Смеси веществ, применяющиеся в пиротехнике, являются гетерогенными системами, то есть системами неоднородными, в которых присутствуют частицы индивидуальных органических и (или) неорганических веществ.

Степень измельчения веществ в пиротехнике может быть различна и зависит от назначения изделий. В большинстве случаев выгодно иметь как можно более тонкое измельчение компонентов смеси дающие наибольшую однородность, обеспечивающую стабильность параметров горения будущего пиротехнического изделия.

В смесевых пиротехнических составах, кроме веществ-горючих, то есть способных окисляться с выделением большого количества тепла, и веществ-окислителей, способных отдавать содержащийся в их составе кислород на восстановление, применяются вещества, служащие обычно в смесевых составах окислителями, но содержащие в своем составе некоторое количество способных к внутреннему восстановлению элементов, отделенных от элемента-окислителя буфером. Автор в дальнейшем будет называть такие вещества полувзрывчатыми. Примером таких веществ является широко употребимый окислитель перхлорат аммония (ПХА), который способен, как и индивидуальные гомогенные вещества, к внутримолекулярному окислению с выделением значительных количеств тепла и газов. Воспламенение ПХА может быть организовано при содержании в нем влаги 0,02…0,5 процента, особенно при загрязнении его окислами и хлоридами меди и некоторых других металлов, которые являются катализаторами термического разложения.

Горение ПХА в замкнутых и полузамкнутых оболочках может перейти во взрыв. Практически все смеси ПХА с индивидуальными горючими воспламеняются и взрываются при достаточной силе механического воздействия, особенно ударе. Все смеси с индивидуальными гомогенными пиротехническими веществами способны к детонации при применении для ее возбуждения достаточного начального импульса.

Термическое разложение ПХА при температуре выше 350°С (температура его горения и взрыва) описывается уравнением:

80NH4ClO4 = 20Cl2 + 16N2O + 20NOCl + 8 HClO4 + 12HCl + 14N2 + 51O2

После дальнейшего повышения температуры и взаимодействия друг с другом продуктов разложения, уравнение приобретает вид:

2NH4ClO4 = Cl2 + O2 + 4H2O + 2NO

И далее

2NH4ClO4 = N2 + 2HCl + 3H2O + 2,5O2

Тепловыделение при разложении ПХА достаточно значительно и составляет примерно 256ккал/кг, что позволяет реакции самоподдерживаться вплоть до конечного протекания. Как видно из уравнения реакции, при термическом разложении ПХА высвобождается свободный кислород, который обычно и используется для окисления дополнительного горючего, входящего в перхлоратную пиротехническую смесь. Добавка горючего в этом случае значительно повышает энергетичность реакции, что позволяет увеличить тепловыделение смесей с ПХА до величин около 2600ккал/кг (смесь ПХА с 17% металлического бериллия). Кроме ПХА в военной пиротехнике, и очень ограниченно в общей, применяется нитрат аммония (НТА), который с некоторыми поправками подчиняется основным положениям, приведенным выше для ПХА. Катализатором термического разложения НТА являются различные соединения хрома (хроматы и бихроматы металлов) и некоторых других металлов. Термическое разложение НТА описывается реакцией:

NH4NO3 NH3 + HNO3 N2O + 2 H2O N2 + 2H2O + 0,5O2 + 27ккал

Общее тепловыделение при НТА значительно и составляет 283ккал/кг, что позволяет ей самоподдерживаться до конечного протекания. В следствии своей дешевизны НТА, применяется также в народном хозяйстве в качестве взрывчатого вещества в смеси с различными углеводородами (дизтопливо, керосин), металлами (алюминий) и индивидуальными взрывчатыми веществами (тринитротолуол, динитрофенол и другие). Детонация в смесях НТА с указанными веществами возбуждается сравнительно трудно и всегда с применением промежуточного детонатора.

НТА и ПХА, по терминологии автора, являются веществами полувзрывчатыми, то есть способными в определенных условиях к взрывному разложению — горению, проходящему со скоростями от нескольких сотен до нескольких тысяч метров в секунду. Вещества и составы, находящие основное применение в пиротехнике, горят гораздо медленнее, со скоростями от долей миллиметра до десятков сантиметров в секунду.

К полувзрывчатым веществам относятся, в основном, вещества, содержащие в своем составе избыток кислорода, который может быть выделен при нагревании такого вещества от нескольких десятков до сотен градусов, причем разложение вещества должно сопровождаться выделением некоторого количества тепла, то есть реакция разложения должна быть экзотермичной. Полувзрывчатыми веществами являются и вещества, полученные с затратами тепла, в составе которых находятся горючие элементы (углерод, водород) и кислород в количестве достаточном для частичного превращения горючих элементов, обычно, углерода в низшие окислы (CO). Указанные в том и другом случае вещества необходимо считать в большей или меньшей степени полувзрывчатыми, а при оценке их пригодности для приготовления пиротехнических смесей проявлять крайнюю осторожность, так как такие вещества при определенных условиях могут быть взрывоопасными.

Какой же экзотермический эффект реакции при условии выделения избытка кислорода достаточен, чтобы считать вещество полувзрывчатым? Рассмотрим суммарные уравнения реакций разложения некоторых веществ класса окислителей, применяемых в пиротехнике и выделяющих кислород при своем термическом разложении.

1. 2KNO3 = K2O + N2 + 2,5O2 – 151ккал.

2. KClO4 = KCl + 2O2 + 0,6ккал.

3. LiClO4 = LiCl + 2O2 + 5,9ккал.

4. NaClO4 = NaCl + 2O2 + 10,8ккал.

5. 2KClO3 = 2KCl + 3O2 + 15,7ккал.

6. AgClO4 = AgCl + 2O2 + 22ккал.

7. 2NaClO3 = 2NaCl + 3O2 + 25ккал.

8. BaClO3 = BaCl2 + 3O2 + 28ккал.

Из опытных данных известны взрывчатые свойства веществ за № 5, 6, 7 и 8, а также нитрата аммония. При термическом разложении веществ, имеющих тепловой эффект реакции более 10ккал, а также при достаточно мощных механических воздействиях на них, можно ожидать взрыва. Однако даже до сих пор, при работе с указанными веществами частенько случаются взрывы, которых можно было бы избежать. Например, чудовищный взрыв расплава хлората калия произошел в Ливерпуле в 1899 году. Известны случаи взрывов перхлората серебра, хотя при работе с соединениями тяжелых металлов таких как серебро, ртуть, медь, свинец требуется крайняя осторожность. Грандиозные взрывы нитрата аммония прогремели в Оппау в 1921году и в Техас-сити в 1947году. Оба взрыва произошли при попытках взрывным способом раздробить слежавшиеся запасы нитрата аммония, используемого в качестве сельскохозяйственного удобрения.

ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПИРОТЕХНИЧЕСКИМ СОСТАВАМ И УСТРОЙСТВАМ

Основным требованием, предъявляемым к пиротехническим средствам является, получение от них максимального специального эффекта при наименьшей массе и объеме, а также способность к длительному хранению без потери их свойств. Кроме того они должны:

1. иметь возможно меньшую чувствительность к несанкционированным механическим и тепловым воздействиям,

2. иметь минимальные взрывчатые свойства, кроме тех случаев, когда это необходимо для достижения максимального специального эффекта,

3. будучи спрессованными иметь большую механическую прочность,

4. быть дешевы в производстве.

Для изготовления пиротехнических составов необходимо тщательно продумать выбор основных компонентов окислителя — горючего и точно рассчитать соотношение между ними. Таковой расчет значительно усложняется тем, что в большинстве пиротехнических составов кроме основных компонентов присутствуют дополнительные, выполняющие то или иное специальное назначение. В случае составления неклассических составов в большинстве случаев приходиться действовать не столько расчетным, сколько опытным путем.

НАЗНАЧЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ СОСТАВА

Вещества, входящие в пиротехнический состав (смесь) можно разбить на следующие категории.

1. Окислители.

2. Горючие.

3. Цементаторы (склеиватели), обеспечивающие механическую прочность прессованных изделий.

4. Вещества, сообщающие окраску пламени.

5. Дымообразователи (в том числе и цветных дымов).

6. Специальные вещества. В эту категорию входят флегматизаторы, уменьшающие чувствительность смеси к различным воздействиям; стабилизаторы, увеличивающие химическую стойкость смеси; вещества, увеличивающие или замедляющие процесс горения и прочее.

ОКИСЛИТЕЛИ

Смесь горючего с окислителем или их соединение составляет основу всякого пиротехнического состава. Казалось бы, что для получения тепла, необходимого для создания специального эффекта, проще всего сжечь горючее, используя кислород воздуха. Однако, горение в воздухе обычно происходит медленнее, чем сгорание горючего в кислороде, содержащемся в окислителе, что не позволяет при горении в воздухе получить значительных плотностей тепловыделения. В связи с этим, сжигание горючих в кислороде воздуха в пиротехнике применяется сравнительно редко, в основном в зажигательных и фотосредствах.

Окислители должны удовлетворять следующим требованиям:

1. Содержать в себе максимальное количество кислорода и достаточно легко отдавать его при горении, при этом не будучи слишком чувствительными к термическим и механическим воздействиям.

2. Быть твердым при температуре не ниже 60°С и химически устойчивым в интервале от –60°С до +60°С.

3.Не разлагаться под действием воды и быть негигроскопичными.

В качестве окислителей в классической пиротехнике употребляются следующие вещества.

Соли: Ba(NO3)2— нитрат бария.

Sr(NO3)2— нитрат стронция.

KNO3 — нитрат калия.

NaNO3 — нитрат натрия.

KClO3 — хлорат калия.

Ba(ClO3)2•H2O — хлорат бария.

KClO4 — перхлорат калия.

NH4ClO4 — перхлорат аммония.

KMnO4 — перманганат калия (ограниченно).

Перекиси:BaO2 — перекись бария.

Na2O2 — перекись натрия.

K2O2 — перекись калия.

Окислы:Fe2O3, Fe3O4 — окислы железа.

MnO2 — диоксид марганца.

Pb3O4 — закись-окись свинца.

PbO2 — диоксид свинца (ограниченно).

Полинитросоединения: тринитротолуол, гексоген, октоген и другие.

Иные окислители используются в классической пиротехнике достаточно редко и не приводятся в данной книге.

Таблица 1. Свойства окислителей

Следует отметить, что не во всех реакциях с горючими веществами указанные окислители разлагаются по приведенным уравнениям реакций. В случае применения неметаллических горючих (уголь, сера, фосфор и так далее) распад нитратов может заканчиваться образованием окислов металлов, это относится и к перманганатам, но в тех случаях когда температура горения невысока, в продуктах горения могут содержаться значительные количества нитритов (например, при горении нитрата натрия с молочным сахаром), то же верно и для перманганатов, где в продуктах низкотемпературного горения могут содержаться манганаты. В случае применения в качестве горючих энергичных восстановителей магния либо алюминия, может происходить более глубокий распад окислителей:

Ba(NO3)2 + 6Mg = Ba + N2 + 6MgO + 646ккал.

Восстановленный барий дополнительно реагирует с кислородом воздуха, несколько увеличивая тепло реакции. Установлено, что вода выполняет роль окислителя в составах содержащих магний, алюминий и, по-видимому, цирконий:

H2O + Mg = MgO + H2 + 78ккал.

Смесь дисперсных порошков указанных металлов с водой, будучи подорвана в прочной оболочке даже капсюлем детонатором №8, без дополнительного детонатора развивает взрывную реакцию с выделением значительного количества газов. Однако, такая система, обладая способностью к возникновению взрыва, не обладает способностью к его устойчивому распространению — реакция быстро затухает.

Полинитросоединения могут выполнять роль окислителей в пиротехнических составах, когда в качестве дополнительного горючего используется активные металлы Mg, Al, Be, Zr в дисперсном состоянии. Реакция горения (взрыва) тринитротолуола с алюминием выражается уравнением:

C7H5N3O6 + 4Al = 2Al2O3 + 1,5N2 + 2,5H2 + 7C

Как видно из уравнения реакции, углерод выделяется в свободном состоянии и может быть дополнительно окислен введением в смесь какого-либо окислителя, например НТА, в этом случае тепловой эффект реакции еще более возрастет.

Высоконитрованные амины, такие как гексоген и октоген, содержащие в своем составе еще больше кислорода, позволяют вводить в смесь большие количества металлических горючих, чем в случае с тринитротолуолом, что повышает энергетичность взрыва таких смесей.

В графе 10 таблицы 1 дана такая важная характеристика, как количество тепла, поглощаемое или выделяемое при распаде 1грамма окислителя. Для получения при горении пиротехнического состава возможно большего количества тепла выгодно применять те окислители, на разложение которых требуется минимальное количество тепла, однако, составы с такими окислителями обычно наиболее чувствительны к механическим и тепловым воздействиям, легко воспламеняются и их горение легко может перейти во взрыв. Особо чувствительны составы с окислителями, при разложении которых выделяется тепло, в основном, это хлоратные окислители.

Таблица 2. Температуры плавления и кипения

В таблице 2 приводятся данные о температуре плавления и кипения некоторых продуктов распада окислителей. По этим данным можно составить представление о наличии или отсутствии газовой фазы и жидких шлаков при горении составов, об интенсивности дымообразования и прочих особенностях. Данные о температуре плавления и кипения окислов различных горючих веществ приведены в таблице.

Гигроскопичность окислителей

Гигроскопичность окислителей — есть их способность притягивать воду, содержащуюся в воздухе, и удерживать ее в своем составе, что ухудшает сроки хранения составов, их воспламеняемость, а, в некоторых, случаях может вызвать несанкционированное воспламенение составов. Окислители могут содержать в себе различные количества воды, то притягивая ее из воздуха, то «выветриваясь», то есть подсыхая, зависит это от относительной влажности воздуха над окислителем или составом, в который он входит, и от окружающей температуры. Вопрос о гигроскопичности тех или иных окислителей достаточно сложен, очень упрощенно можно судить о гигроскопичности по растворимости конкретного вещества в воде, чем больше растворимость тем больше, как правило, и гигроскопичность. В практической пиротехнике есть ряд окислителей пригодных для приготовления практически всех типов пиротехнических смесей. В приведенном ряду окислители расположены в порядке увеличения гигроскопичности, то есть в порядке уменьшения их пригодности для приготовления пиротехнических смесей: KClO4; Ba(NO3)2; KMnO4; KClO3; NH4ClO4; Ba(ClO3)2; KNO3; Sr(NO3)2; NaNO3; NaClO3; NH4NO3.

Из ряда видно, что применение прекрасного окислителя НТА затруднительно из-за его большой гигроскопичности. При употреблении прессованных смесей с достаточным количеством нерастворимых в воде связующих веществ (цементаторов) и покрытия прессованных форм водонепроницаемым лаком, во многих случаях, можно пренебречь гигроскопичностью при условии смешения и прессования составов в условиях малой влажности воздуха. В технических требованиях на окислители особо отмечается нежелательность присутствия в них примесей хлоридов металлов, так как эти примеси значительно увеличивают гигроскопичность окислителей.

ГОРЮЧИЕ ВЕЩЕСТВА

Наилучший специальный эффект в пиротехнических составах дают горючие вещества имеющие максимальные температуры горения при сжигании их в атмосфере чистого кислорода, то есть горючие, выделяющие при сгорании наибольшее количество тепла (однако, между температурой горения и общим количеством выделяемого тепла связь не строго пропорциональна). Такие горючие называются высококалорийными. Однако, имеются составы, например, дымовые, в которых высокая температура горения нежелательна, поэтому для их приготовления используют горючие средней и низкой калорийности или осуществляют неполное сгорание горючего (например, сгорание углерода до CO, а не до CO2). Большое значение при выборе горючего играют физико-химические свойства продуктов его окисления, температура их плавления и испарения, способность к диссоциации, теплоемкость. Например, в осветительных и фотосоставах избыточное количество газообразных (в том числе и испарившихся) продуктов горения будет нежелательным, так как наибольшую светимость пламени придают, в основном, раскаленные твердые частицы, а на испарение окислов затрачивается большое количество тепла, то же верно и для диссоциации образующихся газов, поэтому при испарении и дальнейшей диссоциации части продуктов горения температура понизится, что уменьшит светосилу данных составов. Вообще степень диссоциации газа, образующегося при горении, имеет большое значение при оценке максимальной температуры горения, поскольку чем она меньше, тем до более высокой температуры может быть нагрет газ горения. Горючие, продукты горения которых имеют малую степень диссоциации, могут быть нагреты до высоких температур теплом реакции даже в случае сравнительно невысоких значений калорийности топлив (тепловых эффектов реакции горения). Прекрасным примером, иллюстрирующим это положение, служит сгорание газа дициана (CN)2, синтез которого из элементов требует затрат большого количества тепла (то есть процесс его образования эндотермичен), которое идет на образование тройных связей атомов азота с углеродом. Когда дициан сгорает полностью:

(CN)2 + 2O2 = 2CO2 + N2 + 2250ккал

Тепловой эффект реакции равен 2250ккал/кг, но из за сильной диссоциации CO2 температура горения в этом случае не превышает 3500°С. При сгорании дициана с недостатком кислорода образуется смесь азота не с двуокисью углерода, как в первом случае, а с окисью углерода, при этом, смесь газов диссоциирует значительно меньше. Несмотря на недостаток кислорода для полного сгорания, а значит соответственного уменьшение теплового эффекта реакции, который составляет всего 1510ккал/кг, причем, теплоемкость газов увеличивается, температура горения все же увеличивается до 4800°С:

(CN)2 + O2 = 2CO + N2 + 1510ккал

Если сжигать дициан в недостатке озона (O3), то за счет дополнительной теплоты разложения озона температура горения может достигнуть 10000°С. Считается, что это наивысшая температура, которая может быть достигнута в результате химической реакции. Особенно большое значение величины теплоемкостей, образующихся при горении газов, и степень их диссоциации занимают в химии ракетных топлив в военной пиротехнике.

Наоборот, в дымовых составах выгодно иметь возможно большее количество газообразных продуктов горения, которые должны выталкивать из сгорающей формы в атмосферу частицы дымообразующего вещества, и, одновременно, отводить от горящей смеси тепло, не допуская термического разложения дымообразователя. При горении термитных составов различного назначения необходимо иметь либо жидкие достаточно легкоплавкие, но трудноиспаряющиеся продукты горения (шлаки), либо совершенно твердые раскаленные шлаки, не допускающие растекания.

Имеет большое значение также легкость воспламенения (окисления) данного горючего. Например, кремний и графит с большим трудом поддаются окислению чистым кислородом или одним из наиболее энергичных окислителей хлоратом калия. Алюминий в виде тонкой пудры горит достаточно энергично в смеси практически с любым пиротехническим окислителем, и может полностью сгорать даже за счет кислорода воздуха. Магний окисляется настолько легко, что может сгорать в воздухе даже не будучи измельченным, при применении достаточно мощного воспламенительного воздействия. Способность сгорать в кислороде воздуха является положительным качеством для горючих, а в некоторых случаях, например, в зажигательных или дымовых средствах, безусловно-обязательной.

Некоторые горючие имеют чрезвычайно легкую окисляемость, в следствии чего их смеси со многими окислителями ряда хлоратов, перхлоратов, нитратов, металлов и неметаллов имеют крайне высокую чувствительность к удару, трению, нагреванию. В качестве таких горючих можно привести белый (желтый) фосфор, воспламеняющийся и взрывающийся не только при смешении его с окислителями, но даже от тепла человеческого тела или при хранении его на открытом воздухе. Почти также энергично воспламеняется и красный фосфор при легком растирании его с указанным выше рядом окислителей, на чем и основано применение его в различных ударных и терочных составах. Большой чувствительностью, особенно с окилителями-хлоратами, отличаются сесквисульфид сурьмы (антимоний) Sb2S3 и сульфид мышьяка (реальгар) As4S4.

При приготовлении пиротехнических составов желательно применять горючие полностью сгорающие за счет возможно меньшего количества окислителя, так как при увеличении в единице массы пиротехнического состава количества окислителя в нем остается соответственно меньшее количество горючего, и это ведет к понижению количества тепла, выделяемого при сгорании этой единицы массы состава.

Здесь уместно будет привести конкретные примеры, применяющихся горючих, по группам.

Неорганические горючие

Металлы (высококалорийные): бериллий, алюминий, цирконий, магний, титан.

Металлы (низкокалорийные): цинк, железо, сурьма, мышьяк, кадмий.

Сплавы: алюминий-магний, магний-кремний, алюминий-кремний.

Растворы металлов: металл-аммиак.

Неметаллы: фосфор, углерод (сажа, древесный уголь), бор, сера.

Соединения: сесквисульфид сурьмы, сесквисульфид фосфора (P4S3), сульфид мышьяка, пирит (FeS2), прочие неорганические соединения (гидриды металлов, фосфиды, силициды, карбиды, нитриды, амиды, азиды, борокарбиды, гидриды бора, сложные гидриды, гидразин и другие).

Металлоорганические соединения.

Органические горючие

Углеводы: молочный и свекловичный сахар, клетчатка (древесные опилки).

Углеводороды алифатического и карбоциклического ряда и их смеси: бензин, керосин, нефть, дизтоплива.

Органические вещества других классов: уротропин, метальдегид, стеариновая кислота, дициандиамид, органические гидразины, органические амины, ароматические амины, спирты, органические окиси.

Физико-химические свойства горючих

Мерилом калорийности при сгорании 1грамма простого вещества в окисел, может служить количество тепла Q1, выделяющееся при сгорании вещества за счет кислорода воздуха. Вычисление величины Q1 производится делением грамм-молекулярной теплоты Q образования окисла на величину m • A, где A — атомный вес, m — количество атомов элемента, входящее в молекулу окисла.

Количество тепла Q2, выделяющееся при образовании 1грамма окисла, может до некоторой степени служить мерилом калорийности смесевого состава, в котором то или иное горючее сгорает за счет кислорода окислителя.

Количество тепла Q3, получаемое от деления грамм-молекулярной теплоты образования окисла Q на число атомов в молекуле окисла n, позволяет судить, в известной мере, о температуре реакции горения элемента, так как в первом приближении температура реакции горения пропорциональна количеству тепла, которое приходится на 1 грамм-атом, то есть пропорциональна Q3.

В таблице 3 приведены данные о количестве тепла, выделяющегося при сгорании наиболее калорийных элементов, применяемых в пиротехнике.

Наряду с калорийностью горючего, отнесенной к единице массы, в пиротехнике большое значение имеет количество тепла, выделяющееся при сгорании единицы объема горючего (Q4 ккал/см3).

Таблица 3. Количество тепла в ккал, выделяющееся при сгорании

1 грамма (Q1) и 1 см3 (Q4) некоторых веществ

Из таблицы 3 видно, что тяжелые металлы, например, Zr и W имеют объемную калорийность, сравнимую с алюминием и значительно большую чем у магния. Наибольшее количество тепла, как при сгорании за счет кислорода воздуха, так и при сгорании за счет кислорода окислителя, выделяют бериллий, алюминий, бор, магний, кремний, титан, фосфор, углерод, цирконий. Из них наиболее высокую температуру при горении должны развивать цирконий, алюминий, магний. Основным металлическим горючим в пиротехнике считается алюминий, второе место по употребимости занимает магний. Бериллий применяется в основном в составах ракетного топлива и является эффективным, но слишком дорогим горючим. Перспективными горючими являются цирконий, титан, однако, мелкодисперсный цирконий является опасным веществом, воспламеняющимся иногда даже при комнатной температуре и обычно применяется в быстрогорящих составах, например, имитационных, а также в безгазовых и воспламенительных составах. Большим достоинством циркония является малое количество кислорода, расходуемое на его горение (смотри таблицу 4), и в связи с большой плотностью циркония объемная калорийность его смеси с окислителем значительна, что позволяет применять его в таких малогабаритных изделиях, в которых применение других горючих было бы менее эффективно. Титан при температуре горения легко реагирует не только с кислородом, но и азотом воздуха, образуя нитрид титана, что может несколько улучшить сгораемость пиротехнических смесей на основе титана при недостатке в смеси окислителя и затрудненности подвода свежего воздуха, необходимого для дожигания.

Таблица 4. Физико-химические свойства горючих простых веществ

и их окислов

Температура воспламенения порошков металлов в большой степени зависит от размеров и формы(сферическая, чешуйчатая и другие) частиц порошка, а также плотности и толщины покрывающей частицы окисной пленки. Например, цирконий при размере частиц 2…5мкм может самовоспламеняться при незначительных воздействиях, поэтому он перевозится и насколько возможно обрабатывается под водой.

В пиротехнике в качестве горючего применяются сплавы металлов. Перспективен и употребляется сплав магний-алюминий с 54% магния. Сплав представляет собой интерметаллическое соединение, достаточно коррозионно стоек и обладает большой хрупкостью, что дает возможность легко его измельчать. Сплавы магния с алюминием, содержащие 85…90% магния, получили название «электрон» и применяются для изготовления оболочек зажигательных бомб.

В тех случаях когда не требуется большого выделения тепла, в качестве горючих металлов применяются железо, цинк, сурьма, кадмий, хотя окислы последних трех металлов либо канцерогенны либо ядовиты. Применение бора в пиротехнических составах достаточно проблематично из-за некоторых его физико-химических параметров и, главным образом, большого объема, образующегося при его сгорании окисла (B2O3). При горении частицы бора покрываются толстым слоем окиси, которая препятствует дальнейшему доступу кислорода к еще не полностью сгоревшим частицам и горение прекращается. Интересно отметить, что в виде тонкой проволоки бор сгорает хорошо. Несмотря на недостатки горения бор применяется в некоторых составах, например, воспламенительных. В ракетных составах часто применяются гидриды бора.

Среди горючих наибольшее количество кислорода для своего окисления требуют водород и углерод. Из этого следует, что составы, горючим в которых являются органические вещества, будут содержать много окислителя и, соответственно, очень мало горючего, и тепловыделение таких составов с единицы массы будет значительно меньше, чем при употреблении высококалорийных металлов. Однако, газовыделение составов с органическими горючими неизмеримо больше, чем с металлическими горючими, а для получения некоторых специальных эффектов преимущественное значение имеет именно газовыделение. Кроме того большое выделение тепла ухудшает некоторые специальные эффекты, в таких случаях употребляют органические горючие, например, углеводы. Количество окислителя в подобных смесях должно обеспечить сгорание углерода углеводов только до окиси углерода, в случае сгорания их до двуокиси углерода тепловой эффект реакции увеличивается, а специальный уменьшается.

Основные особенности металлических горючих

Алюминий химически активен, но в обычных условиях, в том числе в порошке, его окислению препятствует тонкая и прочная оксидная пленка, при достаточном накаливании порошкообразный алюминий может быть воспламенен на воздухе в массе или распыленном состоянии. Порошкообразный алюминий энергично (со вспышкой) взаимодействует с серой при нагревании. В расплаве и кусках не воспламеняется. Взаимодействует в оболочке со взрывом практически со всеми основными пиротехническими окислителями.

Магний химически весьма активен. До температуры около 350°С окисная пленка защищает его от окисления, при большей температуре окисление ускоряется вплоть до воспламенения. Энергично сгорает на воздухе будучи подожженным в виде порошка, проволоки, ленты, листа. При расплавлении воспламеняется на воздухе. Энергично (со вспышкой) взаимодействует с серой. В оболочке взаимодействует со взрывом с пиротехническими окислителями.

Бериллий воспламеняется труднее алюминия.

Цирконий чрезвычайно легко воспламеняется в виде порошка.

Титан в порошкообразном состоянии достаточно легко воспламеняется, имеет пирофорные свойства, реагируют с большинством окислителей как алюминий и магний.

Цинк в виде порошка чрезвычайно легко (со вспышкой и значительным газовыделением) реагируют с серой, на чем основано его применение в реактивных двигателях микромоделирования (цинковое горючее). Может воспламеняться в расплавленном и перегретом состоянии на воздухе. Реагирует с большинством окислителей, в том числе и с хлорорганическими (четыреххлористый углерод, гексахлорэтан)

Сплавы алюминий-магний имеют свойства как у алюминия и магния в зависимости от содержания того или другого металла.

Сурьма воспламеняется на воздухе, реагирует со многими окислителями. Применяется редко. Имеется взрывчатая алотропическая модификация сурьмы, получаемая электролизом, крайне опасная в обращении.

Основные особенности неметаллических горючих элементов

Бор в виде порошка воспламеняется на воздухе при достаточном накаливании. Реагирует со многими окислителями.

Углерод в виде древесного угля или сажи воспламеняется на воздухе, реагирует со многими окислителями в оболочке со взрывом. Смеси с хлоратными окислителями крайне взрывоопасны. В виде графита с трудом реагирует даже с мощными окислителями.

Сера легко воспламеняется на воздухе, реагирует с хлоратными окислителями со взрывом в оболочке, такие смеси крайне взрывоопасны, с нитратными окислителями реагируют слабо. Энергично реагирует с порошками многих металлов, являясь в этих случаях окислителем, а не горючим.

Фосфор Белый (желтый) является наиболее легко воспламеняемым неметаллом, воспламеняется часто без видимых причин, хранится исключительно под слоем воды. Ожоги, причиненные фосфором, крайне опасны, при попадании в организм человека крайне ядовит. Применяется исключительно в зажигательных гранатах, снарядах, бомбах и огнесмесях.

Красный фосфор очень легко воспламеняется на воздухе, смеси практически с любыми окислителями крайне легко воспламенимы и взрывоопасны, крайнюю чувствительность имеют смеси с хлоратами. Все работы с красным фосфором, в том числе составление смесей, проводятся во влажном (мокром) состоянии с крайней осторожностью, смешение на резиновом листе деревянным инструментом. Применяется в основном в терочных, накольных, ударных воспламенителях и спичечных составах.

Неорганические горючие средней калорийности

В состав не требующих значительного тепловыделения и высокой температуры горения применяют элементарные горючие средней калорийности. К элементарным горючим средней калорийности относят натрий, углерод, железо, марганец, серу и прочие. Теплота горения, указанных веществ приведена в таблице 3.

Очевидно, теплота горения соединения при прочих равных условиях будет тем больше, чем меньше теплота его образования из элементов. Из этого определяется принцип отбора горючих: в качестве горючих в пиротехнике могут быть использованы соединения элементов, имеющие небольшую теплоту образования (Q2ккал/г).

Органические горючие

Жидкие углеводороды (бензин, керосин, нефть и другие) применяются в зажигательных смесях, сгорающих за счет кислорода воздуха, а также в жидкостных реактивных двигателях. Количество тепла Q1, выделяющееся при сгорании 1г продукта для бензина составляет 11,2ккал, для нефти 10,8ккал.

Таблица 5. Физико-химические свойства органических горючих веществ