Gaslessナノエネルギー物質の調製と反応性
Summary
このプロトコルは、（HEBM）技術を粉砕短期高エネルギーボールを使用してgaslessナノ構造エネルギー物質（ニッケル+アル）、タンタル（Ta + CはTi + C）の調製を記載する。また、機械的に製造されたナノ複合体の反応性を研究するために、高速熱画像形成方法が記載されている。これらのプロトコルは、他の反応性ナノエネルギー物質に拡張することができる。
Abstract
高エネルギーボールミリング（HEBM）をボールミルに投入し混合粉末をボールからの高エネルギー衝突に供されるボールミリング法である。他の用途の中でも、体積当たりのエネルギー密度がニッケル（Ni +は、Al、Taの+ CはTi + C）とgasless反応性ナノ構造材料の効果的な調製を可能にする多目的な技術である。 HEBM間に起こる反応媒体の構造変化は、生産高エネルギー複合体における反応機構を定義する。処理条件を変化させること製作複合粒子のミリングにより誘導される微細構造の微調整を可能にする。今度は、高エネルギー密度材料の反応性、 すなわち 、自己着火温度、着火遅れ時間、ならびに反応速度論は、その微細構造に依存する。ミリング誘発性微細構造の分析は、試薬iの間に新鮮な無酸素親密な高表面積接触の形成を示唆しているそれらの反応性の強化の責任だ。これは、発火温度と遅延時間、化学反応速度の増加、および反応の効果的な活性化エネルギーの全体的な減少の低下となって現れる。プロトコルは、短期HEBM法を使用して調整され、微細構造と反応性ナノ複合体の調製のための詳細な説明を提供する。また、エネルギー物質の点火/燃焼特性を決定するために、高速熱画像形成技術が記載されている。プロトコルは、ナノ構造の高エネルギー複合体の種々の調製および特性に適合させることができる。
Introduction
古典的なエネルギー物質、 すなわち、爆薬、推進薬および花火は急速な発熱反応1-5の間に放出することができる貯蔵された化学エネルギーの高い量を有する材料のクラスである。例えば、爆発物は通常に燃料と酸化剤のグループを組み合わせることによって生成される1分子。これらの材料のエネルギー密度が非常に高い。例えば、分解トリニトロトルエン（TNT）の際に7.22 kJの/ cm 3で放出し、非常に短い時間で100グラム（ 表1）あたりのガスの8.36モルを形成する。これらの材料は、マイクロメートルスケールの有機及び無機の種（燃料と酸化剤）で構成されている。
反応は、無機化合物との間で行わテルミットシステム、 すなわち、金属（ 例えば、アルミニウム）と酸化物を還元鉄（Fe 2 O 3、CuOを、のBi 2 O 3）は 、エネルギー物質の別の種類に属する。エネルギー密度このようなシステムの（15-21 kJの/ cm 3）を TNTで、しかしガス生成物（100g当り0.15〜0.6モル）の量は、典型的には爆発物（ 表1）の場合よりもはるかに小さいことを超えている。また、ナノthermitesは、燃焼波伝播（>千メートル/秒）2 -5の非常に高い速度が表示されることがあります。
最近、金属または耐火性化合物を形成gasless不均質反応系ニッケル（Ni + AlやTiの+ CはTi + B）の数はまた、エネルギー物質とみなすことができる6-12が示された。これらのシステムのエネルギー密度（kJの/ cm 3の）TNT（ 表1）より近いまたはそれ以上である。同時に、反応中のガス生成物が存在しないこと等のナノ物質の合成を、耐火物と異なる部品の反応性接合、gaslessマイクロ発電機、11-17を含む種々の用途のためのそのような材料の優れた候補となる。しかし、RELatively thermites（〜千K）に比べて、それらのシステム（900-3,000 K、 表1を参照）の高い発火温度は、アプリケーションを妨げる。設計ナノ複合材料の製造は、かなりgasless異種システム12-14、17の着火·燃焼特性を向上させることができます。
多くの方法が、ゾル-ゲル20-22、蒸着技術16,17,23,24、ならびに高エネルギー、自己集合が5に近づくよう18,19を混合し、超音波などの操作されたエネルギッシュなナノコンポジットを製造するために開発されているボールミリング（HEBM）1,5。ナノ粉末の超音波混合の欠点は、金属ナノ粒子上に厚さ（5-10 nm）の酸化物シェルは、エネルギー密度を低下させ、反応混合物の燃焼性能を低下させることである。また、燃料と酸化剤の分布は均一ではなく、反応物との間の界面の接触が密接ではない。ゾル – ゲルANdは自己組織化戦略は、特定のテルミットナノコンポジットの調製のために開発された。低コストの技術であるにもかかわらず、これらの戦略は、環境の観点からグリーンに点灯していない。また、多量の不純物を調製コンポジット中に導入される。蒸着又はマグネトロンスパッタリング、反応性多層箔およびコアシェルエネルギー物質を調製するために使用される。これは、無孔および理論的モデルを簡素化し、精度を向上させることができる複合材料の十分に定義された幾何学的形状を提供する。しかし、この技術は、スケールアップするには高価かつ困難である。また、調製した層状ナノ複合材料は、特定の条件下で不安定である。
高エネルギーボールミリング（HEBM）は、ナノ構造エネルギッシュな複合材5、9 -14の効果的な製造を可能にする環境にやさしい、簡単にスケーラブルなアプローチである。 HEBMが安価であり、種々の反応物質の組成物（ 例えば 、使用することができrmites、金属間化合物を形成する反応は、炭化物、ホウ化物、 など ）。
プロトコルは、短期HEBM法を用いて調整され、微細構造と反応性のエネルギッシュなニッケル（Ni + AlやTiの+ C）、タンタル（Ta + C）ナノ複合材料を調製するための詳細な説明を提供する。それはまた、加工されたエネルギー物質の点火/燃焼特性を決定するために、高速熱画像形成技術が記載されている。最後に、集束イオンビーム（FIB）を搭載電界放射型走査電子顕微鏡（FESEM）を使用して、ナノ複合材料の微細構造の分析を示す。プロトコルのいずれかの高エネルギー密度源として燃焼ベースのアプローチによって、高度なナノ材料の合成及び処理に使用することができ、異なるエネルギーのナノ材料（gaslessとテルミットシステム）を製造するための重要な指針である。
Protocol
Representative Results
Discussion
プロトコルは、短期HEBM法を用いて調整され、微細構造と反応性のエネルギッシュなチタン（Ti + C）、タンタル（Ta + CはNi + Al）のナノ複合体の調製のための詳細な説明を提供する。 gasless不均一な混合物のHEBMは、混合物の粒子は、 例えば 、プラスチック部品の脆い成分の分解（ 例えば、グラファイト）や変形（Alのための十分な力で機械的衝撃にさらされる高速遊星ボー…
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).
