Vorbereitung und Reaktivität von Gaslose Nanostrukturierte Energetische Materialien

Klassische energetische Materialien, dh, Explosivstoffe, Treibstoffe und Pyrotechnik sind eine Klasse von Material mit einer hohen Menge an gespeicherte chemische Energie, die bei schnellen exothermen Reaktion ^1-5 freigegeben werden _kann. So werden beispielsweise Sprengstoff in der Regel durch die Kombination von Brennstoff und Oxidationsmittel in Gruppen erzeugt einem Molekül. Die Energiedichte dieser Materialien ist sehr hoch. Zum Beispiel bei der Zersetzung Trinitrotoluol (TNT) löst 7,22 kJ / cm ³ und bildet 8,36 Mol Gase pro 100 g (Tabelle 1) in einer sehr kurzen Zeitspanne. Diese Materialien werden von mikrometergroßen organische und anorganische Spezies (Brennstoffe und Oxidationsmittel) zusammen.

Thermit Systemen, in denen Reaktionen zwischen der anorganischen Verbindung stattfinden, dh, reduzierenden Metallen (zB Al) und Oxide (Fe ₂ O _3, CuO, Bi ₂ O _3), gehören zu einer anderen Art von energetischer Materialien. Die Energiedichte(15-21 kJ / cm ³⁾ solcher Systeme übertrifft die von TNT, aber die Menge der Gasprodukte (0,15-0,6 Mol pro 100 g) ist in der Regel viel geringer als für Sprengstoffe (Tabelle 1). Auch können die Nano thermites extrem hohe Geschwindigkeit der Verbrennungswellenausbreitung (> 1000 m / s) ^{2 -5} zeigen.

Es wurde kürzlich gezeigt, ^6-12 dass eine Anzahl von heterogenen gasless Reaktivsysteme (Ni + Al, Ti + C, Ti + B), die intermetallische oder feuerfeste Verbindungen bilden könnten auch als energetische Materialien berücksichtigt werden. Die Energiedichten (kJ / cm ³⁾ dieser Systeme sind näher oder höher als die von TNT (Tabelle 1). Zur gleichen Zeit wird die Abwesenheit von Gasprodukten während der Reaktion macht solche Materialien zu ausgezeichneten Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Synthese von Nanomaterialien, reaktive Bindung von feuerfesten und unterschiedliche Teile, gaslosen Mikro-Stromgeneratoren usw. ^11-17. Jedoch ist die relgleichsweise hohe Zündtemperatur dieser Systeme (900-3,000 K, siehe Tabelle 1) im Vergleich zu thermites (~ 1.000 K) ein Hindernis für die Anwendungen. Die Aufstellung von engineered nanostrukturierte Komposite deutlich verbessern konnte die Zünd- und Verbrennungseigenschaften der gaslosen heterogenen Systemen ^{12-14, 17.}

Viele Verfahren sind entwickelt worden, um die Werk energetischen Nanokompositen wie Ultraschall fertigen Misch ^18,19, self-assembly nähert ^5, Sol-Gel ^20-22 Aufdampftechniken ^16,17,23,24 sowie hochenergetische Kugelmühle (HEBM) ^1,5. Der Nachteil der Ultraschallmischen von Nano-Pulver ist, dass eine dicke (5-10 nm) -oxid-Shell auf Metall-Nanopartikel reduziert die Energiedichte und vermindert die Verbrennungsleistung von reaktiven Mischungen. Auch wurde die Verteilung von Brennstoff und Oxidationsmittel ist nicht einheitlich, und der Grenzflächenkontakt zwischen den Reaktionspartnern nicht vertraut. Sol-Gel eind Selbstorganisationsstrategien für die Herstellung spezieller Thermit Nanokomposite entwickelt. Trotz der Low-Cost-Techniken, sind diese Strategien nicht grün aus ökologischer Sicht. Außerdem werden große Mengen an Verunreinigungen in Komposite eingeführt. Aufdampfen oder Magnetronsputtern wird zur reaktiven Mehrschichtfolien und Kern-Schale-energetischen Materialien herzustellen. Es bietet eine porenfreie und gut definierten Geometrie der Verbundwerkstoffe, die theoretische Modellierung vereinfacht und verbessert die Genauigkeit. Jedoch ist diese Technik teuer und schwierig zu skalieren. Darüber hinaus sind die hergestellten geschichteten Nanokomposite instabil unter bestimmten Bedingungen.

Hochenergie-Kugelmühle (HEBM) ist eine umweltfreundliche, leicht skalierbaren Ansatz, der effektive Herstellung von nanostrukturierten energetischen Verbundwerkstoffe ^{5, 9 -14} ermöglicht. HEBM ist kostengünstig und kann mit verschiedenen reaktiven Materialzusammensetzungen verwendet werden (beispielsweise diermites Reaktionen, die intermetallischen Verbindungen, Carbiden, Boriden, etc.) zu bilden.

Das Protokoll stellt eine ausführliche Beschreibung zur Herstellung von reaktiven energetischen (Ni + Al, Ti + C, Ta + C) Nanokomposite maßgeschneiderte Mikrostruktur durch Verwendung des kurzfristigen HEBM Methode. Es beschreibt auch eine Hochgeschwindigkeits-Wärmebildtechnik, um die Zündung / Verbrennung Merkmale fabrik energetischen Materialien zu bestimmen. Schließlich zeigt es die Analyse der Mikrostruktur der Nanocomposites mit Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM) Ausgestattet mit Focused Ion Beam (FIB). Das Protokoll ist eine wichtige Führung für die Herstellung verschiedener energetischer Nanomaterialien (gasless und Thermit-Systeme), die entweder eine hohe Energiedichte Quellen oder zur Synthese und Verarbeitung von erweiterten Nanomaterialien durch Verbrennung basierte Ansätze verwendet werden konnte.