Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số phụ gia, xúc tác cháy đến quy luật tốc độ cháy của thuốc phóng keo ballistic trên nền NCNG-DG và NC-NG-DINA

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:154

Thêm vào BST

Báo xấu

66
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm tổng quan về cơ chế cháy của thuốc phóng keo ballistic; sự phân hủy nhiệt của các cấu tử thành phần thuốc phóng keo ballistic; ảnh hưởng của các thành phần thuốc phóng đến tốc độ cháy; vai trò và tác dụng của xúc tác cháy đến quá trình cháy của thuốc phóng keo ballistic; sự phụ thuộc của tốc độ cháy theo áp suất vào các phụ gia, xúc tác cháy.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số phụ gia, xúc tác cháy đến quy luật tốc độ cháy của thuốc phóng keo ballistic trên nền NCNG-DG và NC-NG-DINA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ DUY BÌNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ PHỤ GIA, XÚC TÁC CHÁY ĐẾN QUY LUẬT TỐC ĐỘ CHÁY CỦA THUỐC PHÓNG KEO BALLISTIC TRÊN NỀN NC-NG-DG VÀ NC-NG-DINA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ LÊ DUY BÌNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ PHỤ GIA, XÚC TÁC CHÁY ĐẾN QUY LUẬT TỐC ĐỘ CHÁY CỦA THUỐC PHÓNG KEO BALLISTIC TRÊN NỀN NC-NG-DG VÀ NC-NG-DINA Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 9 52 03 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Phạm Văn Toại 2. GS. TS Nguyễn Việt Bắc Hà Nội – 2018
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trình bày trong Luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày 12 tháng 9 năm 2018 Nghiên cứu sinh Lê Duy Bình
ii LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Thuốc phóng Thuốc nổ/Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng và Viện Hóa học – Vật liệu/Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng. Nghiên cứu sinh xin được chân thành cám ơn TS Phạm Văn Toại và GS.TS Nguyễn Việt Bắc đã trực tiếp hướng dẫn, tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ nghiên cứu sinh trong suốt quá trình thực hiện Luận án. Nghiên cứu sinh tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các Thầy, Cô giáo trong và ngoài Quân đội, đặc biệt là các Thầy giáo của Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự đã nhiệt tình giảng dạy, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Trân trọng cảm ơn các lãnh đạo, chỉ huy Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Phòng Đào tạo/Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Hóa học – Vật liệu, Viện Thuốc phóng Thuốc nổ, các Nhà khoa học, bạn bè đồng nghiệp và gia đình đã nhiệt tình giúp đỡ tác giả hoàn thành bản Luận án này. Hà Nội, ngày 12 tháng 9 năm 2018 Nghiên cứu sinh Lê Duy Bình
iii MỤC LỤC Trang Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt vi Danh mục các bảng viii Danh mục các hình vẽ, đồ thị xi MỞ ĐẦU 01 Chƣơng 1. TỔNG QUAN 05 1.1. Cơ chế cháy của thuốc phóng keo ballistic 05 1.1.1. Vùng nung nóng - vùng phản ứng ở pha rắn (pha K) 06 1.1.2. Vùng hỗn hợp khói khí và vùng tối 09 1.1.3 Vùng các phản ứng trong ngọn lửa (ngọn lửa thứ cấp) 10 1.1.4 Vùng quyết định sự cháy của thuốc phóng 11 1.2. Sự phân hủy nhiệt của các cấu tử thành phần thuốc phóng keo ballistic 15 1.2.1. Nitro xenlulo (NC) 15 1.2.2. Nitro glyxerin (NG) 16 1.2.3. Dietylen glycol dinitrat (DG) 16 1.2.4. Dietanol nitroamin dinitrat (DINA) 17 1.2.5. Dinitro toluen (DNT) 17 1.3. Ảnh hưởng của thành phần thuốc phóng đến tốc độ cháy 19 1.4. Vai trò và tác dụng của xúc tác đến sự cháy của thuốc phóng keo ballistic 21 1.4.1. Sự lan truyền nhiệt của xúc tác cháy 21 1.4.2. Sự hội tụ các hạt xúc tác cháy 23 1.4.3. Ảnh hưởng của xúc tác cháy đến các phản ứng cháy 24 1.5. Sự phụ thuộc của tốc độ cháy theo áp suất vào các phụ gia, xúc tác cháy 28 1.6. Kết luận chương 1 31 Chƣơng 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34 2.1. Đối tượng nghiên cứu 34 2.2. Thiết bị, máy móc và nguyên liệu, hóa chất 34 2.2.1. Thiết bị, máy móc chính 34 2.2.2. Nguyên liệu, hóa chất chính 35 2.3. Phương pháp nghiên cứu, thực nghiệm 36 2.3.1. Phương pháp tính toán thiết kế đơn thành phần 36
iv 2.3.2. Phương pháp tạo mẫu 39 2.3.3. Phương pháp đo tốc độ cháy 44 2.3.4. Phương pháp đo đạc, kiểm tra bề mặt dập cháy 46 2.3.5. Phương pháp xác định các đặc trưng hóa lý của thuốc phóng 46 2.3.6. Phương pháp xác định các thông số thuật phóng 47 2.4. Tính toán, xử lý số liệu 47 2.4.1. Xây dựng phương trình quy luật tốc độ cháy và biểu diễn đồ 47 thị về mối quan hệ giữa tốc độ cháy U theo áp suất P 2.4.2. Xác lập các mối quan hệ tương quan khác trên đồ thị 47 2.4.3. Xử lý số liệu, sai số 48 Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50 3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số phụ gia, xúc tác cháy đến quy 50 luật cháy của thuốc phóng keo ballistic trên nền NC-NG-DG 3.1.1. Quy luật tốc độ cháy của thuốc phóng trên nền NC-NG-DG với sự thay đổi hàm lượng của các cấu tử thành phần trong 50 cùng mẫu nền 3.1.2. Ảnh hưởng của phụ gia CaCO3 59 3.1.3. Ảnh hưởng của một số xúc tác cháy đơn 62 3.1.4. Ảnh hưởng của một số xúc tác cháy hỗn hợp 68 3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số phụ gia, xúc tác cháy đến quy luật 80 tốc độ cháy của thuốc phóng keo ballistic trên nền NC-NG-DINA 3.2.1. Quy luật tốc độ cháy của mẫu nền 80 3.2.2. Ảnh hưởng của các phụ gia CaCO3, Ckt và hỗn hợp giữa chúng 81 3.2.3. Ảnh hưởng của xúc tác cháy trên cơ sở PbO và Ckt 89 3.2.4. Ảnh hưởng của một số xúc tác cháy đơn 97 3.2.5. Ảnh hưởng của một số xúc tác cháy hỗn hợp 100 3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số phụ gia, xúc tác cháy đến sự thay đổi bề mặt cháy và thành phần sản phẩm cháy của thuốc phóng keo 103 ballistic trên nền NC-NG-DG theo áp suất 3.3.1. Ảnh hưởng của phụ gia, xúc tác cháy đến bề mặt cháy của 103 thuốc phóng tại các áp suất khác nhau 3.3.2. Ảnh hưởng của phụ gia, xúc tác cháy đến thành phần sản 107 phẩm cháy của thuốc phóng tại các áp suất khác nhau
v 3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số phụ gia, xúc tác cháy đến sự thay đổi bề mặt cháy và thành phần sản phẩm cháy của thuốc phóng keo 110 ballistic trên nền NC-NG-DINA theo áp suất 3.4.1. Ảnh hưởng của phụ gia, xúc tác cháy đến bề mặt cháy của 111 thuốc phóng tại các áp suất khác nhau 3.4.2. Ảnh hưởng của phụ gia, xúc tác cháy đến thành phần sản 114 phẩm cháy của thuốc phóng tại các áp suất khác nhau 3.5. Ứng dụng cho thiết kế đơn thành phần thuốc phóng TPHT-5K cho đạn chống tăng chống giáp phản ứng nổ ĐCT-7 và đề xuất lựa chọn 118 xúc tác cháy triển vọng cho thuốc phóng NDSI-2K cho đạn chống tăng PG-9 3.5.1. Ứng dụng cho thiết kế đơn thành phần thuốc phóng TPHT-5K 118 3.5.2. Đề xuất lựa chọn xúc tác cháy triển vọng cho thuốc phóng 123 NDSI-2K KẾT LUẬN 126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130
vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT B1 - Hệ số tốc độ cháy [mm/s.at] CaCO3 - Canxicacbonat Ckt - Cacbon kỹ thuật (sử dụng mác N220) CoO - Coban (II) oxit Co3O4(nano) - Coban (II, III) oxit, có kích hạt dạng nano Co3O4(≤10µm) - Coban (II, III) oxit, có kích hạt nhỏ hơn 10 µm Cp - nhiệt dung riêng của pha K [J/g.K) Cu-Xal - Đồng xalixilat Cu-Pb-Pht - Đồng chì phtalat E - Năng lượng hoạt hóa, [kcal/mol] Ek - Năng lượng hoạt hóa ở pha K, [kcal/mol] K - Hằng số tốc độ phân hủy nhiệt, [s-1] Lg - Khoảng cách của vùng các phản ứng khí, [mm] Ls - Khoảng cách của vùng hơi - khói - khí, [mm] NDSI-2K - Thuốc phóng trên cơ sở mẫu nền NC-NG-DINA p - Áp suất, [at], [MPa], [kG/cm2] PbO - Chì (II) oxit Pb-Xal - Chì xalixilat Qk - Nhiệt lượng tỏa ra trong pha K, [kcal/kg], [kJ/kg] qu - Nhiệt lượng bức xạ đến pha K, [kcal/kg], [kJ/kg] Qv - Nhiệt lượng cháy của thuốc phóng, [kcal/kg], [kJ/kg] R - Hằng số khí lý tưởng, [Jmol-1K-1] Sp - Spinen To - Nhiệt độ cháy ban đầu của thuốc phóng, [K] Tp - Nhiệt độ trên bề mặt cháy của thuốc phóng, [K] Ts - Nhiệt độ trên vùng hỗn hợp hơi - khói - khí, [K] TPHT-5K - Thuốc phóng trên cơ sở mẫu nền NC-NG-DG u1 - Hệ số tốc độ cháy u(p) - Hàm phụ thuộc của tốc độ cháy theo áp suất U(p) - Tốc độ cháy tại áp suất P, [mm/s]
vii U(op) - Tốc độ cháy của mẫu nền tại áp suất P, [mm/s] Z(p) - Hiệu quả xúc tác cháy tại áp suất P ∆H - Entanpy của phản ứng, [kcal/mol], [kJ/mol] i - Đặc trưng nhiệt hóa của chất hóa học i, [kcal/kg  %] λ - Hệ số truyền nhiệt, [W/m.K] ν - Hệ số mũ áp suất, [mm/s.at] ρ - Mật độ của pha K, [g/cm3] BTP - Bán thành phẩm DBP - Dibutyl phtalat DEP - Dietyl phtalat DG - Dietylen glycol dinitrat DINA - Dietanol nitroamin dinitrat DNDEG - Dinitro dietylen glycol DNEG - Dinitro etylen glycol DNT - Dinitro toluen DPA - Diphenyl amin NC - Nitro xenlulo NC-NG-DG - Nitro xenlulo - nitro glyxerin - dietylen glycol dinitrat NC-NG-DINA - Nitro xenlulo - nitro glyxerin - dietanol nitroamin dinitrat NG - Nitro glyxerin NGL - Nitro glycol NIBGTN - Nitro isobutyl glyxerin trinitrat NM - Nitromas là bán thành phẩm sau trộn, nấu thuốc phóng
viii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1. Tốc độ cháy của hệ 3 cấu tử theo hàm lượng DNT (4 MPa) 20 Bảng 1.2. Ảnh hưởng của xúc tác cháy đến hệ số mũ ν [63] 31 Bảng 2.1. Đơn thành phần mẫu nền NC-NG-DG và NC-NG-DINA 37 Bảng 2.2. Hàm lượng phụ gia, xúc tác cháy cho các mẫu thuốc phóng 38 trên nền NC-NG-DG và NC-NG-DINA Bảng 2.3. Kết quả tính toán nhiệt lượng cháy của các mẫu thuốc 39 phóng trên nền NC-NG-DG và NC-NG-DINA có và không có phụ gia, xúc tác cháy Bảng 3.1. Thành phần, hàm lượng của 02 đơn mẫu trên nền NC-NG-DG 50 Bảng 3.2. Tốc độ cháy của các mẫu nền tại áp suất khác nhau 50 Bảng 3.3. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo các đơn thành phần 51 khác nhau đối với mẫu thuốc phóng trên nền NC-NG-DG Bảng 3.4. Tốc độ cháy tại các áp suất khác nhau của đơn số 1 và đơn 52 số 2 khi có thêm 0,55 % CaCO3 Bảng 3.5. Các thông số quy luật tốc độ cháy của các mẫu đơn số 1 và 53 đơn số 2 khi có thêm 0,55 % CaCO3 Bảng 3.6. Tốc độ cháy của các mẫu nền + 1,9 % PbO + 0,5 % CoO + 53 0,55 % CaCO3 tại các áp suất khác nhau Bảng 3.7. Các thông số quy luật tốc độ cháy của các mẫu trên nền đơn 55 số 1 và số 2 khi được bổ sung thêm 1,9 % PbO + 0,5 % CoO + 0,55 % CaCO3 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của hàm lượng Ckt đến tốc độ cháy (ở 70 at) đối 56 với mẫu thuốc phóng trên nền NC-NG-DG Bảng 3.9. Ảnh hưởng của hàm lượng DNT đến tốc độ cháy (70 at) của 57 thuốc phóng trên nền NC-NG-DG Bảng 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng CaCO3 đến tốc độ cháy tại các 59 áp suất khác nhau Bảng 3.11. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo hàm lượng CaCO3 61 Bảng 3.12. Ảnh hưởng của hàm lượng CoO đến tốc độ cháy 62 Bảng 3.13. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo hàm lượng CoO 63 Bảng 3.14. Ảnh hưởng của một số phụ gia, xúc tác đơn kết hợp với 65 0,55 % CaCO3 đến tốc độ cháy
ix Bảng 3.15. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo một số phụ gia, xúc 67 tác đơn kết hợp với 0,55 % CaCO3 Bảng 3.16. Ảnh hưởng của hàm lượng CoO kết hợp với 1,7 % PbO 68 đến tốc độ cháy Bảng 3.17. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo hàm lượng CoO 69 kết hợp với 1,7 % PbO Bảng 3.18. Ảnh hưởng của hàm lượng CaCO3 kết hợp với 1,9 % PbO 70 và 0,5 % CoO đến tốc độ cháy Bảng 3.19. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo hàm lượng của 72 CaCO3 khi kết hợp với 1,9 % PbO + 0,5 % CoO Bảng 3.20. Ảnh hưởng của hàm lượng PbO kết hợp với 0,5 % CoO và 74 0,5 % CaCO3 đến tốc độ cháy Bảng 3.21. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo hàm lượng PbO kết 75 hợp với 0,5 % CoO và 0,5 % CaCO3 Bảng 3.22. Ảnh hưởng của PbO kết hợp với một số phụ gia, xúc tác 77 cháy khác đến tốc độ cháy Bảng 3.23. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo hỗn hợp của PbO 78 kết hợp với một số phụ gia, xúc tác khác Bảng 3.24. Đơn thành phần thuốc phóng trên nền NC-NG-DINA 80 Bảng 3.25. Tốc độ cháy của thuốc phóng nền NC-NG-DINA 80 Bảng 3.26. Ảnh hưởng của hàm lượng CaCO3 đến tốc độ cháy 81 Bảng 3.27. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo hàm lượng của CaCO3 82 Bảng 3.28. Ảnh hưởng của hàm lượng Ckt đến tốc độ cháy 84 Bảng 3.29. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo hàm lượng Ckt 85 Bảng 3.30. Ảnh hưởng của hàm lượng Ckt kết hợp với 1,7 % CaCO3 86 đến tốc độ cháy Bảng 3.31. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo hàm lượng Ckt kết 87 hợp với 1,7 % CaCO3 Bảng 3.32. Ảnh hưởng của hàm lượng PbO kết hợp với 0,2 % Ckt và 89 1,7 % CaCO3 đến tốc độ cháy Bảng 3.33. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo hàm lượng PbO kết 91 hợp với 0,2 % Ckt và 1,7 % CaCO3
x Bảng 3.34. Ảnh hưởng của hàm lượng Ckt kết hợp với 0,8 % PbO và 92 1,7 % CaCO3 đến tốc độ cháy Bảng 3.35. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo hàm lượng Ckt kết 94 hợp với 0,8 % PbO + 1,7 % CaCO3 Bảng 3.36. Ảnh hưởng của kích thước hạt xúc tác cháy PbO đến tốc độ 96 cháy tại áp suất 100 at Bảng 3.37. Ảnh hưởng của một số xúc tác cháy đơn kết hợp với 1,7 % 97 CaCO3 đến tốc độ cháy Bảng 3.38. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo hàm lượng của xúc 99 tác cháy Pb-Xal kết hợp với 1,7 % CaCO3 Bảng 3.39. Ảnh hưởng của một số hỗn hợp xúc tác cháy khác kết hợp 100 với 1,7 % CaCO3 đến tốc độ cháy Bảng 3.40. Các thông số quy luật tốc độ cháy theo hỗn hợp các xúc tác 101 khác nhau khi kết hợp với 1,7 % CaCO3 Bảng 3.41. Thành phần sản phẩm cháy (theo nguyên tố) trên bề mặt 108 cháy của thuốc phóng không phụ gia, xúc tác cháy Bảng 3.42. Thành phần sản phẩm cháy (theo nguyên tố) trên bề mặt 109 cháy của thuốc phóng có chứa 0,5 % CaCO3 + 0,5 % CoO + 1,8 % PbO Bảng 3.43. Thành phần sản phẩm cháy (theo nguyên tố) trên bề mặt 114 cháy của thuốc phóng không chứa phụ gia, xúc tác cháy Bảng 3.44. Thành phần sản phẩm cháy (theo nguyên tố) trên bề mặt 116 cháy của thuốc phóng có chứa 1,7 % CaCO3 + 0,1 % Ckt + 0,8 % PbO Bảng 3.45. Đơn thành phần phối liệu thuốc phóng TPHT-5K 118 Bảng 3.46. Kết quả phân tích các chỉ tiêu hóa lý của thỏi thuốc phóng 119 TPHT-5K Bảng 3.47. Kết quả đo đạc các chỉ tiêu thuật phóng của thỏi thuốc 119 phóng TPHT-5K trong động cơ đạn chống tăng chống giáp phản ứng nổ ĐCT-7 Bảng 3.48. Tốc độ cháy của thuốc phóng TPHT-5K chế thử với tỷ lệ 120 phụ gia, xúc tác cháy phối liệu và tỷ lệ phụ gia, xúc tác cháy thực nghiệm
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1. Hình ảnh thuốc phóng cháy tại các áp suất khác nhau [22] 05 Những vùng cháy của thuốc phóng ballistic ở các áp suất 05 Hình 1.2. khác nhau Hình ảnh bề mặt cháy của thuốc phóng có các thành phần 08 Hình 1.3. khác nhau tại áp suất p = 2 MPa [63] Hình ảnh bề mặt cháy của thuốc phóng có thành phần: 57 08 Hình 1.4. % NC + 39,5 % DG + 3,5 % chất khác tại các áp suất khác nhau [63] Hình 1.5. Cấu trúc phân tử của NC 15 Hình 1.6. Công thức phân tử của NG 16 Hình 1.7. Công thức phân tử của DG 16 Hình 1.8. Công thức phân tử của DINA 17 Hình 1.9. Công thức cấu tạo của 2, 4 và 3, 5-DNT 18 Sự phụ thuộc của tốc độ cháy và độ nhạy nhiệt độ theo áp 21 Hình 1.10. suất khi thuốc phóng có và không có xúc tác cháy [27] Bề mặt cháy của thuốc phóng với thành phần gồm: 50 % NC 23 Hình 1.11. + 50 % NG có và không có muội than ở áp suất 1 MPa [47] Bề mặt cháy của thuốc phóng với thành phần gồm: 50 % 23 Hình 1.12. NC + 50 % NG có và không có PbO2 (hàm lượng khác nhau), ở áp suất 10 MPa [48] Mức độ giảm năng lượng hoạt hóa (E) của thuốc phóng khi 25 Hình 1.13. có xúc tác cháy [15] Mô hình toán học các phản ứng cháy của thuốc phóng có và 27 Hình 1.14. không xúc tác cháy [27], [28] Sự phụ thuộc của tốc độ cháy theo áp suất khi có và không 29 Hình 1.15. có xúc tác cháy [27] Sự phụ thuộc của U theo P đối với thuốc phóng có thành 30 Hình 1.16. phần 57 % NC + 37 % NG + 3 % DNT + 3 % chất khác Sự phụ thuộc của Z theo P đối với thuốc phóng có thành 30 Hình 1.17. phần 57 % NC + 37 % NG + 3 % DNT + 3 % chất khác
xii Hình 2.1. Sơ đồ thí nghiệm quá trình tạo mẫu thuốc phóng 40 Hình 2.2. Sơ đồ tạo mẫu bề mặt dập cháy của thuốc phóng 42 Hình 2.3. Hình ảnh trước khi đốt cháy 43 Hình 2.4. Hình ảnh sau khi cháy 43 Hình 2.5. Thiết bị đo tốc độ cháy ở các áp suất không đổi 44 Hình 3.1. Sự phụ thuộc tốc độ cháy (U) theo áp suất (P) của các mẫu nền 51 Sự phụ thuộc tốc độ cháy (U) theo áp suất (P) của các mẫu 52 Hình 3.2. nền chứa phụ gia CaCO3 Hình 3.3. Sự phụ thuộc của U theo P của đơn số 1 và đơn số 2 khi kết 54 hợp với cả phụ gia, xúc tác Hình 3.4. Sự phụ thuộc của Z theo P của đơn số 1 và đơn số 2 khi kết 54 hợp với cả phụ gia, xúc tác Hình 3.5. Mối liên hệ giữa hiệu quả xúc tác cháy Z theo hàm lượng 57 của phụ gia Ckt ở áp suất 70 at Hình 3.6. Mối liên hệ giữa hiệu quả xúc tác cháy Z theo hàm lượng DNT 58 đối với thuốc phóng trên nền NC-NG-DG ở áp suất 70 at Hình 3.7. Sự phụ thuộc của U theo P tại các hàm lượng của CaCO3 60 Hình 3.8. Sự phụ thuộc của Z theo P tại các hàm lượng của CaCO3 60 Hình 3.9. Sự phụ thuộc của hệ số mũ ν theo hàm lượng CaCO3 61 Hình 3.10. . Sự phụ thuộc của U theo P tại các hàm lượng của CoO 63 Hình 3.11. Sự phụ thuộc của Z theo P tại các hàm lượng của CoO 63 Hình 3.12. Sự phụ thuộc của hệ số mũ ν theo hàm lượng của CoO 64 Hình 3.13. Sự phụ thuộc của U theo P của một số phụ gia, xúc tác cháy 66 Hình 3.14. Sự phụ thuộc của Z theo P của một số phụ gia, xúc tác cháy 66 Hình 3.15. Sự phụ thuộc của U theo P tại các hàm lượng của CoO kết 68 hợp với 1,7 % PbO Hình 3.16. Sự phụ thuộc của Z theo P tại các hàm lượng của CoO kết 68 hợp với 1,7 % PbO Hình 3.17. Sự phụ thuộc của hệ số mũ ν theo hàm lượng của CoO kết 69 hợp với 1,7 % PbO Hình 3.18. Sự phụ thuộc của U theo P tại các hàm lượng của CaCO3 71 kết hợp với 1,9 % PbO và 0,5 % CoO
xiii Hình 3.19. Sự phụ thuộc của Z theo P tại các hàm lượng của CaCO3 71 kết hợp với 1,9 % PbO và 0,5 % CoO Hình 3.20. Sự phụ thuộc của hệ số mũ ν theo hàm lượng CaCO3 kết 72 hợp với 1,9 % PbO + 0,5 % CoO Hình 3.21. Sự phụ thuộc của U theo P tại các hàm lượng của PbO kết 74 hợp với 0,5 % CoO và 0,5 % CaCO3 Hình 3.22. Sự phụ thuộc của Z theo P tại các hàm lượng của PbO kết 74 hợp với 0,5 % CoO và 0,5 % CaCO3 Hình 3.23. Sự phụ thuộc của hệ số mũ ν theo hàm lượng PbO kết hợp 76 với 0,5 % CoO + 0,5 % CaCO3 Hình 3.24. Sự phụ thuộc của U theo P của PbO kết hợp với một số phụ 77 gia, xúc tác cháy khác Hình 3.25. Sự phụ thuộc của Z theo P của PbO kết hợp với một số phụ 77 gia, xúc tác cháy khác Hình 3.26. Sự phụ thuộc của tốc độ cháy (U) theo áp suất (P) của thuốc 81 phóng trên nền NC-NG-DINA Hình 3.27. Sự phụ thuộc của U theo P tại các hàm lượng của CaCO3 82 Hình 3.28. Sự phụ thuộc của Z theo P tại các hàm lượng của CaCO3 82 Hình 3.29. Sự phụ thuộc của hệ số mũ ν theo hàm lượng CaCO3 83 Hình 3.30. Sự phụ thuộc của U theo P tại các hàm lượng của Ckt 84 Hình 3.31. Sự phụ thuộc của Z theo P tại các hàm lượng của Ckt 84 Hình 3.32. Sự phụ thuộc của hệ số mũ ν theo hàm lượng Ckt 86 Hình 3.33. Sự phụ thuộc của U theo P tại các hàm lượng của Ckt với 87 1,7 % CaCO3 Hình 3.34. Sự phụ thuộc của Z theo P tại các hàm lượng của Ckt với 87 1,7 % CaCO3 Hình 3.35. Sự phụ thuộc của hệ số mũ ν theo hàm lượng Ckt kết hợp 88 1,7 % CaCO3 Hình 3.36. Sự phụ thuộc của U theo P tại các hàm lượng của PbO kết 90 hợp với 0,2 % Ckt và 1,7 % CaCO3 Hình 3.37. Sự phụ thuộc của Z theo P tại các hàm lượng của PbO kết 90 hợp với 0,2 % Ckt và 1,7 % CaCO3
xiv Hình 3.38. Sự phụ thuộc của hệ số mũ ν theo hàm lượng PbO kết hợp 91 với 0,2 % Ckt và 1,7 % CaCO3 Hình 3.39. Sự phụ thuộc của U theo P tại các hàm lượng của Ckt kết 93 hợp với 0,8 % PbO và 1,7 % CaCO3 Hình 3.40. Sự phụ thuộc của Z theo P tại các hàm lượng của Ckt kết 93 hợp với 0,8 % PbO và 1,7 % CaCO3 Hình 3.41. Sự phụ thuộc của hệ số mũ ν theo hàm lượng Ckt kết hợp 94 với 0,8 % PbO và 1,7 % CaCO3 Hình 3.42. Mối liên hệ giữa hệ số hiệu quả xúc tác cháy Z với vùng 96 kích thước hạt của xúc tác cháy PbO Hình 3.43. Sự phụ thuộc của U theo P của một số phụ gia, xúc tác đơn 98 kết hợp với 1,7 % CaCO3 Hình 3.44. Sự phụ thuộc của Z theo P của một số phụ gia, xúc tác đơn 98 kết hợp với 1,7 % CaCO3 Hình 3.45. Sự phụ thuộc của hệ số mũ ν theo hàm lượng Pb-Xal kết 99 hợp với 1,7 % CaCO3 Hình 3.46. Sự phụ thuộc của U theo P của một số hỗn hợp xúc tác cháy 101 kết hợp với 1,7 % CaCO3 Hình 3.47. Sự phụ thuộc của Z theo P của một số hỗn hợp xúc tác cháy 101 kết hợp với 1,7 % CaCO3 Hình 3.48. Ảnh SEM bề mặt cháy của thuốc phóng không phụ gia, xúc 104 tác cháy tại các áp suất khác nhau Hình 3.49. Ảnh SEM bề mặt cháy của thuốc phóng chứa 0,5 % CaCO3 105 + 0,5 % CoO + 1,8 % PbO tại các áp suất khác nhau Hình 3.50. Sự phân bố thành phần sản phẩm cháy trên bề mặt cháy của 108 thuốc phóng không phụ gia, xúc tác cháy theo áp suất Hình 3.51. Sự phân bố thành phần sản phẩm cháy trên bề mặt cháy của 109 thuốc phóng chứa 0,5 % CaCO3 + 0,5 % CoO + 1,8 % PbO theo áp suất Hình 3.52. Ảnh SEM bề mặt cháy của mẫu thuốc phóng không phụ 111 gia, xúc tác cháy tại các áp suất khác nhau
xv Hình 3.53. Ảnh SEM bề mặt cháy của thuốc phóng chứa 1,7 % CaCO3 113 + 0,1 % Ckt + 0,8 % PbO tại các áp suất khác nhau Hình 3.54. Sự phân bố thành phần sản phẩm cháy trên bề mặt cháy của 114 thuốc phóng không chứa phụ gia, xúc tác cháy theo áp suất Hình 3.55. Sự phân bố thành phần sản phẩm cháy trên bề mặt cháy của 116 thuốc phóng chứa 1,7 % CaCO3 + 0,1 % Ckt + 0,8 % PbO theo áp suất Hình 3.56. Sự phụ thuộc của U theo P tại các tỷ lệ phụ gia, xúc tác 121 phối liệu và kết quả thực nghiệm Hình 3.57. Sự phụ thuộc của Z theo P tại các tỷ lệ phụ gia, xúc tác phối 121 liệu và kết quả thực nghiệm Hình 3.58. Sự phụ thuộc của áp suất theo thời gian cháy của thuốc 122 phóng TPHT-5K trong động cơ ĐCT-7 ở các nhiệt độ thử nghiệm khác nhau Hình 3.59. Sự phụ thuộc của áp suất theo thời gian cháy của thuốc 124 phóng NDSI-2K trong động cơ PG-9 ở các nhiệt độ thử nghiệm khác nhau [7]
1 MỞ ĐẦU Nghiên cứu sự cháy của thuốc phóng keo ballistic nói chung và sự cháy của các thành phần nói riêng đã được thực hiện cách đây khoảng hơn 70 năm và từ đó cho đến nay nó vẫn tiếp tục được nghiên cứu, công bố. Trong số đó, có nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của các thành phần (bao gồm cả xúc tác) và áp suất đến quá trình cháy của thuốc phóng keo ballistic [18], [41], [47], [53]. Hầu hết, các nghiên cứu tập trung nhiều ở thuốc phóng keo hai gốc năng lượng trên nền nitro xenlulo (NC) với một trong số các chất hóa dẻo mang năng lượng. Đối với thuốc phóng ba gốc năng lượng trên nền NC với hai trong số các chất hóa dẻo mang năng lượng thì ít được đề cập. Nghiên cứu quy luật cháy là nội dung chính trong nghiên cứu sự cháy của thuốc phóng. Trong đó, quy luật tốc độ cháy của nó phụ thuộc phức tạp vào bản chất, thành phần của thuốc phóng và áp suất nơi diễn ra sự cháy. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của xúc tác cháy đến quy luật cháy của thuốc phóng có ý nghĩa rất quan trọng, thông qua đó cho phép điều chỉnh tốc độ cháy (u) và giảm thiểu sự phụ thuộc của nó vào áp suất (p) và nhiệt độ cháy ban đầu (To). Tất cả các loại thuốc phóng dùng cho các loại đạn phản lực, động cơ tên lửa đều chứa xúc tác cháy. Đa phần, các xúc tác cháy là các phụ gia làm tăng tốc độ cháy cho thuốc phóng (ngoại trừ số ít trong chúng với mong muốn để làm chậm tốc độ cháy) và làm giảm sự phụ thuộc của tốc độ cháy vào áp suất. Xúc tác cháy có thể là các muối hoặc oxit của các kim loại đa hóa trị, chúng được sử dụng ở dạng đơn lẻ hoặc kết hợp với nhau. Mỗi hệ thuốc phóng trên nền chất hóa dẻo khác nhau cho mức độ ảnh hưởng của xúc tác cháy đến tốc độ cháy và sự phụ thuộc của tốc độ cháy vào áp suất sẽ khác nhau. Nghiên cứu lựa chọn hệ xúc tác cháy để đảm bảo tốc độ cháy đạt yêu cầu theo quy định và giảm thiểu sự phụ thuộc của tốc độ cháy vào áp suất là vấn đề đang được các nhà khoa học kỹ thuật quan tâm. Đến nay, phần lớn các nghiên cứu về quy luật tốc độ cháy của thuốc phóng hai gốc năng lượng gần như đã được đề cập khá chi tiết [42], [63].
2 Trong khi đó, đối với thuốc phóng ba gốc năng lượng ít được tiếp cận. Xúc tác cháy cho thuốc phóng keo ballistic rất phong phú và đa dạng. Thậm chí, ngay cả với thuốc phóng hai gốc, mặc dù nó đã được nghiên cứu nhiều, tuy nhiên, việc xác lập hệ xúc tác cháy tối ưu cho từng thành phần cụ thể cũng vẫn còn là đối tượng nghiên cứu cho các nhà khoa học. Thuốc phóng keo ballistic ba gốc năng lượng trên nền nitro xenlulo (NC)-nitro glyxerin (NG)-dietylen glycol dinitrat (DG) [ký hiệu NC-NG-DG] và nitro xenlulo (NC)-nitro glyxerin (NG)-dietanol nitroamin dinitrat (DINA) [ký hiệu NC-NG-DINA] khác với thuốc phóng hai gốc thông thường là có chứa thêm cấu tử thứ ba tương ứng cũng có chức năng hóa dẻo và mang năng lượng DG, DINA. Do đó, việc nghiên cứu lựa chọn các loại xúc tác cháy cũng như tìm ra tỷ lệ tối ưu của nó cho hệ thuốc phóng này là cần thiết. Ở trong nước, thuốc phóng ba gốc năng lượng trên nền NC-NG-DG và NC-NG-DINA đã được đề cập với các đại diện tương ứng được biết đến là thuốc phóng RNDSI-5K và NDSI-2K [1], [5], [7]. Tuy nhiên, các nghiên cứu này chỉ mới tập trung khảo sát tốc độ cháy ở áp suất 100 at (đối với thuốc phóng NDSI-2K) và 70 at (đối với thuốc phóng RNDSI-5K) mà chưa đi sâu nghiên cứu về quy luật cháy của nó tại các áp suất khác nhau cũng như với các phụ gia, xúc tác cháy khác nhau. Do đó, chưa đánh giá được hiệu quả xúc tác cháy thông qua các hàm phụ thuộc u(p), z(p) và hệ số mũ ν theo các phụ gia, xúc tác cháy. Ngoài ra, các nghiên cứu về bề mặt cháy của thuốc phóng kể cả thuốc phóng hai gốc năng lượng cũng chưa được thực hiện. Đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số phụ gia, xúc tác cháy đến quy luật tốc độ cháy của thuốc phóng keo ballistic trên nền NC- NG-DG và NC-NG-DINA” được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu các quy luật tốc độ cháy và bề mặt cháy của thuốc phóng keo ballistic chứa 3 gốc năng lượng trên nền NC-NG-DG và NC-NG-DINA, qua đó, thiết lập sự phụ thuộc của tốc độ cháy theo áp suất cháy vào các phụ gia, xúc tác cháy đồng thời giải thích một số cơ chế cháy thông qua bề mặt sản phẩm cháy của
3 chúng. Ngoài ra, trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, đánh giá so sánh khả năng sử dụng của các phụ gia, xúc tác cháy này. Từ đó, đưa ra loại xúc tác cháy hiệu quả cho thuốc phóng RNDSI-5K (TPHT-5K) và đề xuất lựa chọn xúc tác cháy triển vọng thay thế hệ xúc tác cháy đang sử dụng trong thuốc phóng NDSI-2K hiện nay. Để đạt được mục tiêu trên, đề tài luận án cần phải tập trung để làm rõ một số vấn đề sau: - Tổng quan về cơ chế cháy của thuốc phóng keo ballistic; sự phân hủy nhiệt của các cấu tử thành phần thuốc phóng keo ballistic; ảnh hưởng của các thành phần thuốc phóng đến tốc độ cháy; vai trò và tác dụng của xúc tác cháy đến quá trình cháy của thuốc phóng keo ballistic; sự phụ thuộc của tốc độ cháy theo áp suất vào các phụ gia, xúc tác cháy. - Nghiên cứu ảnh hưởng của một số phụ gia, xúc tác cháy đến tốc độ cháy của thuốc phóng keo ballistic 3 gốc năng lượng trên nền NC-NG-DG và NC-NG-DINA. - Thiết lập quy luật thay đổi tốc độ cháy theo áp suất vào các phụ gia, xúc tác cháy của thuốc phóng keo ballistic 3 gốc năng lượng trên nền NC- NG-DG và NC-NG-DINA. - Nghiên cứu bề mặt cháy của thuốc phóng keo ballistic 3 gốc năng lượng trên nền NC-NG-DG và NC-NG-DINA tại các áp suất khác nhau. - Ứng dụng thiết kế đơn thành phần thuốc phóng keo ballistic 3 gốc năng lượng RNDSI-5K (TPHT-5K) cho đạn chống tăng chống giáp phản ứng nổ ĐCT-7 và đề xuất lựa chọn xúc tác cháy thay thế hệ xúc tác cháy đang sử dụng trong thuốc phóng NDSI-2K cho đạn chống tăng PG-9. Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của đề tài luận án Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án có ý nghĩa khoa học và mang lại giá trị thực tiễn trong lĩnh vực quân sự, nhằm làm rõ hơn bản chất của quá trình cháy đối với thuốc phóng keo ballistic nói chung và thuốc phóng keo ballistic chứa 3 gốc năng lượng trên nền NC-NG-DG và NC-NG-DINA nói