Do vậy việc nghiên cứu chế tạo thuốc hỏa thuật cần phải tiến hành một cách hệ thống, để thấy rõ ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần, kích thước các hạt thành phần, bản chất kết dính, phụ gia
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
ĐOÀN ANH PHAN
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TRƯNG NĂNG LƯỢNG VÀ ĐỘ BỀN CỦA THUỐC HỎA
THUẬT DÙNG CHO NGÒI ĐẠN CAO XẠ
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
Trang 2BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
Trang 3Công trình được hoàn thành tại:
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng
Người hướng dẫn khoa học:
PGS TS Ngô Văn Giao
PGS TS Đặng Văn Đường
Phản biện 1: PGS.TS Ngô Thế Khuề
Học viện Kỹ thuật quân sự
Phản biện 2: PGS.TS Trần Văn Chung
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự
Phản biện 3: TS Phạm Văn Toại
Viện Thuốc phóng Thuốc nổ/
Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng
Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp tại:
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Vào hồi: ……giờ …… ngày tháng…… năm 2017
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
Trang 4DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
1 Đoàn Anh Phan, Ngô Văn Giao, Nguyễn Lê Hoàng (2013), “Một số kết quả ban đầu nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia đến chất lượng thuốc hỏa
thuật”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự số25, tháng
6/2013, trang132-137.2 Đoàn Anh Phan, Ngô Văn Giao, Nguyễn Lê Hoàng (2013) “Nghiên cứu ảnh hưởng độ bền chất cháy kết dính đến chất lượng
thuốc hỏa thuật”, Tạp chí Hóa học và Ứng dụng, số 4/2013, trang 1-5
3 Doan Anh Phan, Ngo Van Giao (2014), “Research effects of particle size
of antimony trisulfide on burning rate of pyrotechnic system including potassium perchlorate, lead chromate, and nitrocellulose”, The 3rd Academic conference on natural science for master and PhD students from ASEAN countries 11-15 November 2013 Phnom Penh, Cambodia, ISBN 798-604-913-088-5, P 367-372
4 Đoàn Anh Phan, Ngô Văn Giao, Đặng Văn Đường (2014), “Nghiên cứu ảnh hưởng của cỡ hạt KClO4 đến tốc độ cháy của thuốc hỏa thuật MC-2”
Trang 51
g
MỞ ĐẦU
1 Tính cấp thiết của đề tài
Trong quân sự thuốc hỏa thuật được sử dụng làm thuốc mồi cho động
cơ tên lửa, thuốc mồi cháy cho các trụ giữ chậm, thuốc cháy chậm cho vành giữ chậm, thuốc cho liều vạch đường, pháo hiệu, Trong dân sự thuốc hỏa thuật được sử dụng trong nghệ thuật giải trí, trong công nghệ hàn, cắt gọt, cung cấp ôxy,
Thuốc hỏa thuật ở nước ta chủ yếu là tự nghiên cứu chế tạo trên cơ
sở phân tích thành phần các mẫu thuốc trong ngòi đạn của nước ngoài, không
có chuyển giao công nghệ và chưa được sản xuất ở qui mô công nghiệp Cho nên chất lượng thuốc hỏa thuật trong những năm qua không ổn định, chưa đồng đều giữa các lô Nhiều lô ngòi đạn cao xạ chỉ bảo quản từ 3 năm đến 5 năm đã xuất hiện các hiện tượng vành tự hủy có thời gian cháy dài hơn quy định, vì vậy chất lượng của các lô ngòi bị giảm nhanh chóng Do vậy việc nghiên cứu chế tạo thuốc hỏa thuật cần phải tiến hành một cách hệ thống, để thấy rõ ảnh hưởng của tỷ lệ thành phần, kích thước các hạt thành phần, bản chất kết dính, phụ gia đến tốc độ cháy và thời hạn bảo quản của thuốc hỏa thuật nhằm tạo ra hệ thuốc hỏa thuật có tốc độ cháy ổn định mong muốn, đảm bảo độ hoạt động tin cậy của ngòi đạn, đồng thời đề xuất phương pháp xác định dự báo thời hạn bảo quản nhằm tiết kiệm kinh phí trong khai thác sửa chữa đạn, đây là vấn đề có ý nghĩa khoa học và cấp thiết
2 Mục tiêu của luận án
Đề tài “Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến đặc trưng năng
lượng và độ bền của thuốc hỏa thuật dùng cho ngòi đạn cao xạ” được thực
hiện nhằm mục tiêu nghiên cứu chế tạo ra một mác thuốc mới thay thế cho
hệ thuốc hỏa thuật cũ dùng cho vành tự hủy ngòi đạn cao xạ 37 mm, 57 mm
và tối ưu hóa các cỡ hạt, tỷ lệ thành phần, phụ gia để ổn định tăng thời hạn trong quá trình bảo quản thuốc hỏa thuật đồng thời đề xuất phương pháp dự báo thời hạn bảo quản
3 Nội dung nghiên cứu của luận án
- Nghiên cứu tính toán,lựa chọn thành phần thuốc hỏa thuật
- Khảo sát ảnh hưởng của cỡ hạt và diện tích bề mặt riêng của cấu tử
chất cháy, chất ôxy hóa đến đặc trưng năng lượng và tốc độ cháy thuốc hỏa thuật
- Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng và chất lượng các cấu tử thành
phần đến đặc trưng năng lượng và tốc độ cháy thuốc hỏa thuật
- Khảo sát quá trình phân hủy nhiệt của thuốc hỏa thuật
- Khảo sát ảnh hưởng của độ bền chất kết dính nitroxenlulô và chất phụ gia an định đến đặc trưng năng lượng và thời hạn bảo quản của thuốc hỏa thuật
Trang 62
g
- Khảo sát thuốc hỏa thuật được nén ép vào sản phẩm vành tự hủy ngòi đạn cao xạ 37 mm và 57 mm
4 Ý nghĩa khoa học, thực tiễn và đóng góp mới của luận án:
Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần mở ra một hướng nghiên cứu cơ bản về thuốc hỏa thuật và cách đánh giá chất lượng thuốc hỏa thuật Bên cạnh đó các kết quả đạt được cũng đóng góp thiết thực cho sự phát triển của chuyên ngành hóa lý thuyết và hóa lý, góp phần chủ động trong việc chế tạo các loại thuốc hỏa thuật có chất lượng tốt phục vụ công tác sản xuất ngòi đạn và bảo quản được lâu dài
* Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp rây sàng cỡ hạt, phương pháp đo thời gian cháy; các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại (nhiệt lượng cháy, nhiệt độ bùng cháy, DTA, đo phân bố cỡ hạt, đo diện tích bề mặt riêng, EDX, sắc ký khí) và các phương pháp gia tốc nhiệt ẩm khảo sát đánh giá thời hạn sử dụng
Chương II: Các phương pháp nghiên cứu: Trình bày phương pháp chuẩn bị mẫu, các phương pháp đánh giá và các phương pháp đo đạc đặc trưng năng lượng, thời gian cháy
Chương III: Kết quả và thảo luận: Chương này tập trung giải quyết
các nội dung nghiên cứu đã đặt ra của luận án
NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Chương I: TỔNG QUAN
Về thuốc hỏa thuật, phân tích đánh giá về tình hình nghiên cứu trong
và ngoài nước, các vấn đề liên quan, các nội dung cần giải quyết trong luận án
CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu
Trang 73
g
2.2 Phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Phương pháp xác định cỡ hạt theo phương pháp tán xạ laser LA-950 (Horiba – Nhật Bản)
2.2.2 Phương pháp tạo mẫu thuốc hỏa thuật
2.2.3 Phương pháp xác định diện tích bề mặt riêng trên thiết bị xác định diện tích bề mặt của hạt chất rắn Nova 2200e của hãng Quantachrome, Mỹ; 2.2.4 Phương pháp phân tích nhiệt trên thiết bị phân tích nhiệt vi sai DTA 404EP của hãng NETZSCH
2.2.5 Phương pháp xác định nhiệt lượng cháy sử dụng máy đo nhiệt lượng PARR 1261, Mỹ
2.2.6 Phương pháp xác định thể tích khí sinh ra khi cháy
2.2.7 Phương pháp xác định nhiệt độ bùng cháy trên thiết bị đo nhiệt độ bùng cháy Tbc của Viện TPTN, Việt Nam
2.2.8 Phương pháp xác định tốc độ cháy của thuốc hỏa thuật
2.2.9 Phương pháp đo thời gian cháy của ngòi đạn cao xạ
2.2.10 Phương pháp thử nghiệm ảnh hưởng của hàm ẩm đến tốc độ cháy của thuốc hỏa thuật, của hãng Binder, Đức
2.2.11 Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của độ bền nhiệt, ẩm đến tốc độ cháy của thuốc hỏa thuật
2.2.12 Phương pháp gia tốc nhiệt ẩm đánh giá độ bền và dự báo thời hạn bảo quản
2.2.13 Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của độ bền cơ lý đến thời gian cháy của ngòi đạn cao xạ
2.2.14 Xử lý các số liệu thực nghiệm
CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính toán hệ thuốc hỏa thuật
3.1.1 Tính cân bằng ôxy của hệ thuốc
Trên cơ sở phần mềm REAL đã lựa chọn được tỷ lệ thành phần cho hệ thuốc hỏa thuật hệ MC-2 và hệ MK-37 như sau:
1 KClO4 : 5 % 1 KClO4 : 11 %
2 PbCrO4 : 80 % 2 BaCrO4 : 78 %
3 Sb2S3 : 15 % 3 Sb2S3 : 11 %
4 NC (cho ngoài) : 2 % 4 NC (cho ngoài) : 2 %
Cân bằng ôxy của hệ thuốc hỏa thuật trên nền chất ôxy hóa KClO4, PbCrO4 và BaCrO4 có kết quả dương (hệ thuốc hỏa thuật thừa ôxy cung cấp cho phản ứng cháy) đảm bảo cho quá trình cháy ổn định trong hệ kín
3.1.2 Tính toán hiệu ứng nhiệt
Nhiệt lượng cháy của thuốc hỏa thuật hệ MC-2 và MK-37
Trang 83.2 Nghiên cứu ảnh hưởng của cỡ hạt đến đặc trưng năng lượng và tốc
độ cháy của thuốc hỏa thuật
3.2.1 Xác định phân bố và diện tích riêng bề mặt cỡ hạt chất cháy, chất ôxy hóa
Kết quả đo phân bố cỡ hạt của các hóa chất trên thiết bị LA-950 và diện tích bề mặt riêng trên thiết bị Nova 2200e
Bảng 3.5: Kết quả đo phân bố và đo diện tích bề mặt riêng cỡ hạt Sb2S3
Cỡ hạt
Phân bố cỡ hạt, % D.T bề
mặt riêng,
Trang 9mm/s
1,82 ± 0,07
2,06 ± 0,05
2,55 ± 0,03
2,64 ± 0,04
2,65 ± 0,03 Bảng 3.8: Đặc trưng năng lượng và xạ thuật của mẫu thuốc hệ MK-37 Đại lượng (tên chỉ tiêu)
mm/s
2,67 ± 0,03
2,81 ± 0,029
3,63 ± 0,027
3,94 ± 0,025
4,28 ± 0,015 Kết quả bảng 3.7 và bảng 3.8 nhận thấy, khi thay đổi cỡ hạt nguyên liệu Sb2S3 nhiệt lượng cháy
và thể tích sinh khí của các
mẫu thuốc hầu như không
thay đổi
Nhiệt độ bùng cháy
của các mẫu thuốc hỏa thuật
giảm xuống khi giảm cỡ hạt
nguyên liệu Sb2S3 Đồ thị
hình 3.5 cho thấy khi tiếp
tục giảm cỡ hạt Sb2S3 nhiệt độ bùng cháy sẽ hầu như không thay đổi
300,0 350,0 400,0 450,0 500,0
Trang 106
g
Tốc độ cháy của
thuốc hỏa thuật giảm dần
khi tăng cỡ hạt nguyên liệu
Sb2S3 Đồ thị hình 3.6 cho
thấy tốc độ cháy của các
mẫu thuốc hỏa thuật sử dụng
mm/s
3,63 ± 0,03
3,88 ± 0,028
4,15 ± 0,026
4,25 ± 0,025
4,35 ± 0,02
,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0
Trang 117
g
Từ kết quả bảng 3.9, bảng 3.10 cho thấy, khi cỡ hạt nguyên liệu KClO4 tăng dần, nhiệt
lượng cháy và thể tích sinh
khí của các mẫu thuốc hầu
như không thay đổi, nhưng
nhiệt độ bùng cháy của các
mẫu thuốc tăng dần
Cỡ hạt nguyên liệu
KClO4 càng nhỏ thì thuốc
hỏa thuật sau khi chế tạo
có nhiệt độ bùng cháy càng thấp (càng dễ bắt cháy)
Trong cùng điều kiện
nén ép và thử nghiệm, thời
gian cháy của thuốc hỏa
thuật tăng dần từ mẫu thuốc
hỏa thuật có cỡ hạt 10 m
đến 75 m Cỡ hạt nguyên
liệu KClO4 càng nhỏ thì tốc
độ cháy càng ổn định
3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng các chất đến đặc trưng năng lượng và
xạ thuật của thuốc hỏa thuật
- Lựa chọn cỡ hạt các chất ôxy hóa KClO4, PbCrO4 và BaCrO4 đều nhỏ
Bảng 3.11: Ảnh hưởng của hàm lượng NC đến tốc độ cháy THT hệ MC-2
,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0
Trang 128
g
Bảng 3.12: Ảnh hưởng của hàm lượng NC đến tốc độ cháy THT hệ MK-37
3.3.2 Ảnh hưởng của hàm lượng Sb 2 S 3 đến đặc trưng năng lượng và xạ thuật của thuốc hỏa thuật
Bảng 3.13: Đặc trưng năng lượng và xạ thuật của hệ MC-2
Trang 13khi tăng hàm lượng
Sb2S3
Thể tích sản
phẩm khí sinh ra sau
phản ứng cháy của hệ
thuốc hỏa thuật giảm
khi tăng hàm lượng
Sb2S3
Nhiệt độ bùng
cháy của hệ giảm là do
nhiệt độ phân hủy của
điều này được lý giải
là khi tăng thêm chất
cháy làm cho quá trình
đốt cháy hoàn toàn
làm cho nhiệt lượng cháy tăng dẫn đến tốc độ cháy tăng
3.3.3 Ảnh hưởng của hàm lượng KClO 4 đến đặc trưng năng lượng và xạ thuật của thuốc hỏa thuật
Bảng 3.15: Đặc trưng năng lượng và xạ thuật của hệ MC-2
C24 C25 C26 C20 C27 C28
,0 100,0 200,0 300,0 400,0
,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00
300,00 350,00 400,00 450,00
Trang 14Thể tích sản phẩm
khí sinh ra sau khi cháy
của thuốc hỏa thuật hệ
MC-2 có thay đổi không
lớn khi thay đổi hàm
lượng KClO4 Đối với
thuốc hỏa thuật hệ MK-37
khi thay đổi hàm lượng
KClO4 thì thể tích khi sinh
ra sau khi cháy tăng lớn
hơn
Nhiệt độ bùng cháy
của hai hệ giảm dần theo
chiều tăng hàm lượng
KClO4
,0 50,0 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0
300,00 350,00 400,00 450,00
Trang 1511
g
Kết quả bảng 3.15, bảng 3.16 và hình 3.18 cho thấy khi tăng hàm lượng KClO4 thì tốc độ cháy của thuốc hỏa thuật tăng, khi tiếp tục tăng hàm lượng KClO4 thì tốc độ cháy giảm Vì vậy với hệ thuốc hỏa thuật trên khi tăng hàm lượng KClO4 làm cản trở quá trình tham gia cháy của các chất ôxy hóa PbCrO4, BaCrO4 dẫn đến
làm chậm tốc độ cháy của
hệ thuốc hỏa thuật Do đó
khi tăng hàm lượng KClO4
3.4.1 Xác định năng lượng hoạt hóa một số THT hệ MC-2, hệ MK-37
Sử dụng phương pháp phân tích nhiệt DTA để nghiên cứu quá trình phân hủy của hệ hỗn hợp hỏa thuật để xác định năng lượng hoạt hóa
Biểu đồ phân hủy nhiệt DTA nhận thấy NC phân hủy khoảng 200
oC, khoảng 310 oC thì KClO4 → KClO3 + 0,5O2, khoảng 610 oC thì KClO3
→ KCl + 1,5O2, nhiệt độ phân hủy của Sb2S3 phân hủy 550 oC, nhiệt độ phân hủy của PbCrO4 và BaCrO4 lớn hơn 850 oC
Bảng 3.17: Thông số gia nhiệt mẫu thí nghiệm thuốc hỏa thuật hệ MC-2 Tốc độ
gia nhiệt
(β)
oC/phút
Nhiệt độ đỉnh pic (Tm), K C24
(bảng 3.15)
C20 (bảng 3.15)
C29 (bảng 3.15)
C17 (bảng 3.13)
C23 (bảng 3.13)
1,00 2,00 3,00 4,00 5,00
Hình 3.20: Biểu đồ phân hủy DTA của
mẫu C20 với tỷ lệ thành phần 5 %
KClO 4 (bảng 3.15)
Hình 3.30: Biểu đồ phân hủy DTA của mẫu K20 với tỷ lệ thành phần 11 % KClO 4 (bảng 3.16)
Trang 16Bảng 3.18: Năng lượng hoạt hóa của thuốc hỏa thuật hệ MC-2, kJ/mol
(bảng 3.16)
K20 (bảng 3.16)
K29 (bảng 3.16)
K17 (bảng 3.14)
K23 (bảng 3.14)
Bảng 3.20: Năng lượng hoạt hóa của thuốc hỏa thuật hệ MK-37, kJ/mol
Trang 1713
g
3.4.3 Xác định sản phẩm cháy của thuốc hỏa thuật hệ MC-2 và hệ MK-37
Thuốc hỏa thuật hệ MC-2 và hệ MK-37 được đốt trong bom PARR có độ chân không sau khi hút (5-10) mgHg Phần khí sau khi cháy được phân tích sắc ký khí để xác định thành phần khí sau khi cháy và phần cặn rắn được bằng phương pháp phân tích phổ tán xạ năng lượng EDX
Bảng 3.21: Kết quả phân tích sản phẩm cháy thuốc hệ MC-2, hệ MK-37
Bảng 3.22: Đặc trưng năng lượng và xạ thuật của hệ MC-2
Độ bền NC, ml NOx/g 2,02 2,06 2,12 2,17 Nhiệt lượng cháy, kcal/kg 205,15 205,34 204,78 204,56 Thể tích khí, l/kg 7,56 7,61 7,58 7,62 Nhiệt độ bùng cháy, o C 348,4, 348,6 348,4 348,8 Tốc độ cháy trung bình, mm/s 3,16
Trang 1814
g
Bảng 3.23: Đặc trưng năng lượng và xạ thuật của thuốc hệ MK-37
Độ bền NC, ml NOx/g 2,02 2,06 2,12 2,17 Nhiệt lượng cháy, kcal/kg 244,27 245,19 245,94 246,92 Thể tích khí, l/kg 12,72 12,81 12,67 12,58 Nhiệt độ bùng cháy, o C 422,4 422,6 422,4 422,6 Tốc độ cháy trung bình, mm/s 4,26
3.5.1.2 Ảnh hưởng của hàm ẩm đến tốc độ cháy của thuốc hỏa thuật
Bảng 3.24: Hàm ẩm ảnh hưởng đến tốc độ cháy của hệ MC-2
Mẫu C32 (bảng 3.22)
Mẫu C33 (bảng 3.22) Hàm
Mẫu
Mẫu K30
(bảng 3.23)
Mẫu K31 (bảng 3.23)
Mẫu K32 (bảng 3.23)
Mẫu K33 (bảng 3.23) Hàm
Trang 1915
g
Kết quả nghiên cứu cho thấy độ bền hóa học của NC không làm thay đổi đặc trưng năng lượng và tốc độ cháy của thuốc hỏa thuật.Tuy nhiên, sau một thời gian bảo quản, chất lượng thuốc hỏa thuật bị thay đổi rất lớn, đặc biệt là độ ổn định thời gian cháy chậm, nó phụ thuộc vào độ bền của chất kết dính nitroxenlulô Khi độ bền của nitroxenlulo nguyên liệu tăng lên, độ ổn định thời gian cháy chậm của thuốc hỏa thuật tăng lên rõ rệt So sánh hai họ thuốc hỏa thuật có sử dụng chất ôxy hóa KClO4, khi sử dụng hàm lượng KClO4 càng lớn thì khả năng hút ẩm càng nhiều Nên khi sử dụng KClO4 vào
họ thuốc hỏa thuật khác cần chú ý đến hàm lượng KClO4 đưa vào các thành phần thuốc tính cho đủ để cho quá trình cháy xảy ra và nghiên cứu lựa chọn nitroxenlulô có độ bền hóa học (hàm lượng mgNOx/g) của càng thấp thì khả năng chống ẩm của môi trường càng tốt
3.5.2 Ảnh hưởng của phụ gia an định đến đặc trưng năng lượng và độ bền của thuốc hỏa thuật
3.5.2.1 Ảnh hưởng của phụ gia an định đến đặc trưng năng lượng và tốc độ cháy của thuốc hỏa thuật
Sử dụng tỷ lệ thành phần thuốc hỏa thuật hệ MC-2 có ký hiệu C30 và
hệ MK-37 có ký hiệu K30 để nghiên cứu ảnh hưởng của phụ gia
Bảng 3.26: Ảnh hưởng của phụ gia an định đến đặc trưng năng lượng và tốc độ
cháy của thuốc hỏa thuật hệ MC-2
Phụ gia amin, % (C.N) 0 0,25 0,5 0,75 1,0 Nhiệt lượng cháy, kcal/kg 205,15 206,34 206,82 207,15 207,75 Thể tích khí, l/kg 7,56 7,61 7,58 7,62 7,62 Nhiệt độ bùng cháy, o C 352,4 351,2 351 351 350,6 Tốc độ cháy trung bình,
Hình 3.43: Mối quan hệ của tốc độ
cháy với hàm ẩm của thuốc hỏa
thuật hệ MC-2
Hình 3.44: Mối quan hệ giữa tốc độ
cháy với hàm ẩm của thuốc hỏa thuật hệ MK-37
