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착화기용 ZPP의 열분해 특성
Thermal Decomposition Kinetics of ZPP as a Primary Charge of Initiators 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.19 no.5, 2015년, pp.15 - 21  

김준형 (The 4th R&D Institute-1st Directorate, Agency for Defense Development) ,  서태석 (The 4th R&D Institute-1st Directorate, Agency for Defense Development) ,  고승원 (The 4th R&D Institute-1st Directorate, Agency for Defense Development) ,  류병태 (The 4th R&D Institute-1st Directorate, Agency for Defense Development)

초록
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착화기의 1차 점화장약으로 널리 사용되어지고 있는 ZPP(Zirconium/Potassium perchlorate)의 열분해 특성을 differential scanning calorimetry(DSC)를 사용하여 평가하였다. ZPP의 열분해반응에 대한 속도론적 파라미터를 결정하기 위하여, 다른 가열 속도를 갖고 수행된 DSC 결과들을 AKTS사의 Thermokinetics software를 사용하여 분석하였다. 결정된 속도론적 파라미터를 사용하여 계산된 모사값들은 실험적 결과들과 잘 일치함으로써, ZPP의 열분해과정에 대한 속도론적 모사의 유효성을 검증할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The thermal decomposition characteristics of the ZPP(Zirconium/Potassium perchlorate), widely used as a primary charge of initiators, were investigated by differential scanning calorimetry(DSC). The DSC results with different heating rates were elaborated with AKTS-Thermokinetics software for the de...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 ZPP의 열분해 특성을 해석하기 위하여 DSC를 사용한 분석을 수행하였다. 분해반응의 속도론적 파라미터인 A와 E 값을 도출하기 위하여, 등전환법을 사용하는 열분해특성 해석 소프트웨어인 AKTS사의 Thermokinetics Software[9]를 사용하였으며, 이로부터 얻어진 파라미터를 이용하여 ZPP의 열분해특성을 해석하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
ZPP은 무엇으로 구성되어 있는가? 금속연료인 Zirconium(Zr)과 산화제로 사용된 Potassium perchlorate(KClO4)의 혼합체로 구성된 에너지물질인 ZPP는 점화제의 착화를 위한 열량을 제공할 수 있을 뿐만이 아니라, 1A/1W 비점화 electro-explosive devices(EEDS) 조건을 만족하는 안정적인 특성으로 군사적 및 상업적용도의 착화제로서 널리 사용되어지고 있다[1,2]. ZPP와 같이 금속연료와 산화제로 구성된 혼합체의 열분해특성은 사용되어지는 입자들의 물리적 특성뿐만이 아니라 구성 성분들의 조성적 변화에도 많은 영향을 받는 것으로 알려져 있으며, 이러한 특성변화를 연구하기 위하여 differential scanning calorimetry(DSC)와 thermogravimetry (TG)같은 열분석장비들이 폭넓게 이용되어지고 있다[3,4].
ZPP는 300℃에서 어떠한 상전이현상이 일어나는가? Fig. 3은 8℃/min의 가열조건에서 측정된 ZPP 의 DSC 결과로서, 온도가 증가함에 따라 약 300℃에서 KClO4의 결정구조가 rhombic에서 cubic 으로 전환되는 고체상내에서의 흡열 상전이 특성[6]을 보여주고 있다. ZPP는 이러한 상전이현상을 거친 후 약 400℃와 500℃ 부근에서 각각의 피크를 갖는 다단계 구조로 분해되는 특성을 나타내고 있다.
ZPP와 같이 금속연료와 산화제로 구성된 혼합체의 열분해특성에 영향을 주는 요소는 무엇인가? 금속연료인 Zirconium(Zr)과 산화제로 사용된 Potassium perchlorate(KClO4)의 혼합체로 구성된 에너지물질인 ZPP는 점화제의 착화를 위한 열량을 제공할 수 있을 뿐만이 아니라, 1A/1W 비점화 electro-explosive devices(EEDS) 조건을 만족하는 안정적인 특성으로 군사적 및 상업적용도의 착화제로서 널리 사용되어지고 있다[1,2]. ZPP와 같이 금속연료와 산화제로 구성된 혼합체의 열분해특성은 사용되어지는 입자들의 물리적 특성뿐만이 아니라 구성 성분들의 조성적 변화에도 많은 영향을 받는 것으로 알려져 있으며, 이러한 특성변화를 연구하기 위하여 differential scanning calorimetry(DSC)와 thermogravimetry (TG)같은 열분석장비들이 폭넓게 이용되어지고 있다[3,4].
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참고문헌 (17)

  1. Jackson, C.H., "Zirconium Composition with Potassium Perchlorate and Graphite," US Patent No. 3291665, Dec. 1966. 

  2. Lee, J.S. and Hsu, C.K., "The Effect of Different Zirconium on Thermal Behaviors for Zr/KClO4 Priming Composition," Thermochimica Acta, Vol. 367-368, pp. 375-379, 2001. 

  3. Freeman, E. S., Hogan, V.D. and Anderson, D.A., "Effects of Changes in Chemical Reactivity and Decomposition Characteristics of Potassium Perchlorate on the Thermal Ignition of Magnesium - Potassium Perchlorate Mixtures," Combustion and Flame, Vol. 9, Issue 1, pp. 19-23, 1965. 

  4. Pourmortazavi, S.M., Fathollahi, M., Hajimirsadeghi, S.S. and Hosseini, S.G., "Thermal Behavior of Aluminum Powder and Potassium Perchlorate Mixtures by DTA and TG," Thermochimica Acta, Vol. 443, Issue 1, pp. 129-131, 2006. 

  5. Criado, J.M., Malek, J. and Ortega, A., "Applicability of the Master Plots in Kinetic Analysis of Non-Isothermal Data," Thermochimica Acta, Vol. 147, Issue 2, pp. 377-385, 1989. 

  6. Roduit, B., Xia, L., Folly, P., Berger, B., Mathieu, J., Sarbach, A., Andres, H., Ramin, M., Voelsanger, B., Spitzer, D., Moulard, H. and Dilhan, D., "The Simulation of the Thermal Behavior of Energetic Materials based on DSC and HFC Signals," Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 93, No. 1, pp. 143-152, 2008. 

  7. Friedman, H.L., "Kinetics of Thermal Degradation of Char-forming Plastics from Thermogravimetry. Application to a Phenolic Plastic," Journal of Polymer Science Part C: Polymer Symposia, Vol. 6, Issue 1, pp. 183-195, 1964. 

  8. Roduit, B., Dermaut, W., Lunghi, A., Folly, P., Berger, B. and Sarbach, A., "Advanced Kinetics-Based Simulation of Time to Maximum Rate under Adiabatic Conditions," Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 93, No. 1, pp. 163-173, 2008. 

  9. AKTS, "AKTS-Thermokinetics," World Wide Web location http://www.akts.com/, Sep. 2015. 

  10. Gordon, S. and MaBride, B.J., "Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications," NASA RP-1311, 1994. 

  11. Friedman, R., A History of Jet Propulsion, Including Rockets, Xlibris Corporation, Bloomington, Ind., U.S.A., 2010. 

  12. Berger, B., "Characterization of the Zirconium/Potassium Perchlorate/Nitrocellulose Pyrotechnic System by Simultaneous Thermogravimetry- Differential Thermal Analysis - Mass Spectrometry," Propellants Explosives Pyrotechnics., Vol. 20, Issue 5, pp. 266-272, 1995. 

  13. Lee, J.S., Hsu, C.K. and Jaw, K.S., "The Thermal Properties of $KClO_4$ with Different Particle Size," Thermochimica Acta, Vol. 367-368, pp. 381-385, 2001. 

  14. Kang, X., Zhang, J., Zhang, Q., Du, K. and Tang, Y., "Studies on Ignition and Afterburning Process of KClO4/Mg Pyrotechnics Heated in Air," Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 109, Issue 3, pp. 1333-1340, 2012. 

  15. Pourmortazavi, S.M., Hosseini, S.G., Hajimirsadeghi, S.S. and Alamdari, R.F., "Investigation on Thermal Analysis of Binary Zirconium/Oxidant Pyrotechnic Systems," Combustion Science and Technology, Vol. 180, Issue 12, pp. 2093-2102, 2008. 

  16. Yang, L.C., "Effects of Fuel Particle Size and Impurity on Solid-to-Solid Pyrotechnic Reaction Rate", 47th AIAA/ASME /SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, San Diego, C.A., U.S.A., AIAA 2011-5581, Aug. 2011. 

  17. Durgapa, U.C., Dizit, A.S. and Sarawaderkar, R.G., "Study of Zirconium-Potassium Perchlorate Pyrotechnic System", 13th Proceedings of the International Pyrotechnics Seminars, Grand Junction, C.O., U.S.A., pp. 209-225, July 1988. 

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