ebook Badania efektywności układu Fe–KClO4 jako termicznego aktywatora urządzeń specjalnych Bogdan Czajka

Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej

Rok wydania: 2011

W niniejszym opracowaniu przedstawiono wyniki prac badawczych nad właściwościami fizykochemicznymi mieszaniny grzewczej stosowanej m.in. w bateriach rezerwowych aktywowanych termicznie. Obejmują one charakterystykę handlowych preparatów stosowanych w układzie Fe/KClO₄ lub Fe/KClO₄/aktywator. Rozpatrywano także możliwość zwiększenia efektywności tej mieszaniny, co uzyskano, opracowując sposób modyfikacji jej składników, tj. handlowych preparatów chloranu(VII) potasu i proszku żelaza. Modyfikacja pierwszego z wymienionych pozwoliła na uzyskanie preparatu charakteryzującego się znacznie mniejszą zawartością zanieczyszczeń oraz optymalnym rozmiarem ziaren.

Spośród dostępnych siedemnastu handlowych proszków żelaza wytypowano zaledwie trzy, które wykazywały odpowiednią aktywność w mieszaninie grzewczej. Stwierdzono, Że istotnymi czynnikami określającymi praktyczną przydatność określonego proszku żelaza był poziom zanieczyszczeń występujących w warstwach powierzchniowych i przypowierzchniowych takich pierwiastków, jak Cr, V, Mn i Ti oraz cienka warstwa pasywacyjna tlenku żelaza wytworzona w wysokiej temperaturze w trakcie jego przygotowania. Proszki żelaza wykazujące aktywność w reakcji z utleniaczem (KClO₄) charakteryzowały się obecnością na powierzchni warstw -Fe₂O₃ i Fe₃O₄. W przypadku proszków żelaza modyfikacja polegała na ich obróbce w atmosferze diwodoru w temperaturze około 550 K, co prowadziło do zwiększenia ilości fazy Fe₃O₄.

Istotnymi czynnikami określającymi efektywność mieszaniny grzewczej był również jej skład chemiczny oraz warunki przygotowania do formy tabletki. Wszystko to pozwalało na uzyskanie finalnego produktu charakteryzującego się odpowiednią liniową szybkością palenia, ilością uwalnianej energii, objętością uwalnianych składników gazowych oraz czułością na zapalenie, a tak że optymalną wytrzymałością mechaniczną określoną na podstawie tzw. próby łamania. Stwierdzono, że uwalniana w wyniku inicjacji reakcji chemicznej w tabletce energia zależy od ilości tlenu pochodzącego z rozkładu chloranu(VII) potasu, który z kolei bierze udział w utlenianiu proszku żelaza. Generalnie mieszaniny grzewcze dwu- i trójskładnikowe winny być niskogazującymi, tj. charakteryzować się niewielką ilością produktów gazowych wydzielanych do atmosfery.

Mieszanina grzewcza trójskładnikowa zawierała dodatkowo aktywator, którym były odpowiednio proszki takich metali, jak Zn, Ti, Mo i nano-Fe. Optymalna zawartość aktywatora w mieszaninie grzewczej odpowiadała 4% mas. W wyniku przeprowadzonych prac otrzymano przewodzącą prąd elektryczny i ciepło mieszaninę grzewczą dwu- i trójskładnikowa, która może znaleźć praktyczne zastosowanie w bateriach rezerwowych aktywowanych termicznie.

Spis treści ebooka Badania efektywności układu Fe–KClO4 jako termicznego aktywatora urządzeń specjalnych

1. Wstęp 5

2. Część doświadczalna 8

2.1. Materiały stosowane w badaniach 8
Chloran(VII) potasu 8
Proszek żelaza 8
Proszek metalu stosowany jako aktywator 9
Inne odczynniki chemiczne 10
Gazy techniczne i ich mieszaniny 10
2.2. Metody badawcze 10
Oznaczanie chlorków 10
Oznaczanie jonów sodu 11
Oznaczanie zawartości zanieczyszczeń proszku żelaza 11
Analiza granulometryczna 11
Badania mikroskopowe metodą SEM 12
Wyznaczanie izoterm adsorpcji/desorpcji azotu i wielkości powierzchni właściwej 12
Analiza dyfraktometryczna (XRD) 12
Analiza spektralna w zakresie podczerwieni (FT-IR) 13
Analiza w zakresie widm Ramana (RS) 13
Termoprogramowana redukcja diwodorem (TPR) 13
Pomiary elipsometryczne 14
Rozdrabnianie proszku tytanu na drodze chemicznej 14
Redukcja powierzchniowych tlenków proszku żelaza 14
Otrzymywanie tabletek mieszaniny grzewczej 15
Badanie reaktywności w stanie stałym KClO₄ z Fe 15
Pomiar objętości właściwej tabletki mieszaniny grzewczej 15
Pomiar liniowej szybkości palenia tabletki mieszaniny grzewczej 15
Pomiar temperatury powierzchni tabletek mieszaniny grzewczej 16
Pomiar ilości uwalnianej energii cieplnej 16
Badanie stabilności termicznej tabletki w warunkach obniżonego ciśnienia 17
Pomiar wytrzymałości mechanicznej tabletki mieszaniny grzewczej 17
2.3. Aparatura i sprzęt wykorzystywany w pracach badawczych 17

3. Charakterystyka chloranu(VII) potasu 19

3.1. Wyniki badań chloranu(VII) potasu i ich omówienie 20
Rentgenowska analiza dyfraktometryczna (XRD) 20
Oznaczenie jonów chlorkowych i sodowych w preparatach wyjściowych i po ich krystalizacji 21
Modyfikacja chloranu(VII) potasu 23
Oznaczanie jonów chlorkowych i sodowych w preparatach wyjściowych oraz po ich krystalizacji 23
Rentgenowska analiza dyfraktometryczna XRD 24
Analiza granulometryczna 25
Zdjęcia mikroskopowe metodą SEM 28
Badania termograwimetryczne TG, DTA 30
3.2. Wnioski 36

4. Charakterystyka proszku żelaza 38

4.1. Wyniki badań proszku żelaza i ich omówienie 39
Oznaczanie zawartości zanieczyszczeń występujących w proszku żelaza 39
Analiza granulometryczna 41
Analiza mikroskopowa (SEM) 46
Izotermy adsorpcji/desorpcji azotu i wyznaczenie wielkości powierzchni właściwej 52
Analiza dyfraktometryczna (XRD) 54
Badania spektroskopowe w podczerwieni (FT-IR) 56
Badania spektroskopowe w zakresie widm Ramana 56
Pomiary elipsometryczne 60
Termoprogramowana redukcja wodorem 61
4.2. Wnioski 66

5. Proszki metali stosowane jako aktywatory 68

5.1. Charakterystyka aktywatorów 68
Proszek cynku 69
Proszek tytanu 70
Proszek molibdenu 72
Nanoproszek żelaza 73
5.2. Wnioski 73

6. Mieszanina grzewcza dwuskładnikowa 74

6.1. Charakterystyka dwuskładnikowej mieszaniny grzewczej 74
Objętość właściwa tabletki 74
Badania reaktywności KClO₄ z Fe 78
Badania tabletek techniką SEM po ich aktywacji 81
Badania tabletek techniką XRD po ich aktywacji 84
Badania czułości na zapalenie tabletek mieszaniny grzewczej 84
Charakterystyka wybranych właściwości określających praktyczną przydatność tabletek mieszaniny grzewczej 86
6.2. Wnioski 90

7. Mieszanina grzewcza trójskładnikowa 92

7.1. Charakterystyka trójskładnikowej mieszaniny grzewczej 92
Proszek cynku 92
Proszek tytanu 94
Proszek molibdenu 96
Nanoproszek żelaza 98
Charakterystyka wybranych właściwości określających praktyczną przydatność tabletek trójskładnikowej mieszaniny grzewczej 100
7.2. Wnioski 104

8. Wnioski końcowe 106

9. Streszczenie 107

10. Summary 108

11. Literatura 109