ПИРОТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗЕРВНЫЙ ИСТОЧНИК ТОКА
НА ОСНОВЕ МЕТАЛОВ
Г.Р. Нысанбаева, Б.Т.
Лесбаев, Акказин Е.А.
Институт Проблем
Горения, ул. Богенбай батыра 172, Алматы, Казахстан
E-mail:
gulnur.83.29@mail.ru
Аннотация.
В
работе приведены результаты исследований по разработке
метода получения резервного источника тока на основе металлических
составляющих. Проведена
экспериментальная работа по определению характеристик резервного источника
тока в отношении к ионообразованию активированного пиротехнического состава.
Введение
Химические источники тока играют важную
роль в транспорте, авиации, ракетной технике. Они имеют ряд преимуществ по
сравнению с применявшимися ранее пневматическими и пиротехническими
генераторами электроэнергии. Особое значение имеют резервные источники тока (РИТ). В отличие от генераторов и
аккумуляторов резервные источники тока имеют высокую удельную мощность, широкий
температурный рабочий диапазон (–60…+70 °С) и длительный (до 25 лет) срок
хранения без саморазряда. Существует особый класс РИТ в которых и катод, и
анод совмещены с электролитным материалом и выполнены в виде пиротехнических
зарядов, разделенных сепаратором. При этом анодом служит пиротехнический состав
с
избытком горючего, катодом с избытком окислителя, а сепаратор изготовляется из
смеси асбеста, фторида лития или щелочноземельного металла ит.д.
Пиротехнический резервный источник электрического тока представляет собой
устройство, принцип действия которых основан на преобразовании химической
энергии в электрическую и могут длительное время находиться в ждущем
(неактивированном) режиме и вырабатывать электрическую энергию только после
активации. Такие пиротехнические генераторы, в первую очередь, предназначены
для использования в гибридных автоматических системах и устройствах, содержащих
цепочку: резервный источник - микроэлектронный таймер - исполнительный
механизм. Запуска достигается тем, что по электролитному материалу, находящемуся
в закрытой камере, соединенной каналами с сепаратором гальванической ячейки,
наносится тепловой удар от нагревателя в виде пиротехнического состава, в
результате чего электролитный материал, вскипая, разлагаясь, реагируя,
распадаясь, выделяет жидкопарогазовую ионопроводящую субстанцию, которая под
действием возникающего в камере повышенного давления быстро заполняет сепаратор
и активирует гальваническую ячейку.
Цель представленной работы состоит в
разработке нового быстро активируемого Пиротехнического РИТ.
Экспериментальная часть
Для
создания пиротехнического состава с электролитическими свойствами использовали окислитель, горючее и галогенсодержащую добавку. Испытания на
гигроскопичность показали, что при относительной влажности воздуха 93%
влагопоглощения не наблюдается, что позволяет использовать эти компоненты в ПС.
Фторид свинца использовался в виду того, что он активно взаимодействует с
алюминием, который использован качестве горючего.
Использование алюминия позволяет более полно
использовать активный катодный материал, так как свинец (продукт восстановления
фторида свинца) не образует сплавов с алюминием и потенциал катода близок к
потенциалу реакции Pb2+ + 2e →Pb0. Для приготовления опытных опытных образцов
использовали просеянные через шелковое сито и просушенные фторид свинца (П) и
фторид лития и в качестве металлов
алюминий марки АСД-4 ТУ 48-5-100-75 и магний . Составы смешивали вручную
до получения однородной массы.
Компоненты брали в соотношении в г: для ПС-1, фторид свинца 18,24;
фторид лития 0,6; алюминий 1,16.В качестве анода для ПС-2 использовали модельную пиросмесь, содержащую, фторид свинца
58%, магний 22%, фторид лития 20%.
На рисунке 1 показано схематическое изображение изготовленного
пиротехнического источника тока.
Рисунок 1.
Схематическое изображение резервного источника тока с пиротехническим составом
Устройство работает следующим образом: от воспламенительного
импульса одновременно загораются катодный 1 и анодный 2 составы. При их горении
электролит расплавляется и заполняет поры сепаратора 3. Расплавленный
электролит является средой, в которой происходит перенос заряженных частиц
между электродами и внутри каждого электрода к токовыводу. На аноде происходит
электрохимическое окисление горючего - алюминия, а на катоде -
электрохимическое восстановление фторида свинца.
Для активации
пиротехнического состава в электролитный материал РИТ помещается внутрь
герметичной кварцевой трубы заполненной аргоном для создания инертной среды.
Кварцевая труба помещалась в цилиндрическую печь с максимальной температурой
разогрева до 10000С. Контроль температуры нагрева печи и
пиротехнического состава производили хромель-алюмелевой термопарой. На рисунке
2 показано схема установки по определению рабочих режимов пиротехнического
состава и вольтамперных характеристик пиротехнического источника тока.
Рисунок 2 - Схема установки
РИТ состоит из образца анодно-катодной состава, токоотводы, вольтамперметра,
кварцевой трубки, термопары, цилиндрической
печки
Результаты и обсуждения
При достижении определенной температуры пиротехнический состав загорается
и, расплавившись, превращается в электролит, которая заполняет поры сепаратора.
Расплавленный электролит обеспечивает ионный контакт между электродами,
благодаря чему на аноде происходит электрохимическое окисление горючего
(магния), а на катоде происходит электрохимическое восстановление окислителя
(фторида свинца). Электрохимическая реакция происходит следующим
образом:
катод :анод:
3PbF2+ 2Al
→3Pb + 2AlF3 PbF2 + Mg
→Pb + MgF2
PbF2 + 2e
→ Pb0 + 2F- Mg0 + 2F- → MgF2
+ 2e
В ходе экспериментальных исследований было выявлено влияние степени
дисперсности применяемых порошков на скорость горения пиротехнического состава,
что играет немаловажную роль.
Эксперименты проводились с порошками алюминия и магния 5–8 мкм и просеянные
2 мкм. Применение мелкодисперсных порошков 2 мкм увеличило скорость горения
ПС до 100 мм/с и уменьшило время выхода
на режим РИТ на 0,18 с. Это дало возможность уменьшить по массе и
соответственно по толщине ПС, что в свою очередь уменьшило токопроводящее
сопротивление ПС и положительно повлияло на электрические характеристики РИТ.
Активизация резервного источника происходило при температуре до 5000С градусов и вырабатывалось напряжение до1,67 вольта.
Приведены
ниже таблицы -1 можно увидеть с уменьшением размера
частиц
температура воспламенение и температура горение металлического состава увеличивается.
С изменением дисперсности веществ изменяется температура фазового перехода.
Количественная взаимосвязь между
температурой фазового перехода и дисперсностью вытекает из
термодинамических соотношений.
∆Gд = -S∆T
И так же
из таблицы можно увидеть, при разных дисперсности металлического состава
напряжение не меняется.
Таблица – 1. При разной
степени дисперсности металического состава температура воспламенение и
температура электролита.
|
№ |
Дисперсностьметалличес
кого состава, (мкм) |
Время выхода на режим РИТ, сек |
Температура воспламенение РИТ, 0С |
Температура
электролита, 0С |
Напряжение, В |
|
1 |
7-8 |
0,30 |
440 |
780 |
1,67 |
|
2 |
2 |
0,18 |
450 |
800 |
1,67 |
Преимущество резервного источника
тока. Они могут храниться в не активированном
виде более 50 лет; Высокую пиковая мощность при активации за короткое время; Можно работать при
суровых климатических условиях. Температурный рабочий диапазон (-60….+60
˚С);Суммарная высокая мощность, которая на три порядка (или более) больше,
чем серной кислоты в свинцово-кислотных аккумуляторах автомобиля;
Миниатюрность устройств.
Недостатки резервного источника тока. Себестоимость резервного
источников тока высокая из-за дорогих компонентов и материалов; Сборка
выполняется в ручную в специальных
производственных помещениях;
Отсутствует взаимозаменяемость; Он
является устройством одноразового
пользования.
Заключения
1.
Разработан быстро активируемый РИТ, содержащий пиротехнический состав на основе
системы Mg/LiF/PbF2 + Al/LiF/PbF2 с высокой скоростью
горения (более 2,5 м/с); низким значением газовыделения – не более 0,2 см3 /г;
относительно низкой температурой горения 740-780°С; высокой надежностью инициирования
от запального устройства и горения. Резервный источник тока содержит
пиротехнический материал с мелкодисперсными порошками алюминия и магния, что применительно к РИТ позволяет:
уменьшить на 60–70 % время инициирования РИТ; обеспечить надежность РИТ;
2.
На основании проведенных исследований установлено, что необходимым условием для
обеспечения высокой скорости горения малогазового пиротехнического материала
(не менее 2,5 м/с) является конвективный режим горения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Атовмян Л.О., Укше Е.А. В сб.: Физическая химия. Современные проблемы. М.: Химия, 1983, с.
92.115.
2. Исикава Н. Новое в технологии соединений фтора.М.: Мир, 1984, с. 132.158
3. Гришин С.В., Каверин О.А., Мамонтова Ю.Е.,
Стекольников Ю.А. Быстроактивируемый резервный источник тока на основе
пиротехнического материала с высокой скоростью. Вестник ТГТУ. 2011. Том 17. № 3. .
4. Потанин А. А. Твердотельный химический источник
тока на основе ионного проводника типа трифторида лантана//Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.
Менделеева), 2001, т. XLV, № 5-6.
1.
5. Нысанбаева Г.Р., Дабынов Б.
Лесбаев Б.Т. Резервные источники тока на основе пиротехнического материала// Программа и тезисы
докладов Международная научная конференция студентов и молодых ученных Алматы, 23-25 апреля, 2014 г.
– С. 171.
6. Potanin
A.A. In: Proc. of the 14th Int. Conf. on Primary and
SecondaryBattery Technology, Florida, Ft. Lauderdale, 1997, p.
105.
7. Кукоз, Ф.И. Тепловые источники тока /Ф.И.
Кукоз, Ф.Ф. Труш, В.И.
Кондратенков. Ростов н/Д : Изд-во Рост.
ун-та, 1989. – 208 с.
8. Химические источники тока : справочник /
под ред. Н.В. Коровина. М. : Изд-во Моск. энерг. ин-та, 2003. – 740 с.