Особенности и механизм горения энергетических материалов на основе вольфрамаи политетрафторэтилена

Многофункциональные энергетические материалы (реакционные материалы) при нормальных условиях являются инертными смесями, а при сильном механическом или тепловом воздействии способны к интенсивной экзотермической реакции. Для разработки реакционных материалов и оптимизации их состава необходимо учитывать последовательности химических реакций. Исследованы особенности горения в порошковом реакционном материале на основе вольфрама, политетрафторэтилена и алюминия. Поскольку металлические компоненты должны вступать в реакцию с продуктами разложения политетрафторэтилена, эта стадия выделена в отдельные эксперименты по горению металлов с тетрафторметаном CF4. Использование тетрафторметана вместо политетрафторэтилена позволило установить, что в системе Al–CF4 реакция начинается при 900…1000 °C, а в системе W–Al при 700 °C. Интенсивное испарение политетрафторэтилена в системе W–ПТФЭ–Al препятствует реагированию вольфрама с алюминием, что приводит к воспламенению при 900…1000 °C. Горение двухкомпонентных систем W–Al и Al–CF4 показало, что выделяющееся при их взаимодействии тепло недостаточно для самоподдерживающегося синтеза. Горение образцов W–Al в среде тетрафторметана реализуется в самоподдерживающемся режиме. Реакция вольфрама с алюминием дает начальный импульс, а основным источником тепла является взаимодействие алюминия с тетрафторметаном.

1. Zhang H, Wang H, Ge C. Characterization of the dynamic response and constitutive behave or of PTFE/Al/W reactive materials. Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2020;45(5):788-797. DOI:10.1002/prep.|201900334

2. Glavier L, Taton G, Ducéré J-M, Baijot V, et al. Nanoenergetics as pressure generator for nontoxic impact primers: comparison of Al/Bi2O3, Al/CuO, Al/MoO3 nanothermites and Al/PTFE. Combustion and Flame. 2015;162(5):1813-1820. DOI:10.1016/j.combustflame.2014.12.002

3. Bacciochini A, Radulescu MI, Yandouzi M, Maines G, et al. Reactive structural materials consolidated by cold spray: Al–CuO thermite. Surface and Coatings Technology. 2013;226:60-67. DOI:10.1016/j.surfcoat.2013.03.036

4. Wang H, Jian G, Egan GC, Zachariah MR. Assembly and reactive properties of Al/CuO based nanothermite microparticles.. Combustion and Flame. 2014;161(8):2203-2208. DOI:10.1016/j.combustflame.2014.02.003

5. He W, Liu P, He G, Gozin M, et al. Highly reactive metastable intermixed composites (MICs): preparation and characterization. Advanced Materials. 2018;30(41): 1706293. DOI:10.1002/adma.201706293

6. Li J, Li W, Wang X. Effects of shock stress and microstructure on shock response of Al–Hf reactive materials. Journal of Alloys and Compounds. 2024;970:172569. DOI:10.1016/j.jallcom.2023.172569

7. Tu J, Qiao L, Shan Y, Xin C, et al. Study on the impact-induced energy release characteristics of Zr68.5Cu12Ni12Al7.5 amorphous alloy. Materials. 2021; 14(6):1447. DOI:10.3390/ma14061447

8. Cai Y, Feng X, He C, Zhang S, et al. A 7.62 mm energetic bullet filled with PTFE-Mg-based reactive materials for anti-drone application. Journal of Materials Research and Technology. 2024;30:8749-8759. DOI:10.1016/j.jmrt.2024.05.240

9. Wu J, Fang X, Gao Z, Wang H, et al. Investigation on mechanical properties and reaction characteristics of Al–PTFE composites with different Al particle size. Advances in Materials Science and Engineering. 2018;2018(1):2767563. DOI:10.1155/2018/2767563

10. Zhang X-B, Liu J-X, Wang L, Li S-K. Reaction mechanism, insensitivity and mechanical property of PTFE–Mg–W composites with magnesium particles surface modification. Rare Metals. 2023;42(2):688-696. DOI:10.1007/s12598-017-0962-1

11. Zhuang Z, Xu K, Liu B, Shi Y, et al. Improved reactivity and energy release performance of core-shell structured fuel-rich Si/PTFE energetic composites. Combustion and Flame. 2023;255:112889. DOI:10.1016/j.combustflame.2023.112889

12. Feng B, Qiu C, Zhang T, Hu Y, et al. Sensitivity of Al–PTFE upon low-speed impact. Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2019;44(5):630-636. DOI:10.1002/prep.201800335

13. Zhang Z, He Y, He Y, Guo L, et al. Compressive mechanical properties and shock-induced reaction behavior of Zr/PTFE and Ti/PTFE Reactive Materials. Materials. 2022;15(19):6524. DOI:10.3390/ma15196524

14. Wang L, Liu J, Li S, Zhang X. Investigation on reaction energy, mechanical behavior and impact insensitivity of W–PTFE–Al composites with different W percentageю Materials & Design. 2016;92:397-404. DOI:10.1016/j.matdes.2015.12.045

15. Li Y, Ou Y, Wu J, Zhang Y. Modeling and simulation of laser-ignited Al-PTFE reactive material in vacuum. Case Studies in Thermal Engineering. 2024;61:104827. DOI:10.1016/j.csite.2024.104827

16. Adamenko NA, Kazurov AV, Agafonova GV, Savin DV. Structure formation in nickelpolytetrafluorethylene composite materials upon explosive pressing of powders. Inorganic Materials: Applied Research. 2020;11(4):982-990. DOI:10.1134/ S2075113320040036

17. Hastings DL, Dreizin EL. Reactive structural materials: preparation and characterization. Advanced Engineering Materials. 2018;20(3):1700631. DOI:10.1002/adem.201700631

18. Wu J, Wang H, Fang X, Li Y, et al. Investigation on the thermal behavior, mechanical properties and reaction characteristics of Al–PTFE composites enhanced by Ni particle. Materials. 2018;11(9):1741. DOI:10.3390/ ma11091741

19. Yu ZS, Fang X, Gao ZR, Wang HX, et al. Mechanical and reaction properties of Al/TiH2/PTFE underquasi‐static compression. Advanced Engineering Materials. 2018;20(7):1800019. DOI:10.1002/adem.201800019

20. Alymov MI, Vadchenko SG, Saikov IV, Kovalev ID. Shock-wave treatment of tungsten/ fluoropolymer powder compositions. Inorganic Materials: Applied Research. 2017;8(2):340-343. DOI:10.1134/S2075113317020022

21. Saikov I, Seropyan S, Malakhov A, Saikova G, et al. Energetic materials based on W/PTFE/Al: thermal and shock-wave initiation of exothermic reactions. Metals. 2021;11(9):1355. DOI:10.3390/met11091355

22. Madorsky SL. Thermal degradation of organic polymers. New York: Interscience Publishers; 1964. 348 p.

23. Shiriev AA, Mukasyan AS. Thermodynamics of SHS processes. Concise Encyclopedia of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. New York: Elsevier; 2017. p. 385-387.

24. Seropyan S, Saikov I, Andreev D, Saikova G, et al. Reactive Ni–Al-based materials: strength and combustion behavior. Metals. 2021;11(6):949. DOI:10.3390/met11060949

25. Vadchenko SG, Alymov MI, Saikov IV. Ignition of some powder mixtures of metals with teflon. Inorganic Materials: Applied Research. 2018;9(3):517-522. DOI:10.1134/S2075113318030309

26. Alymov MI, Vadchenko SG, Gordopolova IS. Ignition and combustion of W–Teflon–Al mixtures. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Poroshkovaya metallurgiya i funktsional′nye pokrytiya. 2018;2:54-60. DOI:10.17073/1997-308X-2018-2-54-60 (In Russ.)

27. Archer G, Hildebrand JH. The solubility and entropy of solution of carbon tetrafluoride and sulfur hexafluoride in nonpolar solvents. Journal of Physical Chemistry. 1963;67(9):1830-1833. DOI:10.1021/ j100803a021