Opis
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 treści1. 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 spektro