《气体发生剂》由会员分享，可在线阅读，更多相关《气体发生剂（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、气体发生剂的配方设计课程设计任务书1设计目的：了解目前气体发生剂的组成及作用原理，查阅相关文献资料，进行气体发生剂的配 方设计及计算，通过理论分析，对其生成产物的作用效果和安全性进行分析评价。2设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：（1）查阅相关的文献资料，了解掌握国内外气体发生剂的技术发展状况以及在汽车 和航天等领域的应用现状；气体发生剂组成及作用原理烟火气体发生剂是一种以烟火燃烧方法产生气体的烟火药剂，指燃烧后产生气体的 各种物质，属于固体推进剂的一个种类，它一般由燃料（氧化剂及燃速调节剂抗爆剂等 添加剂组成），用以制造各种不同用途的气体发生器和充气装置。它作为气动源
2、代替笨 重的压缩空气钢瓶（或罐），用于手携式火焰喷射器和飞机引擎着火时的灭火剂喷洒等。 它制作的起动药包用于推动飞机涡轮、鱼雷的导向叶片和陀螺转子旋转等等。作为烟火 气体发生剂，它除了应具备一般烟火药具有的性能外，尚须满足以下特殊技术要求：点火和充气必须非常迅速 大多数的气体发生装置或气体发生器用于紧急救援或 快速启动，点火和充气要快速这是先决条件，尤其是救生用的充气安全袋。汽车安全气 囊点火与充气必须在（1T0） ms内实现，只有这样才能在碰车瞬间保证乘员安全。所产生出的气体应无毒品 尤其是用于救生设备中的气体发生剂，它燃烧所放出的 气体必须无毒，以保障人员在获救后的安全（二次安全）。为此，
3、要求设计的气体发生 剂配方燃烧产物中不应含有对人体有毒害作用的物质。所产生的气体温度应低且无火焰 由于所产生出的气体要充入到充气袋中，温度高 或者有火焰，充气袋无法承受，同时给人员和设备亦带来了新的不安全威胁。为了使产 生出的气体温度低且无火焰，除配方上加入冷却剂、消焰剂外，在发生器或装置中尚设 计有冷却过虑系统，以保障进入到充气袋中的气体温度不超过100C。燃烧残渣要少气体发生剂是以产气为目的，残渣是多余的且是有害的。为了避免 残渣进入到气袋中，通常采用钢丝过滤网。目前，国内外气体发生剂配方主要有三类：一是火药类及其改进的配方；二是新型 合成出的产气剂：三是烟火类混合药剂。火药类及其改进的配
4、方主要是硝化棉火药和复 合推进剂类配方药剂。新型合成出的产气剂，有3-硝基-1, 2, 3-三唑-5-酮（NTO）,这 是在上世纪80中期出现的高能低易损炸药，产气速度快，不爆轰，无毒。烟火类混合药剂类的烟火气体发生剂可分为NaN类的和不含NaN类的。331、含NaN的烟火气体发生剂 其基本组成为叠氮化钠、氧化剂和黏合剂。氧化剂主要有3氧化铁、氧化铜等金属氧化物及硝酸钾、硝酸钠、硝酸锶、高氯酸钾、高锰酸钾等 盐类。黏合剂主要有二氧化硅、膨润土、高岭土以及有机高分子等。冷却剂在气体 发生剂中同时起到吸附燃烧固体残渣、降低燃烧产物温度的作用。因为冷却剂不能 产生有用的气体产物，其含量的增加必然要求
5、气体发生器药室的体积相应地增加。配方越接近零氧平衡，所达到的最大压力越高，所需要时间越短，因而其压力上升 速度越快。由此可见，在配方设计中，应尽可能考虑零氧平衡的配方。叠氮化钠和 氧化铁反应具有产气量大、燃烧放热少等优点，但仅这两种物质组成的气体发生剂 点火困难、燃速低。因此经常加入第二氧化剂（硝酸钠、高氯酸钾、高锰酸钾）以 改善点火和燃烧性能。这类气体发生剂已广泛应用，配方多种多样，主要有：（1） NaN60%-90%，KClO 0%-20%，Fe O 或 CuO 约 5%，玻璃粉（含 SiO、BaO、PbO 碱的34232玻璃粉或含SiO、BO、TiO、NaO的玻璃粉）0.1%-10%。2
6、 2322（2）NaN （61-68）%,NaNO （0-5）%，膨润土（0-5）%, FeO （23-28）%,烘制 SiO（1%-2%），3 3232石墨纤维（2-6）%。该药剂中石墨纤维作用有三：一是增强药柱强度，避免药柱 破裂；二是使药剂燃烧产物的熔渣块增大；三是纤维导热性好，既可增加药柱燃 速，又能降低药柱燃烧温度。（3） NaN 70%，KClO 30%，外加氨基四唑6.5%，SiO 6.5%。该药剂气体成分为N 83%，3422H 16%，其它无毒气体1%，固体残渣为KCl+Na O、SiO和Na SiO。2 2223（4） NaN 70%，KlO 30%，外加硬脂酸铅3%。该药
7、剂气体成分为N 99.2%，点火到充气时3 42间为（20-40） ms。（5）NaN 56%，KNO 44%，外加 SiO 0.1%-10%.332（6）由 NaN、Si N 和 NH ClO 组成。334443NaN +Si N +3NH ClO SiO +3NaCl+8N +6H O33444222(7) 由助燃剂与产气剂二者交替组合。助燃剂为NaN60%, MnO 40%；产气剂为NaN 85%,323氧化剂(由NiO+FeO或MnO+FeO ) 15%。其特点是：低温着火性能好，产气量大，燃 2323223烧热低，燃速适当。降低的配方NaN配方，即有氮化物部分的代替NaN。如33Cr
8、N42.6%,KNO 43.4%,NaN 14%,33其反应方程式如下：6CrN+4KNO +2NaN 2K O+3CrO Na O+8N332322目前，国内用于汽车安全气囊的气体发生剂主要是含有叠氮化钠的气体发生剂，其 氧化剂主要是Fe O等金属氧化物，叠氮化钠气体发生剂虽具有燃烧温度低，燃烧速度快，23燃烧后气体中含有大量的无毒的N等优点，但它还存在着下述几个问题，由于NaN本身23有毒,0.05g的NaN进入肠胃，即能引起剧烈心跳，随之昏迷。超过0.05g时，则会引3起死亡有因分解或燃烧而引起火灾的危险，与水反应产生，容易起火，还会产生有毒烟雾 高的物质，尽管叠氮化钠燃烧或分解所产生的
9、气体由于氮浓度很高有毒气体浓度非常 低，在实用上没有问题，但人们仍然希望有毒成分的浓度降得更低。2、无NaN的烟火气体发生剂。含氮化合物气体发生剂含氮化合物是指只要是在分子中3有氮原子的有机化合物，包括氨基有机化合物、含硝胺有机化合物、含亚硝胺有机化合 物等。对于氨基有机化合物包括偶氮二羧基酰胺、尿素、缩二脲、二氰基二酰胺、酰肼 类(例如乙酰肼、l，2双乙酰肼、十二酸酰肼、水杨酸酰肼、硝酸酰肼、碳酰肼、藻 酸酰肼、癸二酸酰肼、十二烷酰肼、异苯二酸酰肼、甲基卡巴肼、半卡巴氮、甲酰排、 l，2二甲酰基肼)等。含硝胺的化合物包括二硝基五亚甲基四胺、三亚甲基三硝基胺 (RDX)、四亚甲基四硝基胺(HM
10、X)等作为置换基的有一个至多个硝胺的脂肪族化合物及脂 环式化合物。含亚硝胺的有机化合物包括二亚硝基五亚甲基四环素(DPT)等作为置换基 的有一个至多个亚硝基的脂肪族化合物及脂环式化合物，如偶氮碳酰胺。此种气体发生 剂氧化剂曾选用KMn0、MnO、BaCrO、Ba0等，但使用MnO、KMn0等氧化剂时冲击着火424224性、燃烧速度不能满足要求，而使用BaCr0、Ba0等氧化剂时气体中会生成有毒成分，42且形成的残渣多。美国曾公布一种用氧络卤酸盐作为氧化剂并与含氮化合物配合使用的 气体发生剂。氧络卤酸盐包括卤酸盐、过卤酸盐及其碱金属盐。碱金属卤酸盐可以举出 例如KClO、KBrO、NaBrO等，
11、而碱金属的过卤酸盐有KClO、NaClO、KBrO、NaBrO3334444等。当改变含氮化合物与氧络卤酸盐的配合比例时，就燃烧气体的组成等。非氮化物气体发生剂此种气体发生剂的燃料不含氮化物，该类燃料包括各种含氮 有机燃料如胍及胍的衍生物或唑类。胍及胍的衍生物主要包括硝酸胍、硝酸氨基胍、硝 酸三氨基胍、硝基胍、氰基胍、三氮杂酮、硝基三氮杂酮等。由于胍的衍生物含氮量高， 含碳量低，化学稳定性好，燃烧速度快，产物中有毒气体CO含量低，被广泛应用于气 体发生剂中。而使用NH： NO氧化剂的优点是能降低烟雾，提高产气效率，但作为气体3发生剂，只使用单一氧化剂会使气体发生剂存在相对低的燃烧速度、相对高的
12、燃烧速度 压力指数和相对高的吸湿性等缺点，因此常需要添加一种或多种添加剂（例如选用高能 燃料成分或者加入助氧化剂），这可不同程度地提高含NH： NO组合物的燃烧速度，但高3能添加剂总体上均不能明显降低燃烧速度压力指数，而加入助氧化剂时，其流出气体可 能具有毒性（如HCl气体），并难以从相应的膨胀器器件的气流中滤去某些不合需求的副 产品（如碱金属氯化物），且NH NO在32C存在相转变，即其晶体结构通常会发生各种4 3变化，这种结构变化通常涉及固体材料的膨胀和缩小。即使相对小的这种变化也会对相 应的造气材料产生强烈的影响，从而会对造气材料的燃烧速度产生强烈影响。因此，人 们广泛使用相稳定的NH：
13、 NO：做氧化剂，即在NH NO中加入一种相稳定剂。实验表明，43当含有大量硝酸铵合金属时，不仅能稳定硝酸铵通常发生的相变，还有助于提高燃烧速 度并降低燃烧速度压力指数。此种非氮化物气体发生剂与氮化物气体发生剂相比，具有 更高的单位体积气体产量，并具有所需的高燃烧速度以及低压力依赖性。美国汽车系统 实验室公司曾研制过另一种非氮化物气体发生剂，氮化物燃料、氧化剂及其他添加剂组 成。此气体发生剂燃料优先使燃料的氮含量最大和调节其碳和氢含量至中等数值的化合 物，燃料通常选自吡咯化合物，尤其是四唑化合物。典型的不含NaN的烟火气体发生剂配方有：3（1）硝基胍8O%-98%, MnO 2%-2O%。当硝
14、基胍为9O%、MnO为1O%时，产气量为9O L/kg2 2（在200度条件下）。由于胍的衍生物含氮量高，含碳量低，化学稳定性好，燃烧速度 快，产物中有毒气体CO含量低，被广泛应用于气体发生剂中。有研究对硝基胍气体发 生剂进行了充分的理论分析，仔细的优化设计。研究结果表明:硝基胍、硝酸铵、硝酸锶 等组成的气体发生剂，其爆热为4203J/g,产气量为0.74L/g。经大量的工艺实验制定了 硝基胍气体发生剂的技术指标和工艺过程，研究结果证明硝基胍气体发生剂可以在汽车 安全气囊中应用。（2）K10 85%,醋酸纤维素9.7%，磷酸三甲苯酯4.8%，炭黑0.5%。4（3）NHC10 60%，NHC12
15、0%，聚氨酯19.9%，Fe 0 0.1%。这是一种能自熄火无毒气体4 4423发生剂，特别适用于救生艇充气。在压力为7.18Mpa和温度为25度时,燃速为4.27mm/s。 当压力大于7.18Mpa时，会自行熄灭。南京理工大学也曾研制过几种非叠氮化物气体发生剂，如PAK气体发生剂。PAK气 体发生剂主要成分为PAK （分子式为CHNO K）和各种混合氧化剂。混合氧化剂由硝酸9 8 910盐和金属氧化物组成，其优点是燃烧速度快，温度低，产气量适中，有毒气体含量低， 烟雾小，价格便宜。GAP （聚叠氮缩水甘油醚）气体发生剂是20世纪80年代后期才开始研制的一种新 型气体发生剂。气体发生剂在航天和汽车等领域的应用现状烟火型气体发生剂典型的应用实例是制造气体发生器气体发生器是一种快速安全 的发出气体的装置，具有体积小、充气快、灵活轻便、不受环境条件影响等优点。气体发生器广泛用于航空（飞机、导弹的有关部件中）、航天领域如飞机驾驶员弹 椅弹射及海上救生筏，宇航救生服，沉船打捞，灭火装置，铁路运输的紧急制动系统， 石油、天然气输送管道紧急关闸系统和气垫船、橡皮舟、民航应急安全滑梯的充气以及 空降兵、大型装备的软着陆气垫、军用伪装充气假目标等，前些年，美国又成
