Skład pirotechniczny: klasyfikacja, składniki, zastosowanie

Skład pirotechniczny to substancja lub mieszanina składników przeznaczona do wywoływania efektu w postaci ciepła, światła, dźwięku, gazu, dymu lub ich kombinacji, powstająca w wyniku samopodtrzymujących się egzotermicznych reakcji chemicznych zachodzących bez detonacji. Taki proces nie jest uzależniony od tlenu z zewnętrznych źródeł.

Klasyfikacja kompozycji pirotechnicznych

Można je podzielić ze względu na ich działanie:

• Flaming.
• Dym.
• Dynamiczna.

Dwie pierwsze grupy można podzielić na mniejsze typy.

Miotacze ognia: miotacze ognia, miotacze ognia sygnalizacyjne, miotacze ognia typu tracer i niektóre miotacze ognia zapalające.

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

Główne rodzaje pirotechniki

Za pomocą tych komponentów można tworzyć wspomniane wcześniej efekty (światło, dźwięk itp.):

• Proszek błyskowy - pali się bardzo szybko, powodując eksplozje lub jasne wybuchy światła.
• Proch strzelniczy - spala się wolniej niż proch i wydziela duże ilości gazów.
• Stały materiał pędny - wytwarza wiele gorących par używanych jako źródła energii kinetycznej dla rakiet i pocisków.
• Pirotechniczne środki inicjujące - wydzielają duże ilości ciepła, płomienia lub gorących iskier używanych do zapalenia innych kompozycji.
• Ładunki wyrzutowe - spalają się szybko, wytwarzają duże ilości gazu w krótkim czasie i są używane do uwalniania ładunków użytecznych z kontenerów.
• Ładunki wybuchowe - szybko się spalają, wytwarzają duże ilości gazu w krótkim czasie, służą do zgniecenia pojemnika i wyładowania jego zawartości.
• Kompozycje dymne - palą się powoli, wytwarzają mgłę (zwykłą lub kolorową).
• Kompozycje o opóźnionym działaniu - płoną ze stałą cichą szybkością, służą do wprowadzania opóźnień w rezerwie pożarowej.
• Pirotechniczne źródła ciepła - wydzielają duże ilości ciepła i mało rozproszone gazy, spalają się powoli, często termitowo.
• Lampy bengalskie - wytwarzają białe lub kolorowe iskry.
• Lampy błyskowe - spalają się powoli, tworzą duże ilości światła, używane do oświetlenia lub sygnalizacji.
• Kolorowe kompozycje fajerwerków - wytwarzają jasne, białe lub wielobarwne iskry.

Aplikacje

Niektóre kompozycje i produkty pirotechniczne są stosowane w przemyśle i lotnictwie do wytwarzania dużych ilości gazu (np. w poduszki powietrzne), a także w różnych mocowaniach i w innych podobnych sytuacjach. Są one również stosowane w przemyśle wojskowym, gdy potrzebna jest duża ilość hałasu, światła lub promieniowania podczerwonego. Na przykład rakiety wabiące, flary i granaty ogłuszające. Nowa klasa kompozycji materiałów reaktywnych jest obecnie badana przez wojsko.

Wiele kompozycji pirotechnicznych (zwłaszcza zawierających glin i nadchlorany) jest często bardzo wrażliwych na tarcie, wstrząsy i elektryczność statyczną. Nawet tak mała jak 0,1 do 10 milijunów iskra może spowodować pewne efekty.

Gunpowder

To czarny proch, o którym wiele osób wie. Jest to najwcześniejszy znany chemiczny materiał wybuchowy i składa się z mieszaniny siarki (S), węgla drzewnego (C) i azotanu potasu (azotan, KNO 3). Pierwsze dwa składniki działają jako paliwo, a trzeci jako utleniacz. Ze względu na swoje właściwości zapłonowe oraz ilość wytwarzanego ciepła i gazu, proch jest szeroko stosowany do produkcji ładunków miotających w broni palnej i artylerii. Stosowany również do produkcji rakiet, fajerwerków i urządzeń wybuchowych w kamieniołomach, górnictwie i drogownictwie.

Wskaźniki

Proch strzelniczy został wynaleziony w Chinach w VII wieku i rozprzestrzenił się na dużą część Eurazji do końca XIII wieku. Pierwotnie opracowany przez taoistów do celów leczniczych, proszek został wykorzystany do działań wojennych około 1000 r. n.e.

Proch strzelniczy jest klasyfikowany jako materiał wybuchowy o małej sile rażenia ze względu na stosunkowo niską szybkość rozkładu i małą porowatość.

Siła eksplozji

Zapłon prochu, zapakowanego za pociskiem, powoduje powstanie ciśnienia wystarczającego do wywołania strzału z dużą prędkością, ale nie wystarczającego do rozerwania lufy broni. Proch strzelniczy jest więc dobrym paliwem, ale mniej nadaje się do niszczenia kamienia lub fortyfikacji ze względu na małą siłę eksplozji. Przekazując odpowiednią ilość energii (z płonącej substancji do masy kuli armatniej, a następnie z niej do celu za pomocą amunicji uderzeniowej), bombowiec może ostatecznie zmiażdżyć umocnioną obronę przeciwnika.

Proch strzelniczy był powszechnie stosowany do wypełniania pocisków i był używany w górnictwie i inżynierii lądowej aż do drugiej połowy XIX wieku, kiedy to testowano pierwsze materiały wybuchowe. Proch nie jest już stosowany w nowoczesnej broni i do celów przemysłowych ze względu na jego stosunkowo niską wydajność (w porównaniu z nowszymi alternatywami, takimi jak dynamit i azotan amonu lub olej opałowy). Dzisiaj broń palna prochowa jest ograniczona głównie do polowań, strzelania do celu.

Pirotechniczne źródło ciepła

Kompozycje pirotechniczne to urządzenia palne z odpowiednim zapalnikiem. Ich zadaniem jest wytworzenie kontrolowanej ilości ciepła. Źródła pirotechniczne są zwykle oparte na termitowych (lub o opóźnionym składzie) utleniaczach paliwowych o niskiej szybkości spalania, wysokiej produkcji ciepła w pożądanej temperaturze i niewielkim lub żadnym tworzeniu się gazu.

Mogą to być aktywowane na kilka sposobów. Zapałki elektryczne i spłonki do zapalniczek są Najczęstsze.

Pirotechniczne źródła ciepła są często wykorzystywane do aktywacji akumulatorów, gdzie służą do topienia elektrolitu. Istnieją dwa typy podstawowe projekt. Jeden z nich wykorzystuje listwę bezpiecznikową (zawierającą chromian baru i proszek metalu cyrkonu w papierze ceramicznym). Wzdłuż jego krawędzi znajdują się termiczne kompozycje pirotechniczne do inicjowania spalania. Listwa jest zwykle wyzwalana przez elektryczny zapłonnik lub wtyczkę za pomocą prądu.

W drugiej konstrukcji zastosowano centralny otwór w skrzynce akumulatora, do którego wysokoenergetyczny zapłonnik elektryczny uwalnia mieszaninę gazów palnych i żarówek. Konstrukcja z otworem centralnym umożliwia znacznie krótsze czasy aktywacji (dziesiątki milisekund). Dla porównania, w urządzeniach z obrzeżami liczba ta wynosi setki milisekund.

Aktywacja baterii może być również osiągnięta poprzez uderzenie spłonki w kształcie strzały. Preferuje się, aby źródło ekspozycji było wolne od gazu. Typowe mieszanki pirotechniczne składają się z proszku żelaza i nadchloranu potasu. Współczynniki wagowe wynoszą 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 granulek nadchloranu żelaza mają niewielki wpływ na szybkość spalania, ale wpływają na gęstość, skład, wielkość cząstek i mogą być wykorzystane do dostosowania pożądanego profilu uwalniania ciepła.

Inna stosowana kompozycja to cyrkon z chromianem baru. Inna mieszanina zawiera 46,67% tytanu, 23,33% boru amorficznego i około 30% chromianu baru. Proporcje mogą być również następujące: 45% wolframu, 40,5% chromianu baru, 14,5% nadchloranu potasu i 1% alkoholu winylowego i spoiwa octanowego.

Reakcje polegające na tworzeniu międzymetalicznych składników kompozycji pirotechnicznych, np. cyrkonu i boru, mogą być stosowane w przypadku, gdy działanie bez gazu, niehigroskopijne zachowanie i niezależność od ciśnienie otoczenia.

Źródło ciepła

Może być bezpośrednią częścią kompozycji pirotechnicznej, np. chemiczny generator tlenu wykorzystuje taki składnik z dużym nadmiarem utleniacza. Ciepło wydzielane podczas spalania jest wykorzystywane do rozkładu termicznego. Kompozycje spalające się na zimno są stosowane do wytwarzania kolorowego dymu lub do rozpraszania aerozoli, takich jak pestycydy lub gaz CS, zapewniając ciepło sublimacji pożądanego związku.

Do stabilizacji wysokości spalania można wykorzystać składnik opóźniający fazę w kompozycji, która tworzy wraz z produktami spalania mieszaninę o jednej temperaturze przejścia fazowego.

Materiały

Kompozycje pirotechniczne są zazwyczaj zhomogenizowanymi mieszaninami drobnych cząstek paliwa i utleniaczy. Te pierwsze mogą być ziarnami lub płatkami. Generalnie, im większa powierzchnia cząstek, tym większa szybkość reakcji i spalania. W niektórych zastosowaniach spoiwa są używane do przekształcenia proszku w materiał stały.

Paliwa

Typowe typy są oparte na proszkach metalicznych lub metaloidowych. Skład może wskazywać na kilka różnych paliw. Niektóre z nich mogą również służyć jako środki wiążące.

Metale

Typowe rodzaje paliw zawierają następujące elementy

• Aluminium jest najczęstszym paliwem w wielu klasach mieszanek, a także regulatorem niestabilności spalania. Wysokotemperaturowy płomień z cząstkami stałymi, które zakłócają wygląd barwników, reaguje z azotanami (z wyjątkiem amonowego) tworząc tlenki azotu, amoniak i ciepło (reakcja jest powolna w temperaturze pokojowej, ale gwałtowna powyżej 80° C, może ulec samozapłonowi).
• Magnez, stop aluminium i magnezu, jest bardziej stabilny i tańszy niż pojedynczy metal. Mniej reaktywny niż magnez, ale łatwiejszy do zapalenia niż aluminium.
• Żelazo - tworzy złote iskry, powszechnie stosowany pierwiastek.
• Stal - stop żelaza i węgla, który tworzy rozgałęziające się żółto-pomarańczowe iskry.
• Cyrkon - wytwarza gorące cząstki przydatne w mieszankach zapłonowych, takich jak standardowy inicjator NASA, oraz do tłumienia niestabilności spalania.
• Tytan - tworzy gorące materiały pirotechniczne i kompozycje, zwiększa wrażliwość na uderzenia i tarcie. Czasami stosuje się stop Ti4Al6V, który daje nieco jaśniejsze białe iskry. Wraz z nadchloranem potasu jest stosowany w niektórych zapalnikach pirotechnicznych. Gruby proszek wytwarza piękne rozgałęziające się niebiesko-białe iskry.
• Ferrotitanium - stop żelaza z tytanem, tworzy jasne iskry stosowane w gwiazdach pirotechnicznych, rakietach, kometach i fontannach.
• Żelazokrzem to substancja żelazowo-krzemowa stosowana w niektórych mieszankach, czasami zastępująca krzemian wapnia.
• Mangan - stosowany do kontroli szybkości spalania, np. w kompozycjach opóźnionych.
• Cynk - stosowany w niektórych kompozycjach dymnych wraz z siarką, która jest wykorzystywana jako amatorskie paliwo rakietowe, a także w gwiazdach pirotechnicznych. Wrażliwość na wilgoć. Może dojść do samozapłonu. Rzadko stosowane jako paliwo główne (wyjątek: kompozycje dymu), może być stosowane jako składnik uzupełniający.
• Miedź - stosowana jako niebieski barwnik z innymi gatunkami.
• Mosiądz, stop cynku i miedzi, stosowany w niektórych preparatach do produkcji sztucznych ogni.
• Wolfram - używany do kontroli i opóźnienia tempa spalania kompozycji.

Warto zaznaczyć, że kompozycje pirotechniczne są niebezpieczne do ręcznego wykonania.