Терми́тная смесь (терми́т — химический, технический) (от — жар, тепло) — порошкообразная смесь алюминия (реже магния) с оксидами различных металлов (обычно железа).
При воспламенении интенсивно сгорает с выделением большого количества тепла. Обычно имеет температуру горения 2300—2700 °C, а в случае применения более сильных окислителей, таких как оксиды никеля, хрома или вольфрама, — значительно выше. Смесь поджигают специальным запалом (смесь пероксида бария, магния и натрия). Количественное соотношение компонентов смеси определяется стехиометрическим соотношением. Наиболее распространён железоалюминиевый термит: Fe2O3 (чаще — ржавчина)=75 %; Al = 25 % (содержащий прокалённую окалину или богатую железную руду). Температура воспламенения такого термита около 1300 °C (запальной смеси 800 °C); образующиеся железо и шлак нагреваются до 2400 °C. Иногда в состав железного термита вводят железную обсечку, легирующие присадки и флюсы. Процесс проводят в магнезитовом тигле. Имеются термиты для сварки телефонных и телеграфных проводов, а также проводов линий электропередачи. В военной технике термит используют в качестве зажигательных составов. В производстве ферросплавов термит с добавлением флюсов называется шихтой.
Варианты состава Теоретически, термитная смесь может состоять из различных металлов, способных служить топливом, и окислителей. Алюминий получил широкое распространение из-за очевидных преимуществ: самый дешёвый из металлов с высокой реакционной способностью. Например, в декабре 2014 года олово стоило 19 829 $/т, цинк — 2180 $/т, а алюминий — 1910 $/т; образует пассивирующий слой, делающий его более безопасным в обращении, чем со многими другими химически активными металлами; относительно низкая температура плавления (660 °C) означает, что металл легко расплавляется, поэтому реакция может происходить в основном в жидкой фазе, поэтому она протекает довольно быстро. высокая температура кипения (2519 °C) позволяет реакции достигать очень высоких температур, поскольку некоторые процессы имеют тенденцию ограничивать максимальную температуру чуть ниже точки кипения. Такая высокая температура кипения характерна для переходных металлов (например, железо и медь кипят при 2887 и 2582 °C, соответственно), но особенно необычна среди высокореактивных металлов (магний и натрий, которые кипят при 1090 и 883 °C соответственно); низкая плотность оксида алюминия, образующегося в результате реакции, имеет тенденцию оставлять его плавающим на образующемся чистом металле. Это особенно важно для уменьшения загрязнения сварного шва.
Наиболее распространёнными и доступными окислителями служат оксиды железа, которые применяются в смеси с различными металлами: Mg (31 %) + Fe2O3 (69 %); Ca (43 %) + Fe2O3 (57 %); Ti (31 %) + Fe2O3 (69 %); Si (21 %) + Fe2O3 (79 %).
В лабораторных условиях в качестве окислителя может служить даже сухой лёд (твёрдый диоксид углерода). В зажигательных составах могут применяться бескислородные окислители — фторополимеры, примером служит смесь магний+тефлон+витон (MTV).
Примеры термитно-зажигательных составов: Ba(NO3)2 (26 %) + Fe3O4 (50 %) + Al (24 %); Ba(NO3)2 (37.5 %) + Al (26.5 %) + уголь (3 %) + связующие вещества типа шеллака (23 %); Fe2O3 (21 %) + Al (13 %) + Ba(NO3)2 (44 %) + KNO3 (6 %) + Mg или Fe (12 %) + связующие вещества (4 %).
Железный термит Самый распространенный состав — железный термит.В качестве окислителя обычно используется оксид железа (III) или оксид железа (II, III). Первый производит больше тепла. Последний легче воспламеняется, вероятно, из-за кристаллической структуры оксида. Добавление оксидов меди или марганца может значительно облегчить воспламенение. Плотность приготовленного термита часто составляет всего 0,7 г/см³. Это, в свою очередь, приводит к относительно низкой плотности энергии (около 3 кДж/см³), быстрому горению и разбрызгиванию расплавленного железа из-за расширения захваченного воздуха. Термит можно прессовать до плотности 4,9 г/см³ (почти 16 кДж/см³) при низких скоростях горения (около 1 см/с). Прессованный термит имеет более высокую способность плавления, то есть он может расплавить стальную чашку там, где термит с низкой плотностью выйдет из строя. Железный термит с добавками или без них можно прессовать в режущие устройства, имеющие термостойкий корпус и сопло. Кислородно-сбалансированный железный термит 2Al + Fe2O3 имеет теоретическую максимальную плотность 4,175 г/см³, температуру адиабатического горения 3135 K или 2862 °C или 5183 °F (с включенными фазовыми переходами, ограниченными железом, которое кипит при 3135 K), алюминий оксид (кратковременно) расплавлен, и произведенное железо в основном жидкое, часть его находится в газообразной форме — образуется 78,4 г паров железа на 1 кг термита. Энергосодержание составляет 945,4 кал/г (3 956 Дж/г). Плотность энергии составляет 16 516 Дж/см³.
В исходной смеси в том виде, в котором она была изобретена, использовался оксид железа в виде прокатной окалины. Состав было очень сложно зажечь
Медный термит Медный термит может быть получен из оксида меди (I) (Cu2O, красный) или оксида меди (II) (CuO, чёрный). Скорость горения обычно очень высокая, а температура плавления меди относительно низкая, поэтому в результате реакции образуется значительное количество расплавленной меди за очень короткое время. Реакции термитов меди (II) могут быть настолько быстрыми, что их можно рассматривать как разновидность мгновенного горения, то есть взрыв, в результате которого на значительные расстояния разлетятся брызги медных капель. Кислородно-сбалансированная смесь имеет теоретическую максимальную плотность 5,109 г/см³, температуру адиабатического пламени 2843 К (включая фазовые переходы) с оксидом алюминия в расплавленном состоянии и медью как в жидкой, так и в газообразной форме. На 1 кг этого термита образуется 343 г паров меди. Энергосодержание составляет 974 кал/г.
Термит меди (I) используется в промышленности, например, при сварке толстых медных проводников (сварка вручную). Этот вид сварки оценивается также для сращивания кабелей на флоте ВМС США для использования в сильноточных системах, например, в электрических силовых установках. Сбалансированная по кислороду смесь имеет теоретическую максимальную плотность 5,280 г/см³, температуру адиабатического пламени 2843 К (включая фазовые переходы) с расплавленным оксидом алюминия и медью как в жидкой, так и в газообразной форме. На 1 кг этого термита образуется 77,6 г паров меди. Энергетическая ценность 575,5 кал/г.
Терматы Терматный состав представляет собой термит, обогащенный окислителем на основе соли (обычно нитратами, например, нитратом бария — Ba(NO3)2 или пероксидами). В отличие от термитов, терматы горят с выделением пламени и газов. Присутствие окислителя облегчает воспламенение смеси и улучшает проникновение в цель горящим составом, поскольку выделяющийся газ выбрасывает расплавленный шлак и обеспечивает механическое перемешивание. Этот механизм делает термат более подходящим, чем термит, для зажигательных целей и для аварийного разрушения чувствительного оборудования (например, криптографических устройств), поскольку эффект термитов более локализован.
Зажигание Металлы в правильных условиях горят так же, как дерево или бензин. (Фактически, ржавчина является результатом окисления стали или железа с очень низкой скоростью.) Термитная реакция возникает, когда правильные смеси металлических топлив объединяются и воспламеняются. Само зажигание требует чрезвычайно высоких температур.
Для зажигания термитной реакции обычно требуется бенгальский огонь или легко доступная магниевая лента, но могут потребоваться постоянные усилия, поскольку зажигание может быть ненадежным и непредсказуемым. Эти температуры не могут быть достигнуты с помощью обычных взрывателей из чёрного пороха, нитроцеллюлозных стержней, детонаторов, пиротехнических инициаторов или других распространенных воспламеняющих веществ. Даже когда термит достаточно горячий, чтобы светиться ярко-красным, он не воспламеняется, так как он должен быть раскаленным добела, чтобы инициировать реакцию.
Часто полосы металлического магния используются в качестве предохранителей. Поскольку металлы горят без выделения охлаждающих газов, они потенциально могут гореть при очень высоких температурах. Химически активные металлы, такие как магний, могут легко достигать температуры, достаточной для воспламенения термитов. Магниевое зажигание остается популярным среди любителей термитов, главным образом потому, что его легко получить, но кусок горящей полосы может упасть в смесь, что приведет к преждевременному возгоранию.
Реакция между перманганатом калия и глицерином или этиленгликолем используется как альтернатива магниевому методу. Когда эти два вещества смешиваются, начинается самопроизвольная реакция, при которой температура смеси медленно повышается, пока не образуется пламя. Тепла, выделяемого при окислении глицерина, достаточно, чтобы инициировать термитную реакцию.
Помимо зажигания магнием, некоторые любители также предпочитают использовать бенгальские огни для зажигания термитной смеси. Они достигают необходимой температуры и обеспечивают достаточно времени, прежде чем точка горения достигнет образца. Это может быть опасным методом, так как искры железа, как и полосы магния, горят при тысячах градусов и могут воспламенить термит, хотя сам бенгальский огонь не контактирует с ним. Это особенно опасно с мелко измельченным термитом.
Спичковые головки горят достаточно горячо, чтобы зажечь термит. Возможно использование спичечных головок, обернутых алюминиевой фольгой, и достаточно длинной вязкоплавкой/электрической спички, ведущей к спичечным головкам.
Точно так же мелкодисперсный термит можно зажечь от кремнёвой искровой зажигалки, так как искры — это горящий металл (в данном случае высокореакционные редкоземельные металлы лантан и церий). Поэтому использовать зажигалку рядом с термитом небезопасно.
Гражданское использование Реакции термитов имеют множество применений. Это не взрывчатое вещество; вместо этого он работает, подвергая очень небольшую площадь воздействию чрезвычайно высоких температур. Сильное тепло, сфокусированное на небольшом пятне, можно использовать для прорезания металла или сварки металлических компонентов вместе, как путем плавления металла из компонентов, так и путем впрыскивания расплавленного металла из самой термитной реакции.
Термит может использоваться для ремонта путем сварки вместо толстых стальных профилей, таких как рамы осей локомотивов, где ремонт может производиться без снятия детали с места её установки.
Термит может использоваться для быстрой резки или сварки стали, например рельсовых путей, без использования сложного или тяжелого оборудования. Однако в таких сварных соединениях часто присутствуют дефекты, такие как включения шлака и пустоты (отверстия), поэтому для успешного проведения процесса требуется большая осторожность. К численному анализу термитной сварки рельсов подошли аналогично анализу охлаждения отливки. Как анализ методом конечных элементов, так и экспериментальный анализ сварных швов термитных рельсов показали, что сварной зазор является наиболее важным параметром, влияющим на образование дефектов. Было показано, что увеличение сварного зазора снижает образование усадочных полостей и дефектов сварки внахлест, а увеличение предварительного нагрева и температуры термитов дополнительно снижает эти дефекты. Однако уменьшение этих дефектов способствует возникновению второй формы дефекта: микропористости. Также необходимо позаботиться о том, чтобы рельсы оставались прямыми, не вызывая перекосов, которые могут вызвать износ на высоких скоростях и в линиях большой нагрузки на ось.