إعداد والتفاعلية من Gasless ذات البنية النانومترية المواد الطاقوية
Summary
يصف هذا البروتوكول إعداد gasless ذات البنية النانومترية المواد النشيطة (ني + القاعدة، تا + C، C + تي) باستخدام الكرة قصيرة الأجل عالية الطاقة طحن (HEBM) تقنية. كما يصف عالية السرعة طريقة التصوير الحراري لدراسة التفاعل من nanocomposites ملفقة ميكانيكيا. هذه البروتوكولات يمكن أن تمتد إلى أخرى ذات البنية النانومترية رد الفعل مواد حيوية.
Abstract
عالية الطاقة الكرة طحن (HEBM) هو عملية الطحن الكرة حيث يخضع خليط بودرة توضع في مطحنة الكرة لالاصطدامات عالية الطاقة من الكرات. ومن بين التطبيقات الأخرى، بل هو تقنية متعددة الاستعمالات التي تسمح للإعداد الفعال للgasless المواد ذات البنية النانومترية رد الفعل مع ارتفاع كثافة الطاقة لكل وحدة التخزين (ني + القاعدة، تا + C، C + تي). التحولات الهيكلية وسائل الإعلام التفاعلية، التي تجري خلال HEBM، تحدد آلية رد الفعل في المركبة حيوية المنتجة. متفاوتة ظروف التصنيع يسمح ضبط من المجهرية التي يسببها الطحن من الجزيئات المركبة ملفقة. في المقابل، فإن التفاعل، أي درجة حرارة الاشتعال الذاتي، والوقت تأخير الإشعال، وكذلك حركية التفاعل، مواد ارتفاع كثافة الطاقة تعتمد على المجهرية لها. تحليل المجهرية التي يسببها الطحن تشير إلى أن تشكيل الحميمة اتصالات منطقة جديدة خالية من الأكسجين سطح عال بين الكواشف طليالي مسؤولة عن تعزيز التفاعل بهم. هذا يتجلى في الحد من درجة حرارة الاشتعال وتأخير الوقت، زيادة معدل التفاعل الكيميائي، وانخفاض عام للطاقة التنشيط فعالة للتفاعل. وينص البروتوكول على وصف مفصل لإعداد nanocomposites رد الفعل مع المجهرية مصممة باستخدام طريقة HEBM على المدى القصير. كما يصف عالية السرعة تقنية التصوير الحراري لتحديد خصائص اشتعال / احتراق المواد النشطة. بروتوكول يمكن تكييفها لإعداد وتوصيف مجموعة متنوعة من المركبات النشطة ذات البنية النانومترية.
Introduction
المواد النشيطة الكلاسيكية، أي المتفجرات، والدواسر والألعاب النارية هي فئة من المواد مع كمية عالية من الطاقة الكيميائية المخزنة التي يمكن أن تنطلق خلال تفاعل طارد للحرارة السريع 1-5. على سبيل المثال، يتم إنشاؤها عادة المتفجرات عن طريق الجمع بين مجموعة الوقود والمؤكسد إلى جزيء واحد. كثافة الطاقة من هذه المواد مرتفعة جدا. على سبيل المثال، عند التحلل التراينيتروتولوين (TNT) يطلق 7.22 كج / سم 3 وتشكل 8.36 مولات الغازات لكل 100 غرام (الجدول 1) في فترة قصيرة جدا من الزمن. وتتكون هذه المواد من الأنواع ميكرومتر نطاق العضوية وغير العضوية (الوقود والمؤكسدات).
أنظمة الثيرمايت، حيث تأخذ ردود الفعل في الفترة ما بين مجمع غير العضوية، أي خفض المعادن (على سبيل المثال، آل) وأكاسيد (الحديد 2 O 3، CUO، بي 2 O 3)، تنتمي إلى نوع آخر من المواد النشيطة. كثافة الطاقة(15-21 كج / سم 3) من هذه النظم يفوق من مادة تي ان تي، ولكن كمية من منتجات الغاز (0،15-،6 الشامات لكل 100 غرام) هو عادة أقل بكثير من المتفجرات (الجدول 1). أيضا، يمكن للنانو thermites تظهر سرعة عالية للغاية من موجة احتراق الانتشار (> 1،000 متر / ثانية) 2 -5.
وقد تبين مؤخرا 6-12 أن عددا من gasless النظم التفاعلية غير متجانسة (ني + القاعدة، تي + C، تي + B) التي تشكل مركبات السبائك أو صهر ويمكن أيضا أن تعتبر مواد حيوية. كثافة الطاقة (كيلو جول / سم 3) من هذه النظم هي أقرب أو أعلى من مادة تي ان تي (الجدول 1). وفي الوقت نفسه، عدم وجود منتجات الغاز خلال رد فعل يجعل هذه المواد المرشحين ممتازة لمجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك تركيب المواد النانوية، والترابط رد الفعل من صهر وأجزاء متباينة، gasless مولدات الكهرباء الصغيرة، الخ 11-17. ومع ذلك، فإن يختلطدرجة حرارة الاشتعال عالية atively من تلك النظم (900-3،000 K، انظر الجدول 1) مقارنة thermites (~ 1،000 K) يعرقل تطبيقاتها. إعداد المركبة ذات البنية النانومترية هندسيا يمكن أن يعزز بشكل كبير من الاشتعال والاحتراق خصائص الأنظمة غير المتجانسة gasless 12-14، 17.
وقد تم تطوير العديد من الطرق لافتعال nanocomposites حيوية هندسيا، مثل الموجات فوق الصوتية خلط 18،19 والنهج التجميع الذاتي 5، سول-جل 20-22، وتقنيات ترسب البخار 16،17،23،24، فضلا عن الطاقة العالية طحن الكرة (HEBM) 1،5. وعيب خلط بالموجات فوق الصوتية من نانو مسحوق هو أن سميكة (5-10 نانومتر) أكسيد قذيفة على الجسيمات النانوية المعدنية يقلل كثافة الطاقة ويحط أداء احتراق خليط من رد الفعل. أيضا، وتوزيع الوقود والمؤكسد ليست موحدة، والاتصال البيني بين الكواشف ليست حميمة. سول-جل ووقد وضعت استراتيجيات التجميع الذاتي التطوير لإعداد nanocomposites الثيرمايت محددة. على الرغم من كونها تقنيات منخفضة التكلفة، وهذه الاستراتيجيات ليست خضراء من وجهة النظر البيئية. وعلاوة على ذلك، يتم إدخال كميات كبيرة من الشوائب في إعداد المواد المركبة. يستخدم ترسب البخار أو المغنطرون الاخرق لإعداد رد الفعل رقائق متعددة الطبقات والأساسية قذيفة المواد النشيطة. وهو يوفر الهندسة واضحة المعالم خالية من المسام من المواد المركبة التي تبسط النمذجة النظرية ويعزز دقة. ومع ذلك، هذه التقنية مكلفة وصعبة لرفع مستوى. وعلاوة على ذلك، فإن الطبقات nanocomposites أعد غير مستقرة في ظروف معينة.
عالية الطاقة الكرة طحن (HEBM) هو نهج صديقة للبيئة، قابلة بسهولة أن يسمح تلفيق الفعال للذات البنية النانومترية المركبة حيوية 5، 9 -14. HEBM غير مكلفة، ويمكن استخدامها مع مختلف مكونات المواد المتفاعلة (على سبيل المثال،rmites، وردود الفعل التي تشكل intermetallics، كربيد، borides، وما إلى ذلك).
وينص البروتوكول على وصف مفصل لإعداد رد الفعل حيوية (ني + القاعدة، تي + C، C + تا) nanocomposites مع المجهرية مصممة باستخدام أسلوب HEBM على المدى القصير. كما يصف عالية السرعة تقنية التصوير الحراري لتحديد خصائص اشتعال / احتراق المواد النشيطة كما التجهيز. وأخيرا فإنه يدل على تحليل البنية المجهرية للnanocomposites باستخدام حقل الانبعاث الضوئي المجهر الإلكتروني (FESEM) مجهزة من قبل المركزة ايون الشعاع (فيبوناتشي). بروتوكول هو دليل مهم لإعداد المواد النانوية مختلفة حيوية (gasless وأنظمة الثيرمايت) التي يمكن استخدامها كمصادر الكثافة إما عالية الطاقة أو لتخليق وتجهيز المواد النانوية المتقدمة التي كتبها النهج القائم على الاحتراق.
Protocol
Representative Results
Discussion
وينص البروتوكول على وصف مفصل لإعداد رد الفعل حيوية (تي + C، C + تا، ني + آل) nanocomposites مع المجهرية مصممة باستخدام أسلوب HEBM على المدى القصير. HEBM مخاليط متجانسة gasless إشراك معالجتها في عالية السرعة طاحونة الكرة الكواكب، حيث تتعرض الجزيئات من الخليط إلى تأثير الميكانيكية مع قو?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This material is based upon work supported by the Department of Energy, National Nuclear Security Administration, under Award Number DE-NA0002377. Funding from the Defense Threat Reduction Agency (DTRA), Grant Number HDTRA1-10-1-0119. Counter-WMD basic research program, Dr. Suhithi M. Peiris, program director is gratefully acknowledged. This work was also supported by the Ministry of Education and Science and Education of the Russian Federation in the framework of Increase Competitiveness Program of NUST “MISIS” grant No. K2-2014-001.
Materials
| Titanium | Alfa Aesar | 42624 | Particle size: -325 mesh | Purity, 99.5% |
| Graphite | Alfa Aesar | 46304 | Particle size: 7-11 micron | Purity, 99% |
| Nickel | Alfa Aesar | 10256 | Particle size: 3-7 micron | Purity, 99.9% |
| Aluminum | Alfa Aesar | 11067 | Particle size: -325 mesh | Purity, 99.5% |
| Tantalum | Materion advanced chemicals | T-2017 | Particle size: 325 mesh | Purity, 99.9% |
| Carbon lampblack | Fisher scientific | C198-500 | Particle size: 0.1 micron | Purity, 99.9% |
| Tungsten wire | Mcmaster Carr | n/a | 0.032" diameter | n/a |
| Planetary Ball Mill | Retsch GmbH, Germany | n/a | n/a | n/a |
| Uniaxial press | Carver Hydraulic | n/a | n/a | n/a |
| Sieve shaker | Gilson performer | n/a | 5mm diameter | n/a |
| Cylindrical stainless steel press die | Action Machine | n/a | n/a | n/a |
| Stainless steel sieves | Mcmaster Carr | Type 304 | n/a | n/a |
| High-speed thermal camera (SC6000) | FLIR | n/a | n/a | n/a |
| Helios NanoLab 600, Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM) Equipped by Focus Ion Beam (FIB) | FEI | n/a | n/a | n/a |
| Cylindrical reactor with a vacuum pomp | Action Machine | n/a | n/a | n/a |
| Autoslice and View (S&V) | FEI | n/a | n/a | n/a |
| Avizo Fire | FEI | n/a | n/a | n/a |
References
- Fried, L. E., Manaa, M. R., Pagoria, P. F., Simpson, R. L. Design and Synthesis of Energetic Materials. Annual Review of Materials Research. 31, 291-321 (2001).
- Dlott, D. D. Thinking Big (and Small) about Energetic Materials. Materials Science and Technology. 22 (4), 463-473 (2006).
- Dreizin, E. L. Metal-Based Reactive Nanomaterials. Progress in Energy and Combustion Science. 35 (2), 141-167 (2009).
- Yetter, R. A., Risha, G. A., Son, S. F. Metal Particle Combustion and Nanotechnology. Proceedings of the Combustion Institute. 32 (2), 1819-1838 (2009).
- Zhou, X., Torabi, M., Lu, J., Shen, R., Zhang, Z. Nanostructured Energetic Composites: Synthesis, Ignition/Combustion Modeling, and Applications. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (5), 3058-3074 (2014).
- Mann, A. B., et al. Modeling and Characterizing the Propagation Velocity of Exothermic Reactions in Multilayer Foils. Journal of Applied Physics. 82 (3), 1178 (1997).
- Jayaraman, S., Mann, A. B., Reiss, M., Weihs, T. P., Knio, O. M. Numerical Study of the Effect of Heat Losses on Self-Propagating Reactions in Multilayer Foils. Combustion and Flame. 124 (1-2), 178-194 (2001).
- Rogachev, A. S. Exothermic Reaction Waves in Multilayer Nanofilms. Russian Chemical Reviews. 77 (1), 21-37 (2008).
- White, J. D. E., Reeves, R. V., Son, S. F., Mukasyan, A. S. Thermal Explosion in Al-Ni System: Influence of Mechanical Activation. The Journal of Physical Chemistry A. 113 (48), 13541-13547 (2009).
- Shteinberg, A. S., Lin, Y. -. C., Son, S. F., Mukasyan, A. S. Kinetics of High Temperature Reaction in Ni-Al System: Influence of Mechanical Activation. The Journal of Physical Chemistry A. 114 (20), 6111-6116 (2010).
- Manukyan, K. V., Lin, Y. L., Rouvimov, S., McGinn, P. J., Mukasyan, A. S. Microstructure-reactivity relationship of Ti reactive nanomaterials. Journal of Applied Physics. 113 (2), 024302 (2013).
- Mukasyan, A. S., Lin, Y. C., Rogachev, A. S., Moskovskikh, D. M. Direct Combustion Synthesis of Silicon Carbide Nanopowder from the Elements. Journal of the American Ceramic Society. 96 (1), 111-117 (2013).
- Lin, Y. C., Nepapushev, A. A., McGinn, P. J., Rogachev, A. S., Mukasyan, A. S. Combustion joining of carbon/carbon composites by a reactive mixture of titanium and mechanically activated nickel/aluminum powders. Ceramics International. 39 (7), 7499-7505 (2013).
- Manukyan, K. V., et al. Tailored Reactivity of Ni+AlNanocomposites: Microstructural Correlations. The Journal of Physical Chemistry C. 116 (39), 21027-21038 (2012).
- Qiu, X., Wang, J. Bonding Silicon Wafers with Reactive Multilayer Foils. Sensors and Actuators A. 141 (2), 476-481 (2008).
- Wang, J., et al. Joining of Stainless-Steel Specimens with Nanostructured Al/Ni Foils. Journal of Applied Physics. 95 (1), 248-256 (2004).
- Rogachev, A. S., Mukasyan, A. S. Combustion of Heterogeneous Nanostructural Systems (Review). Combustion, Explosion, and Shock Waves. (Engl. Transl). 46 (3), 243-266 (2010).
- Granier, J. J., Pantoya, M. L. Laser Ignition of Nanocomposite Thermites). Combustion and Flame. 138 (4), 373-383 (2004).
- Bockmon, B. S., Pantoya, M. L., Son, S. F., Asay, B. W., Mang, J. T. Combustion Velocities and Propagation Mechanisms of Metastable Interstitial Composites. Journal of Applied Physics. 98 (6), 064903-064907 (2005).
- Tillotson, T. M., et al. Nanostructured Energetic Materials Using Sol−Gel Methodologies. Journal of Non-Crystalline Solids. 285 (1-3), 338-345 (2001).
- Cervantes, O. G., Kuntz, J. D., Gash, A. E., Munir, Z. A. Heat of Combustion of Tantalum−Tungsten Oxide Thermite Composites. Combustion and Flame. 157 (12), 2326-2332 (2010).
- Leventis, N., Chandrasekaran, N., Sadekar, A. G., Sotiriou-Leventis, C., Lu, H. One-Pot Synthesis of Interpenetrating Inorganic/Organic Networks of CuO/Resorcinol-Formaldehyde Aerogels: Nanostructured Energetic Materials. Journal of the American Chemical Society. 131 (13), 4576-4577 (2009).
- Zhang, K., Rossi, C., Ardila Rodriguez, G. A., Tenailleau, C., Alphonse, P. Development of a Nano-Al/CuO Based Energetic Material on Silicon Substrate. Applied Physics Letters. 91 (11), 113117-113113 (2007).
- Xu, D., Yang, Y., Cheng, H., Li, Y. Y., Zhang, K. Integration of Nano-Al with Co3O4Nanorods to Realize High-Exothermic Core-Shell Nanoenergetic Materials on a Silicon Substrate. Combustion and Flame. 159 (6), 2202-2209 (2012).
- Shearing, P. R., et al. Exploring Microstructural Changes Assicuated with Oxidation in Ni-YSZ SOFC Electrodes Using High Resolution X-ray Computed Tomography. Solid State Ionics. 216 (28), 69-72 (2012).
- Bacciochini, A., Bourdon-Lafleur, S., Poupart, C., Radulescu, M., Ni-Al, J. o. d. o. i. n. B. Nanoscale Energetic Materials: Phenomena Involved During the Manufacturing of Bulk Samples by Cold Spray. Journal of Thermal Spray Technology. In press, (2014).
