無容器的放熱炬的製作方法

2023-04-25 06:06:01 2

專利名稱：:無容器的放熱炬的製作方法無容器的放熱炬相關申請本申請要求2009年7月17日提交的美國臨時專利申請序列第61/081，718號的優先權。發明領域本發明涉及一種可攜式的手持型放熱割炬，所述割炬不需要使用高壓壓縮氣體的容器來進行有效的切割。介紹在全球反恐戰爭以及民用爆破和建築領域中的直接作用破壞操作經常需要在城市、偏遠地區或水下方位使用非爆炸性割炬。實地割炬使用與壓縮氣體(氧氣，O2或空氣)容器連接的可膨脹的放熱棒對牆壁、門或窗之內或其周圍的強化金屬板或金屬棒進行切割。這些放熱棒造成的高溫磨料流和切割速率與供給由所述放熱棒引發的固態鋁熱反應的氣體的速率成正比。壓縮氣體(特別是O2)的容器有可能成為炸彈，因此存在和使用這些容器會造成風險和負擔。在戰爭以及民用環境下，所述容器的存在會給使用該容器的操作人員以及附近的組員都帶來危險。因為軍事上的切割操作經常是在敵方環境中進行的，如果任何直射的射彈或散射的射彈擊中α容器，管子或調節器都會導致災難性的炸裂，火球以及彈片，可能會對使用者以及周圍的人員造成燒傷、穿透以及傷亡。使用者還必需承擔容器系統的重量和大體積造成的負擔，同時還要承擔其它的任務必需的設備。可以使用的棒的尺寸、重量和數量受到O2容器的容量和輸送速率的限制。在偏遠或者有障礙的空間內，容器增大了切割操作的難度，對工作效率造成負面影響。用來處理壓縮A的容器和調節器的後勤支持(重新填充)和日常維護(清潔和校準)在戰爭環境下和和平環境下都是困難而昂貴的。無容器的放熱炬通過在棒中將固態氧化劑與鋁熱劑燃料相結合，或者通過將它們加載入槍內，從而不再需要氣體加壓容器(圖1)。該方法消除了攜帶氣體加壓容器的安全和後勤負擔，同時保持了現有的放熱炬的切割效率。現有公開已經有大量出版物描述了鋁熱炬和鋁熱組合物。美國專利第4，352，397號(Christopher，1982)「用來切割導管的方法、設備禾口煙火組合物(Methods,ApparatusandPyrotechnicCompositionsforSeveringConduits)」僅僅講述了放熱組分的粒度是「粉狀」，而沒有對粒度進行任何規定。美國專利第4，371，771號(Faccini等，1983)「割炬和方法(CuttingTorchandMethod)」講述了放熱金屬(鋁)可以是「粉末，帶或顆粒」，而且「物理形式…並不要緊」。美國專利第4，432，816號(Kennedy等，1984)「用於割炬的煙火組合物(PyrotechnicCompositionforCuttingiTorcti)，，描述了「鋁的粒度不應大於100目(150微米)，三氧化二鐵的粒度不大於約200目(75微米)且不小於1微米」。[0014]美國專利第4，432，816號(Kennedy等，1984)；美國專利第5，472，174號(Geasland,1995)「熱切割棒(ThermalCuttingBar)」；美國專利第5，888，447號(Smith等，1999)「自熄性燃燒棒Gelf-ExtinguishingBurningBar)」；以及美國專利申請第2004/0041310號和第2004/0041310號(Hlavacek等，2004)均講述了如果棒包含多個「軸向延伸的部件或金屬絲的束或芯」，以引導A流過這些物理通道，切割將會更為高效。美國專利第6，183,569號(Mohler,2001)「割炬和相關方法(CuttingTorchandAssociatedMethods)」描述了「鋁熱劑加料的加料密度優選約為其理論最大密度的50-67%」。本領域技術人員能夠理解，對鋁熱劑加料粉末的密度進行平衡，以提供可靠的引燃，以及儘可能提高切割作用」。美國專利第6，627，013號(Carter等，2003)「煙火鋁熱劑組合物(PyrotechnicThermiteComposition)」和美國專利申請第2003/0145752號(Carter等，2003)「可攜式金屬切割煙火炬(PortableMetalCuttingPyrotechniciTorch)」講述了當發熱和產生氧氣的粉末和粘結劑混合的時候，「…會降低反應速率」，其「…平均粒度應當小於10微米」。另外，美國專利第6，627，013號描述了「隨著組合物密度增大，放熱反應進行的速率減慢。」該專利還提到了鋁熱組合物可以包含0-20重量％的輔助的氧化劑，例如金屬氧化物、氯酸鹽(包括NaClO3),高氯酸鹽，過氧化物，亞硝酸鹽和硝酸鹽。美國專利申請第2003/0145752號描述了必需使用「聚合物粘結劑」來避免「…裂紋，裂紋會在基質中造成不連續，從而導致不規律的燃燒以及不規律的燃燒速率」。美國專利第4，589，356號(Adams等，1086)「使用具有雙峰粒度分布的燃料從生物質回收能量(EnergyRecoveryfromBiomassUsingFuelHavingaBimodalSizeDistribution)」儘管並未涉及鋁熱劑，但是提到了如果用「粒徑小於100微米」的顆粒代替10重量％的正常粒度的顆粒(10毫米，或1000微米)，則生物質(例如木材和泥炭)的引燃可以獲得提高。Zhang等人的美國專利第6，071，329號Q000)「用於化學氧氣發生劑的過濾器(FilterforChemicalOxygenGenerator)」(另一篇與鋁熱劑炬無關的公開文獻)描述了粒度約為20-100目(150-850微米)的顆粒的顆粒聚集，所述顆粒由霍加拉特(hopcalite)顆粒與氫氧化鋰的混合物形成。在美國專利第6，143，196號Ghang等，2000)，第6，193,907號和第6，231，816號(Zhang等，2001)中報導了這些內容。為了產生可呼吸的氧氣，美國專利第6,0,067號(Zhang等，2000)「低溫敏感性氧氣發生組合物(LowTemperatureSensitivityOxygenGeneratingCompositions)，，描述了儘管可以將不產生氧氣的添加劑「研磨至可以通過60目Q50微米)的篩網的粒度以促進混合」，「儘管研磨的較細的粉末效果更高，較粗的粉末效果較差，但是認為更細或更粗的無水矽酸鈉顆粒也可以發揮作用，也同樣適用」。美國專利第6，四6，689號Ghang等，2001)和第6，352，652號(Zhang等，2002)中有相同的描述。類似的，美國專利第5，882，545號(Zhang等，1999)「氧氣發生組合物(OxygenGeneratingCompositions)」講述了「雖然較粗的粉末也能發揮令人滿意的作用，但是優選粒度小於325目(45微米)的不產生氧氣的添加劑」。上述的參考文獻均未提到使用超小的顆粒(納米尺度)；多重粒度分布(雙峰)；或特定的包裝(克卜勒(Keplerian))來改進放熱炬的性能，這是因為它們的申請沒有認識到這一點，或者預期會造成負面效果，例如顯著加快反應速率，從而縮短棒或氧氣發生劑的工作壽命。發明概述本發明包括將棒中的微米尺度的放熱且放出氧氣的粉末、或者槍中的微米尺度的放出A的粉末與特定量的具有足夠小直徑(l-ioo納米)的粉末摻混，所述具有足夠小直徑的粉末適合施加於微米粉末周圍的間隙空穴，所述具有足夠小直徑的粉末的重量分數足夠高，足以實現以下效果i)在空穴內造成密堆積，以緩和熱量和氧氣的釋放，但是不會對它們的反應速率造成負面影響(增大)；以及幻使所述產生氧氣的化學物質的密度增大足夠高的水平，以允許儲存體積和流速等於壓縮氧氣容器的儲存體積和流速，由此能夠在不降低切割性能的情況下省去壓縮氧氣容器。測試和計算(M.Pantoya等，2004，「由雙峰鋁分布獲得的鋁熱劑燃燒促進(ThermiteCombustionEnhancementResultingfromBimodalAluminumDistribution)」，第31屆國際煙火學會議(31stInternationalPyrotechnicsSeminar),第262頁；以及Μ.Pantoya等的2005「亞穩態間隙複合體的燃燒速率和傳播機理(CombustionVelocitiesandPropagationMechanismsofMetastableInterstitialComposites)」，應用物理學報(.TournalofAppliedPhysics),第98卷，第064903頁)中報導了當加入的納米尺度顆粒在大約20-40%的特定水平的時候，「以雙峰分布形式將納米尺度顆粒與大體積尺度顆粒相結合不會顯著加快燃燒速率…」。以上所述參考文獻的圖7的數據顯示了將80納米的鋁(Al)粉末以10%的增量加入20微米的鋁粉的情況。因為Pantoya等人的研究目的是通過加入納米尺度的鋁熱劑粉末來提高微米尺度的鋁熱劑粉末的燃燒速率，因此他們沒有認識到能夠在不加快反應速率的情況下做到這一點，這是本發明所需的特性。同樣重要的是，Pantoya等人報導了「使用包括窄的第二個峰的雙峰分布將會減小燃燒速率的變化」，我們認識到，可以通過這一點來改進放熱炬和氧氣發生劑的性能。反應動力學科學的一個基礎看法是，粉末發生反應從而釋放出氧氣或熱量的反應速率與粉末半徑的平方成反比(見MPantoya等人的，2004，「納米複合鋁熱劑中的粒度分布對燃燒速率的影響(TheEffectofSizeDistributiononBurnRateinNanocompositeThermites)，，,燃燒理論禾口模擬(CombustionTheoryandModelinR),%8卷，第555頁)。也即是說，當粉末的半徑減小的時候，其反應速率會提高。因此，如果用納米尺度粉末代替微米尺度粉末，或者將前者加入後者之中以形成雙峰粒度分布，則預期這些鋁熱或含氧的化學物質釋放熱量或氧氣的速率會加快。但是，人們可能不希望鋁熱炬的反應速率加快，這是因為鋁熱炬會過熱，難以操作，會更快地燒完，需要替換。根據建立用來表徵顆粒的密堆積結構的理論，無規堆積或選擇性堆積可以達到的最大密度存在極限。對於無規堆積(A.Matheson，1974，「硬球無規堆積計算(ComputationofaRandomPackingofHardSpheres)，，，物理學報C:固態物理(JournalofPhysicsC=SolidStatePhysics),第7卷，第2569頁)，單峰粒度分布可以實現的最大密度約為64%，在實驗誤差範圍內來說，這與美國專利第6，183，569號(MOhler，2001)描述的被測鋁熱劑可以達到的最大密度(67%)相等。對於選擇性堆積(N.Sl0ane，1998，「證明克卜勒假想(Kepler'sConjectureConfirmed)」，自然(Nature)，第395卷，第435頁)，單峰粒度分布可以實現的最大密度為74%。總之，發明人已經發現並舉例說明，在特定的限制內，通過向微米尺度顆粒加入納米尺度顆粒能夠獲得放熱和釋放氧氣的化學物質的較高密度的堆積，其具有更均勻的反應速率，但是反應速率並未加快。在一個方面，本發明提供了一種包含鋁熱劑組合物的鋁熱炬，所述鋁熱劑組合物包含10-40%的納米顆粒以及50-90%的微米顆粒。在另一個方面，本發明提供了一種包含鋁熱劑組合物的鋁熱炬，所述鋁熱劑組合物包含至少10%的納米顆粒，所述組合物具有穩定的燃燒速率，使得當另外加入10%的納米顆粒進行摻混，並形成10%改良的棒，以此進行測試的時候，與鋁熱劑組合物棒的燃燒速率相比，加入10%的組合物製得的棒的燃燒速率提高了10%或更少；在此測試中，兩個棒都是通過以下步驟製造的稱取一定百分含量的納米顆粒粉末；將其裝填入內徑0.5英寸(1.3釐米)的薄壁鋼管內；然後通過翻轉或振動對管子進行攪拌，從而獲得最大的堆積密度。較佳的是，所述鋁熱劑組合物包含10-40%的納米顆粒以及50-90%的微米顆粒。在另一個方面，本發明提供了一種鋁熱劑組合物，該組合物包含納米顆粒和微米顆粒的雙峰分布，包含5-70%的納米顆粒，29-94%的微米顆粒，以及至少1%的&發生劑。本發明還包括含有此種組合物或者下文任意部分描述的鋁熱劑組合物的鋁熱炬。在另一個方面，本發明提供了一種鋁熱劑組合物，該組合物包含納米顆粒和微米顆粒的雙峰分布，包含5-70%的納米顆粒，29-94%的微米顆粒，以及至少1%的&發生劑。在另一個方面，本發明提供了一種鋁熱炬，其包含與把手相連的鋁熱劑棒；所述把手包括包含產生α的固體的隔室；以及將隔室與鋁熱劑棒相連的導管。本發明還包括一種焊接或切割金屬的方法，所述方法包括點燃本發明所述的任何的炬，使用所述炬釋放出的熔融的金屬對金屬基材進行焊接或切割。在一些優選的實施方式中，所述鋁熱劑組合物包括以下特徵中的一種或者任意組合包含至少的O2發生劑；所述納米顆粒的粒度為1-100納米，所述微米顆粒為1-10微米；10-20%的鋁(Al)和大約80-90%的金屬氧化物，以及至少1%的氯酸鹽或高氯酸鹽。在一些優選的實施方式中，所述鋁熱劑組合物不含絲或帶。在一些優選的實施方式中，所述鋁熱炬包括把手；鋁熱劑棒，其包含所述鋁熱劑組合物；熱屏蔽罩，其設置在所述把手和所述鋁熱劑棒之間；以及噴嘴，其位於所述鋁熱劑棒的一端。本發明的炬、鋁熱劑組合物以及切割或焊接的方法可以包括以下具體實施方式部分描述的特徵中的任意一種或任意組合。圖1放熱炬棒和槍。具體實施方式所述鋁熱劑組合物可以使用現有技術中開發用來產生熱量或氧氣的金屬燃料、金屬氧化物氧化劑以及鹼金屬氧化物的任意組合。其包括但不限於大約10-20%的鋁(Al)與大約80-90%的金屬氧化物的鋁熱劑組合。所述金屬燃料可以包括但不限於鋁(Al)，矽(Si)，鋯(Zr),M(Be)，鎂(Mg)，鋇(Ba)，鈦(Ti)和硼(B)0所述金屬氧化物可以包括但不限於氧化鐵(Fe52O3)，氧化銅(CuO)，氧化鈷(CoO)，氧化鎳(Ni2O3),氧化鋪(SId2O3),氧化銷(MoO3),氧化鉻(Cr2O3，)，氧化鉛(PId2O)和氧化鎢(WO3)。所述組合物還可以包含產生氧氣的鹼金屬，例如高鐵酸鹽(FeO4)或高氯酸鹽(ClO4)。優選所述組合物不含任何金屬絲或粘結劑。所述鋁熱劑組合物還可以包含10-60%，優選25-40%的產生仏的材料，例如氯酸鹽、高氯酸鹽或高鐵酸鹽。當存在產生氧氣的材料的時候，金屬燃料與金屬氧化物之比優選為91至41(重量比)。在本發明的整個說明書中，「％」表示重量百分數。堆積密度是固體佔據的體積百分數(%)o較佳的是，所述鋁熱劑組合物包含納米尺度粉末和微米尺度粉末的雙峰混合物，納米尺度顆粒的量為5-70%，優選10-40%，在一些實施方式中為25-35%。較佳的是，所述鋁熱劑組合物包含30-95%的微米顆粒，更優選包含60-90%的微米顆粒，更優選包含65-75%的微米顆粒。較佳的是，所述鋁熱劑組合物的堆積密度等於或大於65%，優選大於67%，更優選等於或大於69%。在本發明中，納米尺度顆粒定義為粒徑為1-990納米的顆粒，更優選粒徑為1-500納米，更優選為1-99納米，更優選為1-9納米。微米尺度顆粒的粒徑為1微米至1毫米，優選為1-500微米，更優選為1-10微米，在一些實施方式中為1-3微米。本發明可以用上述重量百分數和粒度範圍的任意組合來定義；例如，5-70%的粒度為1-500納米的納米顆粒；或者5-70%的粒度為1-99納米的納米顆粒；或者5-70%的粒度為1_9納米的納米顆粒；或者25-35%的粒度為1-99納米的納米顆粒；或者5-70%的粒度為1-500納米的納米顆粒以及60-90%的粒度為1-500微米的微米顆粒；或者10-40%的粒度為1_9納米的納米顆粒與60-90%的粒度為1-10微米的微米顆粒；等。在一些優選的實施方式中，所述納米尺度顆粒(或簡稱納米顆粒)屬於鋁熱對中的金屬燃料或金屬氧化物中的任一種。通過用來測定懸浮在液體中的顆粒的ASTMWK8705來測定粒度和粒度分布。對於無法懸浮的顆粒，通過掃描電子顯微鏡(SEM)測量粒度分布，例如通過Granier等在「納米複合鋁熱劑中粒度分布對燃燒速率的影響可能的密度函數研究(Theeffectofsizedistributiononburnrateinnanocompositethermites-.aprobabilitydensityfunctionstudy)，」燃燒理論和模擬(CombustionTheoryandModeling),8(2004),555-565中所述的步驟測量。對於壓實的材料，通過SEM測量來確定粒度。有時候難以進行精確的粒度分布測量。另外，也可以通過鋁熱劑組合物的性質來表徵本發明。較佳的是，所述鋁熱劑包含納米顆粒與微米顆粒的混合物，該混合物包含至少10%的納米顆粒，在與加入的10%的納米顆粒摻混(使用翻轉或超聲振蕩的手段)之後，該組合物製造的棒的燃燒速率增加了10%或更少。該表徵經常簡單地通過使用與製備所需鋁熱劑組合物相同的顆粒來進行。在此測試中，通過Pantoya等人在2004，「雙峰鋁分(ThermiteCombustionEnhancementResultingfromBimodalAluminumDistribution)」中所述的方式測量速度(燃燒速率)。圖1顯示了一種鋁熱炬1的示意圖。所述炬通常包括把手2，該把手包括引燃模塊和電源(通常是電池)。所述把手任選包含O2發生劑4和扳機6。可以通過調節扳機關閉送向炬的氧氣流。把手上的熱屏蔽罩8可以保護使用者的手免於被熱燙到。所述製造的鋁熱劑棒10可以包括一個插孔12，用來連接於把手或者從把手上拆下。在棒的端部，將熔融金屬注射通過噴嘴14。噴嘴可以連接於棒。在另一個實施方式中，可以將所述棒插入炬主體之內。作為把手中的A發生劑的替代或者補充，所述鋁熱劑棒可以包含過量的A發生劑，用來迫使金屬從噴嘴噴出。O2-發生劑可以位於炬棒內，用於全開操作，或者位於槍把手內，用於開/關/開操作。所述鋁熱劑組合物優選是雙峰摻混物。可以任選地將用於原位產生氧氣的粉末混入所述鋁熱劑組合物中。用來產生氧氣的組合物可以加載入所述棒中或者所述把手中，因此無需使用壓縮氧氣容器。在混合所有組分的時候，納米顆粒將會填充所有微米尺度粉末之間的間隙空隙，最大程度地提高固體顆粒總體混合物的堆積密度。權利要求1.一種包含鋁熱劑組合物的鋁熱炬，其特徵在於，所述鋁熱劑組合物包含10-40%的納米顆粒和50-90%的微米顆粒。2.一種包含鋁熱劑組合物的鋁熱炬，其特徵在於，所述鋁熱劑組合物包含至少10%的納米顆粒，所述組合物具有穩定的燃燒速率，使得當另外加入10%的納米顆粒進行摻混，並形成10%改良的棒，以此進行測試的時候，與鋁熱劑組合物棒的燃燒速率相比，加入10%的組合物製得的棒的燃燒速率提高了10%或更少；在此測試中，兩個棒都是通過以下步驟製造的稱取一定百分含量的納米顆粒粉末；將其裝填入內徑0.5英寸(1.3釐米)的薄壁鋼管內；然後通過翻轉或振動對管子進行攪拌，從而獲得最大的堆積密度。3.如權利要求2所述的鋁熱炬，其特徵在於，所述鋁熱劑組合物包含10-40%的納米顆粒和50-90%的微米顆粒。4.如權利要求1所述的鋁熱炬，其特徵在於，所述鋁熱劑組合物包含至少的O2發生劑。5.如權利要求1所述的鋁熱炬，其特徵在於，所述納米顆粒的粒度為1-100納米，所述微米顆粒的粒度為1-10微米。6.如權利要求5所述的鋁熱炬，其特徵在於，所述鋁熱炬包括把手；鋁熱劑棒，其包含所述鋁熱劑組合物；熱屏蔽罩，其設置在所述把手和所述鋁熱劑棒之間；以及噴嘴，其位於所述鋁熱劑棒的一端。7.如權利要求5所述的鋁熱炬，其特徵在於，所述鋁熱劑組合物不含絲或帶。8.如權利要求5所述的鋁熱炬，其特徵在於，所述鋁熱劑組合物包含10-20%的鋁(Al)以及大約80-90%的金屬氧化物。9.如權利要求5所述的鋁熱炬，其特徵在於，所述鋁熱劑組合物包含至少的氯酸鹽或高氯酸鹽。10.一種鋁熱劑組合物，該組合物包含納米顆粒和微米顆粒的雙峰分布，包含5-70%的納米顆粒，29-94%的微米顆粒，以及至少1%的&發生劑。11.一種鋁熱炬，其包含如權利要求10所述的鋁熱劑組合物。12.—種鋁熱炬，其包括鋁熱劑棒，其與把手相連，把手；其中所述把手包括含有產生A的固體的隔室，以及將所述隔室與所述鋁熱劑棒相連的導管。13.一種焊接或切割金屬的方法，該方法包括點燃如權利要求1所述的炬，使用所述炬釋放出的熔融的金屬對金屬基材進行焊接或切割。14.一種焊接或切割金屬的方法，該方法包括點燃如權利要求11所述的炬，使用所述炬釋放出的熔融的金屬對金屬基材進行焊接或切割。15.一種焊接或切割金屬的方法，該方法包括點燃如權利要求12所述的炬，使用所述炬釋放出的熔融的金屬對金屬基材進行焊接或切割。專利摘要本發明揭示了一種鋁熱炬，其包含鋁熱劑組合物，該組合物由納米尺度顆粒與微米尺度顆粒的雙峰混合物製成。本發明還揭示了一種無容器的放熱炬，該放熱炬包括棒和把手，所述把手中容納有產生氣體的配混物。所述鋁熱炬槍不需要壓縮氣體的容器。由於省去了該容器，減輕了由於存在和使用該容器帶來的危險和後勤負擔，同時不會降低操作性能或切割性能。所述棒可以包含釋放氧氣的化學物質和/或釋放熱量的化學物質的高密度混合物。較佳的是，所述混合物包含密堆積結構的納米尺度顆粒與微米尺度顆粒的雙峰摻混物，以填充間隙空穴。所述槍可以包括引燃模塊和電源，用來引發定向的高溫火焰噴射，以及在將固體化學氧氣發生劑安裝於槍內的時候調節其開/關/開。文檔編號C06B33/00GKCN102123972SQ200980132523公開日2011年7月13日申請日期2009年7月15日發明者J·J·魯瑟,R·W·吉文斯申請人:巴泰勒紀念研究所導出引文BiBTeX,EndNote,RefMan