Energeettisen materiaalin tiheyden kasvattaminen ja lämmönjohtavuuden määrittäminen

Abstract

Energeettisellä materiaalilla tarkoitetaan pyroteknisiä aineita, ajoaineita ja räjähteitä. Niiden molekyylirakenteeseen on sitoutuneena kemiallista energiaa, jota voidaan hyödyntää useilla eri tavoilla. Energeettisen materiaalin tiheys ja lämmönjohtavuus vaikuttavat sen suorituskykyyn ja käyttöominaisuuksiin.

Opinnäytetyön toimeksiantajana toimi Puolustusvoimien tutkimuslaitos. Työn tavoitteena oli kehittää tutkimustyössä käytettäviä työmenetelmiä. Työn tarkoituksena oli laatia kirjallisuuskatsauksiin perustuva toimintaohje, jonka avulla voidaan lisätä energeettisen materiaalin tiheyttä ja määrittää sen lämmönjohtavuus. Kirjallisuudesta tunnistettiin useita eri menetelmiä, joiden soveltuvuutta nykyisiin tutkimusolosuhteisiin arvioitiin.

Tiheyden kasvattamisen menetelmäksi valittiin vaiheittainen puristaminen, jolla pyrittiin minimoimaan puristamisen haitalliset vaikutukset. Ohje luotiin soveltaen metallurgian standardia SFS 3927 2017, jonka avulla laboratoriohenkilökunta voi lisätä tutkimustyössä käytettävien näytteiden tiheyttä. Ohje jäi teoreettiselle tasolle, sillä esimerkkejä pienten näytemäärien puristamisesta ei ollut saatavilla. Lämmönjohtavuuden mittausmenetelmäksi valittiin Modified Transient Plane Source (MTPS) ja laitteeksi C-Therm Trident. Laite mahdollistaa nopean ja tarkan mittauksen pienistä näytemääristä. Toimintaohje laajentaa tutkimuksen työmenetelmiä kattamaan näytteiden lämmönjohtavuuden mittaamisen ja sen käyttökelpoisuus energeettisille aineille on varmistettu valmistajan laiteasiantuntijoilta.

Opinnäytetyön tuloksina ovat toimintaohjeet energeettisen materiaalin tiheyden lisäämiseen ja lämmönjohtavuuden mittaamiseen. Työssä nousi esiin myös kehitysehdotuksia, joista tärkeimpänä puristamisen automatisointi. Jatkotutkimusaiheena nousi esiin anisotropian todellinen vaikutus energeettiseen materiaaliin. Lisäksi vaihtoehtoisia lämmönjohtavuuden mittausmenetelmiä koskevat NATO:n STANAG-standardit olisivat hyödyllinen jatkotutkimuskohde.

This thesis was commissioned by the Finnish Defence Research Agency. The purpose of the thesis was to develop research methods for increasing the density of energetic material samples and measure their thermal conductivity. Moreover, the objective was to create guidance material for the methods. Several methods were identified through a literary review, and their suitability for current research conditions were evaluated.

Incremental pressing was selected as the method for increasing the density, which aims to minimise the adverse effects of pressing. The guidance material was created in accordance with the metallurgy standard SFS 3927 2017, which allows the laboratory personnel to increase the density of the samples used in research. However, due to lack of available examples, the procedure remains at a theoretical level. The selected method for measuring thermal conductivity was the Modified Transient Plane Source (MTPS), which is integrated in the C-Therm Trident device. MTPS is a fast and accurate way of measuring in small sample quantities. The guidance material expands the research to include thermal conductivity measurements, and the applicability for energetic materials has been verified by C-Therm application specialists.

It is suggested that future research should focus on automation of the pressing process and the actual effects of anisotropy on energetic materials. Also reviewing NATO STANG standards related to alternative methods for measuring thermal conductivity on energetic materials would be a beneficial subject for further study.