Préparation et réactivité des matériaux nanostructurés énergétiques sans gaz

Matériaux énergétiques classiques, ce est à dire, des explosifs, des propulseurs et des pièces pyrotechniques sont une classe de matériau avec une grande quantité d'énergie chimique stockée qui peut être libéré lors de la réaction exothermique rapide _^1-5. Par exemple, les explosifs sont généralement produites en combinant les groupes de carburant et comburant dans une molécule. La densité d'énergie de ces matériaux est très élevé. Par exemple, lors de la décomposition de trinitrotoluène (TNT) libère 7,22 kJ / cm ³ et 8,36 moles forme de gaz par 100 g (tableau 1) en une très courte période de temps. Ces matériaux sont composés d'espèces micromètre échelle organiques et inorganiques (combustibles et d'oxydants).

Systèmes thermite, où les réactions ont lieu entre le composé inorganique, à savoir, la réduction des métaux (par exemple, Al) et des oxydes (Fe ₂ O _3, CuO, Bi ₂ O _3), appartiennent à un autre type de matériaux énergétiques. La densité d'énergie(15 à 21 kJ / cm ³⁾ de tels systèmes est supérieure à celle du TNT, mais la quantité de produits de gaz (0,15 à 0,6 mole par 100 g) est généralement beaucoup plus faible que pour les explosifs (tableau 1). En outre, les nano-thermite peuvent montrer très grande vitesse de propagation de l'onde de combustion (> 1000 m / sec) ^{2 -5.}

Il a été récemment montré que ^{de 6 à 12} un certain nombre de systèmes hétérogènes sans gaz réactifs (Ni + Al, Ti + C, Ti + B) qui forment des composés intermétalliques réfractaires ou pourrait également être considérées comme des matières énergétiques. Les densités d'énergie (kJ / cm ³⁾ de ces systèmes sont plus proches ou plus élevée que celle de TNT (tableau 1). Dans le même temps, l'absence de produits gazeux lors de la réaction de tels matériaux permet d'excellents candidats pour une variété d'applications y compris la synthèse de nanomatériaux, réactif de liaison et les pièces réfractaires différents, sans gaz générateurs de puissance micro, etc. ^11-17. Cependant, le reltempérature d'allumage tivement élevé de ces systèmes (900-3,000 K, voir le tableau 1) par rapport à thermites (~ 1000 K) entrave leurs applications. La préparation de composites nanostructurés ingénierie pourrait améliorer considérablement les caractéristiques d'allumage et de combustion de systèmes hétérogènes sans gaz ^{de 12 à 14, 17.}

De nombreux procédés ont été développés pour fabriquer des nanocomposites énergétiques, telles que modifiées par ultrasons mélange ^18,19, auto-assemblage ⁵ se approche, sol-gel ^{de 20 à 22,} les techniques de dépôt en phase vapeur ^16,17,23,24, ainsi que des hautes énergies broyage à boulets (HEBM) ^1,5. L'inconvénient de mélange par ultrasons suivant la nano-poudre est qu'un (5-10 nm) d'oxyde épais coquille sur les nanoparticules de métal réduit la densité d'énergie et dégrade les performances de combustion de mélanges réactifs. En outre, la distribution de carburant et d'oxydant ne est pas uniforme, et le contact interfacial entre des réactifs ne est pas intime. Sol-gel d'uned stratégies d'auto-assemblage ont été développés pour la préparation de nanocomposites thermite spécifiques. En dépit d'être techniques à faible coût, ces stratégies ne sont pas verts à partir d'un point de vue environnemental. En outre, de grandes quantités d'impuretés sont introduites dans les composites préparés. Dépôt en phase vapeur ou pulvérisation magnétron est utilisé pour préparer des feuilles multicouches réactifs et matériaux énergétiques core-shell. Il fournit une géométrie bien définie et sans pores des matériaux composites qui simplifie la modélisation théorique et améliore la précision. Cependant, cette technologie est chère et difficile à grande échelle. En outre, les stratifiés préparés nanocomposites sont instables dans certaines conditions.

Haute énergie broyage à boulets (HEBM) est une approche respectueuse de l'environnement, facilement extensible qui permet la fabrication efficace de nanostructurés composites énergétiques ^{5, 9 -14.} HEBM est peu coûteux et peut être utilisé avec différentes compositions de matériau réactif (par exemple, larmites, les réactions qui forment des composés intermétalliques, des carbures, des borures, etc.).

Le protocole fournit une description détaillée pour la préparation de énergétiques (Ni + Al, Ti + C, C + Ta) nanocomposites réactifs avec microstructure mesure en utilisant la méthode de HEBM court terme. Il décrit aussi une technique d'imagerie thermique à haute vitesse pour déterminer les caractéristiques d'allumage / de combustion des matériaux énergétiques comme-fabriqués. Enfin, il montre l'analyse de la microstructure des nanocomposites en utilisant Field Emission microscope électronique à balayage (FESEM) équipés par faisceaux d'ions focalisés (FIB). Le protocole est un guide important pour la préparation de différents nanomatériaux énergétiques (sans gaz et systèmes thermite) qui pourraient être utilisés comme sources de densité soit de haute énergie ou pour la synthèse et le traitement des nanomatériaux avancés par des approches à base de combustion.