Термитные составы лучше всех других удовлетворяют этим требованиям.
Термитные составы
В основе применения термитных составов лежат так называемые термитные реакции.
Термитная реакция происходит между окислителем и горючим, но условия ее отличаются от условий реакции в обычных пиротехнических двойных смесях.
Под термитными подразумеваются экзотермические реакции между металлом и окислом другого металла, когда свободный металл окисляется за счет кислорода окисла. Следовательно, в термитной реакции окислителем служит окисел металла, а горючим — свободный металл.
Термитные реакции отличаются следующими свойствами от реакций, происходящих в других пиротехнических составах:
1) начальные и конечные продукты реакции — твердые вещества;
2) для возбуждения термитной реакции требуется мощный тепловой импульс (реакция начинается при высокой температуре);
3) при термитной реакции развивается высокая температура, что объясняется, главным образом, отсутствием газообразных продуктов, при наличии которых обычно теряется много тепла;
4) теплота реакции настолько велика, что продукты ее (шлак) расплавляются и могут растекаться. Это свойство шлака очень полезно в зажигательном составе, так как расплавленные шлаки увеличиваю? радиус его действия.
Термитные реакции, как и другие в пиротехнике, после возбуждения их начальным импульсом протекают без постороннего притока тепла. Скорость термитных реакций обычно велика.
Главную роль в термитном процессе играет горючее. Теплота сгорания горючего определяет тепловой эффект реакции. Горючее вещество в термитных реакциях должно образовывать окислы, легко плавящиеся при температуре реакции, что необходимо для получения расплавленного шлака. Однако температура кипения окисла должна быть выше температуры реакции, чтобы не было парообразования окисла. Парообразование окисла понизит температуру реакции, так как потребуется излишнее тепло на процесс парообразования, и часть тепла уйдет с парами.
Для умеренной скорости реакции требуется, чтобы и самое горючее (металл) не переходило в парообразное состояние в процессе реакции. Таким образом температура кипения металла должна по возможности превышать температуру реакции.
Наиболее подходит для термитных реакций алюминий. Реакция его окисления за счет кислорода окислов некоторых металлов была открыта в 1894 г. Гольдшмидтом и широко используется в технике. Вследствие большой теплоты сгорания алюминий способен отнимать кислород от окислов большинства металлов.
Окислитель (т. е. окисел) должен легко отдавать кислород, затрачивая на свое разложение минимальное количество тепла. В таком случае реакция проходит с большим выделением тепла. В результате восстановления окисла должно получиться легкоплавкое, но труднолетучее вещество (как и в результате окисления горючего — металла).
Для практического использования термитных реакций необходимо, чтобы компоненты были доступны и сравнительно недороги.
Наиболее подходящими окислителями являются окислы железа. Железо, образующееся в результате реакции, расплавляется при температуре процесса. Скорость реакции железоалюминиевого термита регулируется подбором величины зерен компонентов.
Обычно для зажигательного состава применяется смесь алюминия (24—25%) с окислами железа (75—76%) Fe3O4 и Fe2O3, называемая железным термитом.
Термит воспламеняется при высокой температуре; для его воспламенения используют специальные составы. Горящий термит с трудом поддается тушению. Реакция горения термита может продолжаться даже под водой. Термит не чувствителен к механическим воздействиям и безопасен в обращении.
В процессе реакции образуются железо и окись алюминия в расплавленном, огненно жидком состоянии; эти расплавленные шлаки растекаются по поджигаемой поверхности, создавая очаги пожара.
Температура реакции железо алюминиевого термита приблизительно 2500°. Точно она не определена, главным образом, потому, что отсутствуют данные о теплоемкости продуктов реакции при высоких температурах. Приближенными расчетами, исходя из реакции горения термита:
3 Fe3O4 + 8 AI 9 Fe + 4 AI2O3 + (772,5 кг-кал ± 3),
найдено, что температура ее может достигать 3200 ± 200°. Однако предполагается, что в процессе реакции происходит парообразование самого алюминия, поэтому температура реакции снижается до температуры кипения алюминия, т. е. до 2500—-2300°.