Termiittiseos ( termiitti - kemiallinen, tekninen ) ( toisesta kreikasta θερμά - lämpö , lämpö) - jauhemainen seos alumiinia (harvemmin magnesiumia ) eri metallien oksidien (yleensä rauta ) kanssa.
Sytytettynä se palaa intensiivisesti vapauttaen suuren määrän lämpöä . Sen palamislämpötila on yleensä 2300-2700 °C, ja jos käytetään vahvempia hapettavia aineita, kuten nikkeli- , kromi- tai volframioksideja , se on paljon korkeampi. Seos sytytetään tuleen erityisellä sulakkeella ( bariumperoksidin , magnesiumin ja natriumin seos ). Seoksen komponenttien määrällinen suhde määräytyy stoikiometrisen suhteen avulla. Yleisin rauta-alumiinitermiitti: Fe 2 O 3 (yleensä ruoste) \u003d 75%; Al = 25 % (sisältää kalsinoitua tai rikasta rautamalmia ). Tällaisen termiitin syttymislämpötila on noin 1300 °C (pohjustusseos 800 °C); tuloksena oleva rauta ja kuona kuumennetaan 2400 °C:seen. Joskus rautatermiitin koostumukseen lisätään leikattuja , seostavia lisäaineita ja sulatteita . Prosessi suoritetaan magnesiittiupokkaassa . Termiittejä on saatavana puhelin- ja lennätinjohtojen hitsaukseen sekä sähkölinjojen johtoja . Sotatekniikassa termiittiä käytetään sytytyskoostumuksina. Ferroseosten valmistuksessa termiittiä , johon on lisätty sulatteita, kutsutaan varaukseksi .
Teoriassa termiittiseos voi koostua erilaisista metalleista, jotka voivat toimia polttoaineena , ja hapettimista . Alumiini on yleistynyt sen ilmeisten etujen vuoksi:
Lisäksi reaktiosta muodostuneen alumiinioksidin alhainen tiheys pyrkii jättämään sen kellumaan tuloksena olevan puhtaan metallin päälle. Tämä on erityisen tärkeää hitsin saastumisen vähentämiseksi.
Yleisimmät ja saatavilla olevat hapettavat aineet ovat rautaoksidit , joita käytetään seoksissa eri metallien kanssa [1] :
Laboratorio-olosuhteissa jopa kuivajää (kiinteä hiilidioksidi) voi toimia hapettavana aineena [2] . Polttoainekoostumuksissa voidaan käyttää hapettomia hapettimia - fluoripolymeerejä , esimerkkinä magnesium + teflon + viton (MTV) seos .
Esimerkkejä termiitti-sytytyskoostumuksista [3] [4] :
Yleisin koostumus on rautatermiitti. Hapettavana aineena käytetään yleensä rautaoksidia (III) tai rautaoksidia (II, III). Edellinen tuottaa enemmän lämpöä. Jälkimmäinen syttyy helpommin, todennäköisesti johtuen oksidin kiderakenteesta. Kupari- tai mangaanioksidien lisääminen voi parantaa syttymisen helppoutta huomattavasti. Keitettyjen termiittien tiheys on usein niinkin alhainen kuin 0,7 g/cm3. Tämä puolestaan johtaa suhteellisen alhaiseen energiatiheyteen (noin 3 kJ/cm3), nopeaan palamiseen ja sulan raudan roiskeeseen jääneen ilman laajenemisen vuoksi. Thermite voidaan puristaa tiheyteen 4,9 g/cm3 (lähes 16 kJ/cm3) alhaisilla palamisnopeuksilla (noin 1 cm/s). Puristetulla termiitillä on korkeampi sulamiskyky, mikä tarkoittaa, että se voi sulattaa teräskupin siellä, missä matalatiheyksinen termiitti epäonnistuisi. Rautatermiitti, lisäaineilla tai ilman, voidaan puristaa leikkuulaitteisiin, joissa on lämmönkestävä runko ja suutin. Happitasapainotetun rautatermiitin 2Al + Fe 2 O 3 teoreettinen maksimitiheys on 4,175 g/cm3, adiabaattinen palamislämpötila 3135 K tai 2862 °C tai 5183 °F (mukaan lukien faasisiirtymät, joita rajoittaa rauta, joka kiehuu 3135 K) , alumiini oksidi sulatetaan (pian) ja tuotettu rauta on pääosin nestemäistä, osa siitä on kaasumaista - 78,4 g rautahöyryä muodostuu 1 kg termiittiä kohden. Energiasisältö on 945,4 cal/g (3 956 J/g). Energiatiheys on 16 516 J/cm3.
Alkuperäisessä seoksessa siinä muodossa, jossa se oli keksitty, rautaoksidia käytettiin myllysuolen muodossa. Koostumus oli erittäin vaikea sytyttää
Kuparitermiittiä voidaan saada kupari(I)oksidista (Cu 2 O, punainen) tai kupari(II)oksidista (CuO, musta). Palamisnopeus on yleensä erittäin nopea ja kuparin sulamispiste suhteellisen alhainen, joten reaktiossa syntyy huomattava määrä sulaa kuparia erittäin lyhyessä ajassa. Kupari(II)termiittien reaktiot voivat olla niin nopeita, että niitä voidaan pitää eräänlaisena pikajauheena. Voi tapahtua räjähdys, jonka seurauksena kuparipisaroiden roiskeet leviävät pitkiä matkoja. Happitasapainotetun seoksen teoreettinen maksimitiheys on 5,109 g/cm3, adiabaattinen liekin lämpötila 2843 K (mukaan lukien faasimuutokset) alumiinioksidin ollessa sulassa tilassa ja kuparin ollessa sekä nestemäisessä että kaasumaisessa muodossa; 1 kg tätä termiittiä kohti muodostuu 343 g kuparihöyryä. Energiasisältö on 974 cal/g.
Kupari (I) termiittiä käytetään teollisuudessa esimerkiksi paksujen kuparijohtimien hitsaukseen (käsihitsaus). Tämän tyyppistä hitsausta arvioidaan myös kaapeleiden jatkoksiin Yhdysvaltain laivastossa käytettäväksi suurvirtajärjestelmissä, kuten sähkökäyttöisessä propulsiossa. Happitasapainotetun seoksen teoreettinen maksimitiheys on 5,280 g/cm3, adiabaattinen liekin lämpötila 2843 K (mukaan lukien faasimuutokset) sulan alumiinioksidin ja kuparin kanssa sekä nestemäisessä että kaasumaisessa muodossa; 1 kg tätä termiittiä kohti muodostuu 77,6 g kuparihöyryä. Energia-arvo 575,5 cal/g
Termiittikoostumus on termiittiä, joka on rikastettu suolapohjaisella hapettimella (yleensä nitraatit, esim. bariumnitraatti-Ba(NO 3 ) 2 tai peroksidit ). Toisin kuin termiitit, termaatit palavat ja vapautuvat liekkejä ja kaasuja. Hapettavan aineen läsnäolo helpottaa seoksen syttymistä ja parantaa palavan koostumuksen tunkeutumista kohteeseen, koska vapautuva kaasu heittää ulos sulan kuonan ja saa aikaan mekaanisen sekoittumisen. Tämä mekanismi tekee termiitistä sopivamman kuin termiitti sytytystarkoituksiin ja herkkien laitteiden (kuten salauslaitteiden) hätähävittämiseen, koska termiitin vaikutus on paikallisempi.
Metallit palavat oikeissa olosuhteissa aivan kuten puu tai bensiini. (Itse asiassa ruoste on seurausta teräksen tai raudan erittäin alhaisesta hapettumisesta.) Termiittireaktio tapahtuu, kun metallisten polttoaineiden oikeat seokset yhdistyvät ja syttyvät. Itse sytytys vaatii erittäin korkeita lämpötiloja. [Viite Tarvitaan]
Termiittireaktion syttyminen vaatii yleensä timanttia tai helposti saatavilla olevaa magnesiumteippiä, mutta saattaa vaatia jatkuvaa ponnistelua, koska syttyminen voi olla epäluotettavaa ja arvaamatonta. Näitä lämpötiloja ei voida saavuttaa tavanomaisilla mustilla jauhesytyttimillä, nitroselluloosatangoilla, naltimilla, pyroteknisillä sytyttimillä tai muilla yleisillä sytyttimillä. Vaikka termiitti on tarpeeksi kuuma hehkuakseen kirkkaan punaisena, se ei syty, koska sen on oltava valkokuumaa aloittaakseen reaktion.
Usein sulakkeina käytetään metallisen magnesiumin liuskoja. Koska metallit palavat vapauttamatta kylmäainekaasuja, ne voivat palaa erittäin korkeissa lämpötiloissa. Reaktiiviset metallit, kuten magnesium, voivat helposti saavuttaa riittävän korkeita lämpötiloja sytyttääkseen termiittejä. Magnesiumsytytys on edelleen suosittu termiittiharrastajien keskuudessa, lähinnä siksi, että se on helppo saada, mutta pala palavasta nauhasta voi pudota seokseen, jolloin se syttyy ennenaikaisesti.
Magnesiummenetelmän vaihtoehtona käytetään kaliumpermanganaatin ja glyserolin tai etyleeniglykolin välistä reaktiota. Kun nämä kaksi ainetta sekoitetaan, alkaa spontaani reaktio, jossa seoksen lämpötila nousee hitaasti, kunnes muodostuu liekki. Glyserolin hapettumisen aikana vapautuva lämpö riittää käynnistämään termiittireaktion.
Magnesiumisytytyksen lisäksi jotkut harrastajat käyttävät mieluummin kipinöitä termiittiseoksen sytyttämiseen. Ne saavuttavat vaaditun lämpötilan ja tarjoavat riittävästi aikaa ennen kuin palamispiste saavuttaa näytteen. Tämä voi olla vaarallinen tapa, sillä rautakipinät, kuten magnesiumnauhat, palavat tuhansissa asteessa ja voivat sytyttää termiitin, vaikka itse kipinä ei kosketa sitä. Tämä on erityisen vaarallista hienoksi jauhetun termiitin kanssa.
Tulitikkujen päät palavat tarpeeksi kuumina sytyttääkseen termiitin. On mahdollista käyttää alumiinifolioon käärittyjä tulitikkupäitä ja tulitikkujen päihin johtavaa riittävän pitkää sitkeää/sähköistä tulitikkua.
Samoin hienojakoinen termiitti voidaan sytyttää piikivikipinänsytyttimellä, koska kipinät ovat palavaa metallia (tässä tapauksessa erittäin reaktiiviset harvinaiset maametallit lantaani ja cerium). Siksi ei ole turvallista käyttää sytytintä termiitin lähellä.
Termiittireaktioilla on monia käyttötarkoituksia. Se ei ole räjähdysaine; sen sijaan se toimii altistamalla hyvin pienen alueen erittäin korkeille lämpötiloille. Pienelle pisteelle kohdistettua voimakasta lämpöä voidaan käyttää metallin läpi leikkaamiseen tai metalliosien hitsaukseen yhteen joko sulattamalla metallia komponenteista tai ruiskuttamalla sulaa metallia itse termiittireaktiosta.
Thermitea voidaan käyttää korjauksiin hitsaamalla paksujen teräsprofiilien, kuten veturin akselirunkojen, tilalle, jolloin korjaukset voidaan tehdä ilman, että osaa irrotetaan asennuspaikalta.
Thermitea voidaan käyttää teräksen, kuten rautatiekiskojen, nopeaan leikkaamiseen tai hitsaukseen ilman monimutkaisia tai raskaita laitteita. Tällaisissa hitsausliitoksissa on kuitenkin usein vikoja, kuten kuonasulkeumia ja aukkoja (reikiä), joten prosessin onnistunut suorittaminen vaatii suurta huolellisuutta. Kiskojen termiittihitsauksen numeerista analyysiä lähestyttiin samalla tavalla kuin valukappaleen jäähdytyksen analyysiä. Sekä elementtianalyysi että termiittikiskojen kokeellinen analyysi ovat osoittaneet, että hitsausrako on tärkein vikojen muodostumiseen vaikuttava parametri. Hitsausraon suurentamisen on osoitettu vähentävän kutistumisonteloita ja hitsausvirheitä, ja esilämmityksen ja termiitin lämpötilan nostaminen on vähentänyt näitä vikoja entisestään. Näiden vikojen väheneminen edistää kuitenkin vian toisen muodon, mikrohuokoisuuden, ilmaantumista. On myös huolehdittava siitä, että kiskot pysyvät suorina aiheuttamatta vääristymiä, jotka voivat aiheuttaa kulumista suurilla nopeuksilla ja raskaissa akselin kuormituslinjoissa.
Termiittireaktiota, jota käytetään tiettyjen metallien malmien puhdistamiseen, kutsutaan termiittiprosessiksi tai aluminotermiseksi reaktioksi. Puhtaan uraanin tuottamiseen käytetyn reaktion mukautuksen kehitti Manhattan Project Ames Laboratoryssa Frank Speddingin johdolla. Sitä kutsutaan joskus Ames-prosessiksi.
Kuparitermiittiä käytetään hitsaamaan yhteen paksuja kuparijohtoja sähköliitäntöjä varten. Sitä käytetään laajalti sähkö- ja tietoliikenneteollisuudessa (eksotermiset hitsatut liitokset).
Armeija käyttää yleisesti käsikranaatteja ja termiittipanoksia sekä materiaalien torjumiseen että laitteiden osittaiseen tuhoamiseen; jälkimmäinen on yleistä, kun turvallisemmille tai perusteellisemmille menetelmille ei ole aikaa. Termiittiä voidaan käyttää esimerkiksi salauslaitteiden hätätuhoamiseen, kun on olemassa vaara, että vihollisjoukot voivat vangita sen. Koska tavallista rautatermiittiä on vaikea sytyttää, se palaa vain vähän tai ei ollenkaan liekkejä ja sillä on lyhyt kantama, tavallista termiittiä käytetään harvoin sellaisenaan sytytyskoostumuksena. Yleensä termiittiseoksen kaasumaisten reaktiotuotteiden tilavuuden lisääminen lisää kyseisen termiittiseoksen lämmönsiirtonopeutta (ja siten vaurioita). Sitä käytetään yleensä muiden aineosien kanssa, jotka tehostavat sen sytyttävää vaikutusta. Thermite-TH3 on sekoitus termiittiä ja pyroteknisiä lisäaineita, jotka ovat tehokkaampia kuin tavallinen termiitti sytytyssovelluksissa. Sen painokoostumus on tyypillisesti noin 68,7 % termiittiä, 29,0 % bariumnitraattia, 2,0 % rikkiä ja 0,3 % sideainetta (kuten PBAN). Bariumnitraatin lisääminen termiittiin lisää sen lämpövaikutusta, tuottaa suuremman liekin ja alentaa suuresti syttymislämpötilaa. Vaikka Thermat-TH3:n ensisijainen tarkoitus armeijassa on materiaalin vastainen sytytysase, sitä voidaan käyttää myös metalliosien hitsaukseen.
Termiittien klassinen sotilaallinen käyttö on tykistökappaleiden tekeminen hyödyttömiksi, ja niitä on käytetty tähän tarkoitukseen toisesta maailmansodasta lähtien, esimerkiksi Pointe du Hocissa Normandiassa. Termiitti voi poistaa tykistöpalat pysyvästi käytöstä ilman räjähtäviä panoksia, joten termiittiä voidaan käyttää, kun operaatiossa tarvitaan hiljaisuutta. Tämä voidaan tehdä työntämällä yksi tai useampi termiittikranaatti housuun ja sulkemalla se sitten nopeasti; tämä hitsaa pultin ja tekee pistoolin lataamisen mahdottomaksi. Vaihtoehtoisesti aseen piipun sisään asetettu termiittikranaatti vaurioittaa piippua, mikä tekee aseesta vaarallisen ampua. Thermite voi myös hitsata aseen tähtäyksen ja nostomekanismin, mikä vaikeuttaa oikeaa kohdistamista.
Toisen maailmansodan aikana sekä saksalaisten että liittoutuneiden palopommit käyttivät termiittiseoksia. Polttopommit koostuivat yleensä kymmenistä ohuista termiitillä täytettyistä kapseleista (pommeista), jotka sytytettiin magnesiumsulakkeella. Polttopommit aiheuttivat valtavia vahinkoja monille kaupungeille termiitin aiheuttamien tulipalojen vuoksi. Erityisen haavoittuvia ovat kaupungit, jotka koostuivat pääasiassa puurakennuksista. Näitä sytytyspommeja käytettiin pääasiassa yöllisten ilmahyökkäysten aikana. Bombsighteja ei voitu käyttää yöllä, mikä loi tarpeen ampumatarvikkeille, jotka voisivat tuhota kohteita ilman tarkkaa sijoittelua.
Termiittien käyttö on vaarallista äärimmäisen korkeiden lämpötilojen ja alkaneen reaktion äärimmäisen vaikeuden vuoksi. Reaktiosta vapautuvat pienet sulan raudan virrat voivat kulkea pitkiä matkoja ja sulaa metallisäiliöiden läpi sytyttäen niiden sisällön. Lisäksi syttyvät metallit, joilla on suhteellisen alhainen kiehumispiste, kuten sinkki (jossa kiehumispiste on 907 °C, noin 1370 °C termiitin palamislämpötilan alapuolella), voivat mahdollisesti suihkuttaa tulistettua kiehuvaa metallia ilmaan, jos se on seuraava. termiitille.
Jos termiitti jostain syystä on kontaminoitunut orgaanisilla aineilla, hydratoiduilla oksideilla ja muilla yhdisteillä, jotka voivat vapauttaa kaasuja kuumennettaessa tai reagoida termiitin komponenttien kanssa, reaktiotuotteet voidaan ruiskuttaa. Lisäksi jos termiittiseoksessa on riittävästi ilmaa ja se palaa riittävän nopeasti, voi tulistettu ilma myös aiheuttaa seoksen roiskeita. Tästä syystä on edullista käyttää suhteellisen raakajauheita, jotta reaktionopeus on kohtalainen ja kuumat kaasut voivat poistua reaktiovyöhykkeestä.
Termiitin esilämmitys ennen sytytystä voidaan helposti tehdä vahingossa, esimerkiksi kaatamalla uusi termiittipino kuuman, äskettäin sytytetyn termiittikuonakasan päälle. Sytytettynä esilämmitetty termiitti voi palaa lähes välittömästi vapauttaen valoa ja lämpöenergiaa paljon normaalia nopeammin ja aiheuttaen palovammoja ja silmävaurioita kohtuullisen turvallisella etäisyydellä.
Termiittireaktio voi tapahtua vahingossa teollisuuslaitoksissa, joissa työntekijät käyttävät hioma- ja leikkauslaikkoja rautametallien työstämiseen. Käytettäessä alumiinia tässä tilanteessa muodostuu oksidien seos, joka voi räjähtää voimakkaasti.
Veden sekoittaminen termiitin kanssa tai veden kaataminen palavan termiitin päälle voi aiheuttaa höyryräjähdyksen, joka lähettää kuumia palasia lentämään kaikkiin suuntiin.
Thermitin pääainesosia käytettiin myös niiden yksilöllisten ominaisuuksien, erityisesti heijastavuuden ja lämmöneristyksen, vuoksi saksalaisen Hindenburg Zeppelinin maalissa tai lisäaineessa, mikä saattoi myötävaikuttaa sen tuliseen tuhoon. Tämän teorian esitti entinen NASA-tutkija Addison Bain ja testasi sitten pienessä mittakaavassa tieteellinen todellisuusohjelma MythBusters puolivakuuttavilla tuloksilla (se on todistettu, ettei se ole yksin termiitin reaktion syy, vaan pikemminkin se on on ehdotettu, että se on yhdistelmä tätä ja vetykaasun polttamista, joka täyttää Hindenburgin rungon). MythBusters-ohjelma vahvisti myös verkosta löytyneen videon paikkansapitävyyden, jossa useat termiitit metalliämpärissä syttyivät useiden jääpalojen päällä aiheuttaen äkillisen räjähdyksen. He pystyivät vahvistamaan tulokset löytämällä valtavia jäälohkoja 50 metrin etäisyydeltä räjähdyspaikasta. Toinen juontaja Jamie Hyneman ehdotti, että tämä johtui termiittiseoksen aerosolin muodostumisesta, mahdollisesti höyrypilvessä, mikä sai sen palamaan vielä nopeammin. Hyneman ilmaisi myös skeptisisyyden eräästä toisesta teoriasta, joka selittää tämän ilmiön: reaktio jakoi jotenkin vedyn. ja happea jäässä, ja sytytti ne sitten. Tämä selitys väittää, että räjähdys johtui korkeassa lämpötilassa sulan alumiinin reaktiosta veden kanssa. Alumiini reagoi kiivaasti veden tai höyryn kanssa korkeissa lämpötiloissa vapauttaen vetyä ja hapettuen. Tämän reaktion nopeus ja tuloksena olevan vedyn syttyminen voivat helposti selittää räjähdyksen, vahvistettiin. Tämä prosessi muistuttaa räjähtävää reaktiota, jonka aiheuttaa kaliummetallin pääsy veteen.
Termiittipohjaiset sytytysseokset ovat alumiinijauheen (jauheen) ja rautaoksidin seos. Näillä yhdisteillä on erittäin korkea palamislämpötila, 2519 °C. Ne pystyvät palamaan ilman hapen läsnäoloa, niitä ei voida sammuttaa vedellä. Jotkut termiittityypit palavat lähes ilman liekkejä, jotkut sopivalla määrällä tulta. Termiitillä on erittäin voimakas polttava vaikutus. Sula termiitti palaa helposti duralumiini-, teräs- ja rautalevyjen läpi. Tässä lämpötilassa betoni ja tiili halkeilevat, lasi sulaa ja teräs palaa. Termiitti muodostaa korkean lämpötilan kuonaa, joka parantaa sen palamiskykyä. Termiitti voi aiheuttaa tulipalon missä tahansa esineessä, vaikka siellä ei olisi syttyviä materiaaleja. Sen sammuttaminen on lähes mahdotonta.
Sitä käytetään ferroseosten (aluminoterminen), sytytysammusten, termiittihitsauksen valmistuksessa ja muilla alueilla , joilla vaaditaan korkeita lämpötiloja.
Romaani The Master's Banishment (1946) kuvaa termiittiseosta seuraavasti:
Oletko koskaan kuullut termiitistä? Voi sinua! Tässä, kuuntele. Selitän sinulle. Termiittiä on käytetty teollisuudessa pitkään. Tämä on joidenkin metallien jauheseos, joka pystyy syttymään ja kehittämään korkean lämpötilan palamisen aikana - jopa kolme ja puoli tuhatta astetta.
Breaking Bad -sarjassa Walter ja Jesse käyttävät termiittiä murtautuakseen varastoon.
TV-ohjelmassa " Galileo ", otsikon "Kokeilut" alla, oli ongelma tämän nimen kanssa. Kokeen johtaja osoitti selvästi termiitin polttamisen ja turvallisuusmääräysten noudattamatta jättämisen seuraukset polttamalla kätensä (ehkä tahallaan). Hän selitti myös, että termiittiä on mahdotonta vain sytyttää tuleen (tikulla tai sytyttimellä).
Palkkapäivä 2:ssa termiittiä käytetään murtautumaan turvallisiin esineisiin ja kassakaappeihin.