stopem żelaza i węgla, który wytwarza rozgałęzione żółto-pomarańczowe iskry.
• Cyrkon - wytwarza gorące cząstki przydatne w mieszaninach palnych, takich jak standardowy inicjator NASA, oraz do tłumienia niestabilności spalania.
• Tytan - wytwarza gorącą pirotechnikę i związki, zwiększa sięwrażliwość na wstrząsy i tarcie. Czasami stosuje się stop Ti4Al6V, który wytwarza nieco jaśniejsze białe iskry. Wraz z nadchloranem potasu jest stosowany w niektórych zapalnikach pirotechnicznych. Gruby proszek wytwarza piękne, rozgałęzione niebiesko-białe iskry.
• Żelazotytan to stop żelaza i tytanu, który tworzy jasne iskry używane w gwiazdach pirotechnicznych, rakietach, kometach i fontannach.
• Żelazokrzem to substancja żelazowo-krzemowa używana w niektórych mieszankach, która czasami zastępuje krzemek wapnia.
• Mangan - służy do sterowania szybkością spalania, na przykład w kompozycjach z opóźnieniem.
• Cynk - używany w niektórych kompozycjach dymnych wraz z siarką, która jest używana jako amatorskie paliwo do rakiet, a także w gwiazdach pirotechnicznych. Wrażliwy na wilgoć. Może zapalić się samoistnie. Rzadko stosowany jako paliwo główne (z wyjątkiem kompozycji do wędzenia), może być stosowany jako dodatkowy składnik.
• Miedź - używana jako niebieski barwnik z innymi gatunkami.
• Mosiądz to stop cynku i miedzi używany w niektórych formułach fajerwerków.
• Wolfram - używany do kontrolowania i spowalniania tempa spalania kompozycji.

Warto zauważyć, że wykonywanie kompozycji pirotechnicznych własnymi rękami jest niebezpieczne.