Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Многофункциональные энергетические материалы (реакционные материалы (РМ)) при нормальных условиях являются инертными смесями, а при сильном механическом или тепловом воздействии способны к интенсивной экзотермической реакции. Металлополимерные РМ, как правило, состоят из политетрафторэтилена (ПТФЭ) и одного или нескольких металлов. Это относительно новый класс материалов, отличающийся от традиционных энергетических составов (пиротехнические составы, ракетное топливо, взрывчатые вещества) высокой плотностью энергии и безопасностью при нормальных условиях. При высокоскоростном ударе инициируется интенсивная окислительно-восстановительная реакция (вплоть до дефлаграции и взрыва), выделяющая большое количество тепловой энергии. Полноту реакции и уровень энерговыделения таких многокомпонентных РМ сложно прогнозировать, они сильно зависят, в том числе, и от способа инициирования (нагрев, удар). Проведены термодинамические расчеты горения смесей с различной концентрацией компонентов (в программе ISMAN-Thermo). Расчет характеристик равновесия осуществляется на основе минимизации термодинамического потенциала системы, выражение для которого учитывает вклады термодинамических потенциалов всех соединений, содержащихся в системе, с учетом их концентраций. Алгоритм минимизации термодинамического потенциала основан на методе градиентного спуска. Результатами расчета являются следующие данные: адиабатическая температура горения, количество и фазовый состав твердых, жидких и газообразных продуктов синтеза. Очевидно, процессы горения и ударно-волнового инициирования далеки от равновесных, тем не менее, проведенные расчеты позволяют ограничить количество экспериментов и выбрать предварительно наиболее перспективные составы. Термодинамические расчеты, а также экспериментальные исследования параметров воспламенения, горения и ударно-волнового инициирования показали возможность реализации высокотемпературного экзотермического превращения в реакционных материалах на основе систем W–ПТФЭ/СF4 с активирующими добавками Ti, Al, Ni-Al, Ti-2B. Термодинамические расчеты параметров горения составов показали хорошую сходимость с экспериментальными результатами. Исследованы особенности горения и механизм реакции в реакционном материале на основе вольфрама с алюминием и политетрафторэтиленом. При высоких температурах ПТФЭ разлагается по радикально-цепному механизму, где основным продуктом разложения является мономер тетрафторэтилен. При дальнейшем нагревании тетрафторэтилена происходит его разложение до углерода и тетрафторметана. При замене ПТФЭ на тетрафторметан CF4 воспламенение системы W–CF4–Al начинается со взаимодействия вольфрама c алюминием при 700°C с ростом температуры до 1300°C, а при 900-1100 °C происходит горение алюминия в тетрафторметане с ростом до 1300°C. В системе W–ПТФЭ–Al воспламенение начинается только при 900°C из-за интенсивного испарения ПТФЭ и разрыхления образца, что препятствует взаимодействию вольфрама с алюминием. Горение двухкомпонентных систем W–Al и Al–CF4 показало, что выделяющееся при их взаимодействии тепло недостаточно для самоподдерживающегося синтеза. Горение образов W–Al в среде тетрафторметана реализуется в самоподдерживающемся режиме. Реакция вольфрама с алюминием дает начальный импульс, а основным источником тепла является горение алюминия в тетрафторметане, которое обеспечивает условия образования карбидов вольфрама. Повышение содержания алюминия в системе W–CF4–Al повышает полноту синтеза и скорость горения с 0,3 до 1,4 мм/с. Проведены эксперименты по определению параметров горения и воспламенения предварительно рассчитанных составов. Установлены перспективные композиции: 76W–19ПТФЭ–5(Ni-Al) и 72W–18ПТФЭ–10Ti, которые показали высокую скорость горения и полноту синтеза. Использование наноразмерного вольфрама значительно снизило время индукции и повысило скорость горения. В экспериментах по ударно-волновому нагружению метанием ударника были установлены оптимальные составы реакционных материалов. Состав 72µW–18ПТФЭ–10Ti обладает высокой полнотой синтеза и большой скоростью образования газообразных продуктов. Состав 76nW–19ПТФЭ–5(Ni-Al) обладает максимальной полнотой синтеза. В экспериментах по ударно-волновому нагружению реакционных материалов в цилиндрических ампулах установлено, что наиболее перспективным является состав, содержащий наноразмерные частицы вольфрама: 72W–18ПТФЭ–10Al.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе выполнения работ по проекту было установлено, что механическая активация реакционных материалов систем W-ПТФЭ-Х (где Х – 5/10Ti; 5/10Al; 5(Ti-2B); 5(Ni-Al)) приводит к изменению параметров реакции и, как следствие, меняет их характеристики горения и воспламенения. Проведенные исследования механически активированных смесей позволили установить, что скорость горения состава 76W+19ПТФЭ+10Ti с µW выросла с 0,5 мм/с до 1,6 мм/с, а с nW с 2,8 мм/с до 3,3 мм/с, как следствие, снизилось время горения с 6 до 3 секунд и с 2 до 1,5 секунд соответственно. Тем не менее, механическая активация не позволила добиться 100% полноты сгорания в образцах остальных систем. Определено, что применение механической активации нивелирует разницу в реакционной способности между составами содержащими µW и nW. Механическая активация состава 76W+19ПТФЭ+5Ti на основе µW снизила температуру воспламенения с 1080 до 710 °C. Для состава 72W+18ПТФЭ+10Ti на основе µW температура воспламенения снизилась с 960 до 630 °C. Для состава 76nW+19ПТФЭ+5(Ni+Al) температура воспламенения снизилась с 980 до 540 °C. Для состава 76µW+19ПТФЭ+5(Ti+2B) температура воспламенения снизилась с 970 до 740 °C. Для состава 76nW+19ПТФЭ+5(Ti+2B) температура воспламенения снизилась с 900 до 650 °C. Установлено, что механическая активация позволяет увеличить скорость воспламенения исследуемых составов в 1,3-20 раз. Для состава 76W+19ПТФЭ+5Ti: c µW - со 100 °C/с до 1300 °C/с, с nW - с 1400 °C/с до 1900 °C/с. Для состава 72W+18ПТФЭ+10Ti с µW - с 200 °C/с до 3300 °C/с, с nW - с 1300 °C/с до 3400 °C/с. Для состава 76W+19ПТФЭ+5(Ni+Al) с µW - со 100 до 2200 °C/с, с nW - со 180 до 2100 °C/с. Для состава 76W+19ПТФЭ+5(Ti+2B) с µW - со 100 до 1300 °C/с, с nW - со 210 до 1600 °C/с. Исследование фазового состава продуктов горения исследуемых смесей позволило выявить основные соединения, получаемые в результате протекания реакции и определить влияние механической активации на соотношение продуктов синтеза. Реализован синтез двойных карбидов Ni2W4C, и Ni10W3C3 в составе 76W+19ПТФЭ+5(Ni+Al). Фазовый состав продуктов после ударно-волнового инициирования идентичен составу продуктов, полученных при помощи СВС в режимах теплового взрыва и самоподдерживающегося синтеза, как до, так и после механической активации. Методом рентгенофазового анализа было выявлено, что основными продуктами синтеза являются W2C, WC, TiWC2, AlF3, TiF3, NiF2. Применение механической активации позволяет получать более сбалансированный состав продуктов. Горение составов, содержащих 5(Ni-Al) без предварительной механической активации, приводит к образованию преимущественно карбидов вольфрама (W2C (11-20 мас. %) и WC (17-41 мас. %).). Проведение механической активации этих составов позволяет уменьшить долю синтезированного W2C (W2C (11-14 мас. %), Ni2W4C (6-7 мас. %) и Ni10W3C3 (8-11 мас. %)). Проведение синтеза в составе 76nW+19ПТФЭ+5(Ti+2B) после механической активации может приводить к образованию метастабильной фазы – кубического карбида вольфрама. Исследование ударно-волнового инициирования разработанных составов позволило сделать выводы о высоких показателях глубины превращения вещества при взрывном нагружении, динамике изменения давления в ампулах сохранения и поведении реакционного материала при активации реакции синтеза путем непосредственного удара продуктами взрывчатого разложения. Ударно-волновое инициирование показало высокую эффективность для инициирования всех исследуемых составов. Ударно-волновое инициирование составов 76W+19ПТФЭ+5Ti и 72W+18ПТФЭ+10Ti приводит к деформации и разгерметизации ампул. Составы, ударно-волновое инициирование которых привело к разгерметизации ампул показали наибольшую реакционную способность при проведении экспериментов по исследованию горения в режиме распространения волны (СВС). Это указывает на корреляцию между параметрами волнового горения и ударного инициирования, что позволяет объяснить разгерметизацию высокой скоростью нарастания давления внутри ампулы. Для состава 72W+18ПТФЭ+10Ti скорость нарастания выше, о чем свидетельствует меньшая степень деформации ампулы. Инициирование менее реакционноспособных составов приводило к большим деформациям ампулы. Исследование действия взрыва на реакционные и инертную таблетки при помощи высокоскоростной съемки позволило оценить динамику изменения скорости разлета продуктов реакции: в начальной области скорость разлета достигает 4800 м/с, но затем, вследствие торможения о слои воздуха, продукты реакции теряют кинетическую энергию и скорость их перемещения снижается. Реакционные составы образуют больший объем облака, чем инертные. Например, состав 72µW+18ПТФЭ+10Al создал облако, площадь проекции которого составила 11000 мм2, облако, создаваемое чистым алюминием, имело площадь проекции в 2000 мм2. Характерная разница формы облака, формирующегося при метании инертной таблетки и реакционной таблетки объясняется тем, что процесс синтеза сопровождается интенсивным газовыделением, что способствует стремлению формы облака к шару. Также были установлены оптимальные условия для инициирования образцов в плоских ампулах: скорость метания 1 км/с стальной пластиной толщиной 3 мм.