Preparação e reactividade de Gasless Nanostructured materiais energéticos
Summary
Este protocolo descreve a preparação de gasless nanoestruturados materiais energéticos (Ni + Al, Ta + C, Ti + C), usando a bola de alta energia de curto prazo fresagem (HEBM) técnica. Ele também descreve um método de imagem térmica de alta-velocidade para estudar a reactividade de nanocompósitos fabricadas mecanicamente. Estes protocolos podem ser alargados a outros materiais energéticos nanoestruturados reactivo.
Abstract
De alta energia moagem (HEBM) é um processo de moagem, onde uma mistura de pó colocado no moinho de bolas é submetido a colisões de alta energia a partir das esferas. Entre outras aplicações, é uma técnica versátil, que permite a preparação eficiente de materiais nanoestruturados GASLESS reactivos com alta densidade de energia por unidade de volume (Ni + Al, Ta + C, de Ti + C). As transformações estruturais da mídia reativas, que acontecem durante HEBM, definir o mecanismo de reação nos compósitos energéticos produzidos. Variando as condições de processamento permite o ajuste fino das microestruturas induzida por moagem das partículas compósitas fabricadas. Por sua vez, a reactividade, ou seja, a temperatura de auto-ignição, o tempo de atraso de ignição, bem como a cinética da reacção, dos materiais de alta densidade de energia depende da sua microestrutura. Análise das microestruturas induzida por moagem sugere que a formação de novos contactos íntimos alta área de superfície livre de oxigénio entre os reagentes ié responsável para o reforço da sua reatividade. Isto manifesta-se numa redução da temperatura de ignição e o tempo de atraso, um aumento na taxa de reacção química, e uma diminuição global da energia de activação da reacção eficaz. O protocolo fornece uma descrição detalhada para a preparação de nanocompósitos reativos com microestrutura adaptados utilizando o método HEBM de curto prazo. Ele também descreve uma técnica de geração de imagens térmicas de alta velocidade para determinar as características de ignição / combustão dos materiais energéticos. O protocolo pode ser adaptado para a preparação e caracterização de uma variedade de compostos energéticos nanoestruturados.
Introduction
Materiais energéticos clássicos, ou seja, explosivos, propulsores e pirotecnia são uma classe de material com uma elevada quantidade de energia química armazenada que pode ser liberada durante a reação exotérmica rápida 1-5. Por exemplo, explosivos geralmente são gerados através da combinação de grupos de combustível e oxidante em uma molécula. A densidade de energia desses materiais é muito alta. Por exemplo, após a decomposição trinitrotolueno (TNT) liberta 7,22 kJ / cm 3 e 8,36 moles de forma estufa por 100 g (Tabela 1) num período muito curto de tempo. Estes materiais são compostos de espécies em escala micrométrica orgânicos e inorgânicos (combustíveis e oxidantes).
Sistemas Thermite, onde ocorrem as reacções entre o composto inorgânico, isto é, reduzindo a metais (por exemplo, Al) e os óxidos de (Fe 2 O 3, CuO, Bi 2 O 3), pertencem a um outro tipo de materiais energéticos. A densidade de energia(15-21 kJ / cm 3) de tais sistemas que excede de TNT, no entanto, a quantidade de produtos gasosos (0,15-0,6 moles por 100 g) é tipicamente muito menor do que para explosivos (Tabela 1). Além disso, os nano-thermites pode mostrar extremamente alta velocidade de propagação de ondas de combustão (> 1000 m / seg) 2 -5.
Recentemente, foi demonstrado que um número 12/06 de GASLESS sistemas reactivos heterogéneos (Ni + Al, Ti + C, de Ti + B) que formam compostos intermetálicos ou refractários, também poderia ser considerado como materiais energéticos. As densidades de energia (kJ / cm 3) destes sistemas estão mais próximas ou mais elevada do que a de TNT (Tabela 1). Ao mesmo tempo, a ausência de produtos de gás durante a reacção torna estes materiais excelentes candidatos para uma variedade de aplicações, incluindo a síntese de nanomateriais, colagem reactivo de refractário e partes desiguais, geradores de energia de micro GASLESS, etc. 11-17. No entanto, o reltivamente alta temperatura de ignição desses sistemas (900-3,000 K, ver Tabela 1), em comparação com thermites (~ 1.000 K) dificulta suas aplicações. A preparação de compostos nanoestruturados engenharia poderia aumentar significativamente as características de ignição e combustão de sistemas heterogêneos gasless 12-14, 17.
Muitos métodos têm sido desenvolvidos para fabricar os nanocompósitos energéticos modificadas, tais como ultra-sons mistura 18,19, auto-montagem aproxima 5, sol-gel de 20-22, as técnicas de deposição de vapor 16,17,23,24, bem como de alta energia moagem de esferas (HEBM) 1,5. A desvantagem de mistura de ultra-sons de nano-pó é que um (5-10 nm) shell de óxido de espessura em nanopartículas metálicas reduz a densidade de energia e degrada o desempenho de combustão de misturas reativas. Além disso, a distribuição de combustível e oxidante não é uniforme, e o contacto interfacial entre os reagentes não é íntima. Sol-gel de umd estratégias de auto-montagem foram desenvolvidos para a preparação de nanocompósitos cupim específicos. Apesar de ser técnicas de baixo custo, essas estratégias não são verde do ponto de vista ambiental. Além disso, grandes quantidades de impurezas são introduzidos compósitos preparados. Deposição de vapor ou pulverização catódica é utilizado para preparar folhas multi-camada e reactivas core-shell materiais energéticos. Ele fornece uma geometria e bem definido, livre de poros de compósitos que simplifica a modelação teórica e aumenta a precisão. No entanto, esta tecnologia é cara e difícil de adaptar-se. Além disso, os nanocompósitos em camadas preparadas são instáveis em certas condições.
-High Energy moagem (HEBM) é uma abordagem ambientalmente amigável, facilmente escalável que permite a fabricação efetiva de compósitos nanoestruturados energéticos 5, 9 -14. HEBM é barato e pode ser utilizado com várias composições de material reactivo (por exemplo, armites, reacções que formam compostos intermetálicos, carbonetos, boretos, etc.).
O protocolo fornece uma descrição detalhada para a preparação de energéticos (Ni + Al, Ti + C, C + Ta) nanocompósitos reactivos com microestrutura adaptados usando o método HEBM de curto prazo. Ele também descreve uma técnica de geração de imagens térmicas de alta velocidade para determinar as características de ignição / combustão dos materiais energéticos como-fabricadas. Finalmente, mostra a análise da microestrutura dos nanocompósitos utilizando Field Emission Microscópio Eletrônico de Varredura (FESEM) Equipada por Focused Ion Beam (FIB). O protocolo é um guia importante para a preparação de diferentes nanomateriais energéticos (gasless e sistemas thermite) que podem ser utilizados como fontes de densidade ou de alta energia ou para a síntese e processamento de nanomateriais avançados por abordagens baseadas em combustão.
Protocol
Representative Results
Discussion
O protocolo fornece uma descrição detalhada para a preparação de energéticos (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) nanocompósitos reativos com microestrutura adaptados usando o método HEBM de curto prazo. HEBM de misturas heterogéneas GASLESS envolvem o seu processamento num moinho de bolas planetário de alta-velocidade, em que as partículas da mistura são submetidos a um impacto mecânico com uma força suficiente para a quebra de componentes frágeis (por exemplo, grafite) e a deformação de componentes de pl…
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).
