חומרים אנרגטיים הכנה ותגובתיות של Gasless Nanostructured
Summary
פרוטוקול זה מתאר את ההכנה של חומרים אנרגטיים gasless nanostructured (Ni + אל, Ta + C, Ti + C) באמצעות אנרגיה גבוהה הכדור לטווח קצר כרסום טכניקה (HEBM). הוא גם מתאר שיטת הדמיה תרמית במהירות גבוהה כדי ללמוד את תגובתיות של nanocomposites המפוברק מכאני. ניתן להאריך פרוטוקולים אלה לחומרים אנרגטיים nanostructured תגובה אחרות.
Abstract
גבוהה אנרגיה כדור כרסום (HEBM) הוא תהליך כרסום כדור שבו תערובת אבקה ממוקמת בטחנת כדור נתונה להתנגשויות באנרגיה גבוהה מהכדורים. בין יישומים אחרים, זה הוא טכניקה צדדי המאפשרת להכנה יעילה של חומרי nanostructured תגובת gasless עם צפיפות אנרגיה גבוהה לכל נפח (Ni + אל, Ta + C, Ti + C). השינויים המבניים של תקשורת תגובתי, שיתקיימו במהלך HEBM, להגדיר את מנגנון התגובה בחומרים מרוכבים האנרגטיים המופקים. תשנה את תנאי העיבוד מאפשר כוונון עדין של microstructures מושרה הטחינה של החלקיקים מרוכבים המפוברק. בתורו, תגובתיות, כלומר, טמפרטורת הצתה עצמית, זמן השהית הצתה, כמו גם קינטיקה תגובה, חומרי צפיפות אנרגיה גבוהה תלוי במייקרו שלה. ניתוח של microstructures מושרה כרסום עולה כי ההיווצרות של אנשי קשר טריים נטול חמצן אינטימי משטח גבוה שטח שבין ריאגנטים iזה אחראי על השיפור של תגובתיות שלהם. זו באה לידי הביטוי בירידה של טמפרטורת הצתה וזמן השהיה, עלייה בשיעור של תגובה כימית, וירידה כוללת של אנרגיית ההפעלה האפקטיבית של התגובה. הפרוטוקול מספק תיאור מפורט להכנת nanocomposites תגובה עם מיקרו מותאם בשיטת HEBM לטווח קצר. הוא גם מתאר טכניקת הדמיה תרמית במהירות גבוהה כדי לקבוע את מאפייני הצתה / בעירה של חומרים האנרגטיים. הפרוטוקול יכול להיות מותאם להכנה ואפיון של מגוון רחב של חומרים מרוכבים אנרגטיים nanostructured.
Introduction
חומרים אנרגטיים קלאסיים, כלומר, חומרי נפץ, הודפים ופירוטכניקה הן מחלקה של חומר עם כמות גבוהה של אנרגיה כימית מאוחסנת כי ניתן לשחרר בתגובה אקסותרמית מהירה 1-5. לדוגמא, חומרי נפץ, בדרך כלל, שנוצרו על ידי שילוב של קבוצות דלק וחמצן ל מולקולה אחת. צפיפות האנרגיה של חומרים אלה היא גבוהה מאוד. לדוגמא, על trinitrotoluene פירוק (TNT) משחרר 7.22 kJ / 3 סנטימטר ויוצר 8.36 שומות של גזים לכל 100 גר '(טבלה 1) בתקופה קצרה מאוד של זמן. חומרים אלו מורכבים ממיני מיקרומטר בקנה מידה אורגניים ולא אורגניים (דלקים וחמצנים).
מערכות תרמיט, שבו תגובות יתקיימו בין התרכובת אורגנית, כלומר, הפחתת מתכות (למשל, אל) ותחמוצות (Fe 2 O 3, CuO, Bi 2 O 3), שייכות לסוג אחר של חומרים אנרגטיים. צפיפות האנרגיה(15-21 kJ / 3 סנטימטר) של מערכות כאלה עולה על זו של TNT, אולם הכמות של מוצרי גז (0.15-.6 שומות לכל 100 גר ') היא בדרך כלל הרבה פחות מאשר לחומרי נפץ (טבלה 1). כמו כן, ננו-thermites עשוי להראות גבוהה מאוד מהירות של התפשטות גל בעירה (> 1000 מ '/ שנייה) 2 -5.
לאחרונה הוצגו 6-12 שמספר מערכות תגובה הטרוגנית gasless (Ni + אל, טי + C, Ti + B) היוצרים תרכובות intermetallic או עקשן יכול להיחשב גם כחומרים אנרגטיים. צפיפות האנרגיה (kJ / 3 סנטימטר) של מערכות אלה הן קרובים יותר או גבוהים יותר מזה של TNT (טבלת 1). במקביל, היעדר מוצרי גז במהלך התגובה הופך חומרים כגון מועמדים מצוינים עבור מגוון רחב של יישומים, כולל סינתזה של ננו, מליטה תגובה של עקשן וחלקים שונים, הגנרטורים מייקר gasless, וכו '11-17. עם זאת, relטמפרטורת הצתה גבוהה atively של מערכות אלה (900-3,000 K, ראה טבלה 1) בהשוואה לthermites (~ 1000 K) מעכבת את היישומים שלהם. ההכנה של חומרים מרוכבים nanostructured מהונדסים יכולה לשפר באופן משמעותי את מאפייני הצתה ושריפה של מערכות הטרוגניות gasless 12-14, 17.
שיטות רבות פותחו לפברק nanocomposites האנרגטי המהונדס, כגון קולי ערבוב 18,19, הרכבה עצמית גישות 5, סול-ג'ל 20-22, טכניקות תצהיר אד 16,17,23,24, כמו גם אנרגיה גבוהה כרסום כדור (HEBM) 1,5. החסרון של ערבוב קולי של ננו-אבקה הוא שקליפה עבה (5-10 ננומטר) תחמוצת על חלקיקי מתכת מפחיתה צפיפות אנרגיה ומדרדרת את ביצועי הבעירה של תערובות תגובה. כמו כן, חלוקת הדלק והחמצן אינה אחידה, וקשר interfacial בין המגיבים הוא לא אינטימי. סול-ג'לאסטרטגיות הרכבה עצמית ד פותחו להכנת nanocomposites תרמיט הספציפי. למרות היותו טכניקות בעלות נמוכה, אסטרטגיות אלה אינן ירוקות מבחינה סביבתית. יתר על כן, כמויות גדולות של זיהומים מוכנסות חומרים מרוכבים מוכנים. אדים בתצהיר או המקרטעת magnetron משמש להכנת שקפים רב שכבתיים תגובתי וחומרים אנרגטיים ליבת פגז. הוא מספק גיאומטריה ומוגדרת היטב ללא נקבובית של חומרים מרוכבים המפשטת מודלים תיאורטיים ומשפרת את דיוק. עם זאת, טכנולוגיה זו היא יקרה וקשה בהיקף של עד. יתר על כן, nanocomposites שכבתי הכין אינם יציבים בתנאים מסוימים.
גבוהה אנרגיה כדור כרסום (HEBM) הוא גישה ידידותית לסביבה, להרחבה בקלות, המאפשרת ייצור יעיל של חומרים מרוכבים nanostructured האנרגטיים 5, 9 -14. HEBM הוא זול וניתן להשתמש בו עם קומפוזיציות חומר תגובתי שונות (למשל,rmites, תגובות היוצרות intermetallics, carbides, borides, וכו ').
הפרוטוקול מספק תיאור מפורט להכנת nanocomposites האנרגטי תגובתי (Ni + אל, טי + C, Ta + C) עם מיקרו המותאם על ידי שימוש בשיטת HEBM לטווח קצר. הוא גם מתאר טכניקת הדמיה תרמית במהירות גבוהה כדי לקבוע את מאפייני הצתה / שריפה של חומרים אנרגטיים מפוברקים-כ. לבסוף הוא מציג את הניתוח של מיקרו של nanocomposites באמצעות שדה פליטת סריקת אלקטרונים מיקרוסקופ (FESEM) מצויד באלומת יונים ממוקדת (FIB). הפרוטוקול הוא מדריך חשוב להכנה של ננו שונה האנרגטי (gasless ומערכות תרמיט) שיכול לשמש כמקורות צפיפות אנרגיה גבוהה או או לסינתזה ועיבוד של ננו המתקדם על ידי גישות המבוססת על שריפה.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרוטוקול מספק תיאור מפורט להכנת nanocomposites האנרגטי תגובתי (Ti + C, Ta + C, Ni + אל) עם מיקרו המותאם על ידי שימוש בשיטת HEBM לטווח קצר. HEBM תערובות הטרוגניות gasless כרוך העיבוד שלהם בטחנת כדור פלנטריים במהירות גבוהה, שבו החלקיקים של תערובת נתונים להשפעה מכאנית עם כוח מספיק לפירוט רכי?…
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).
