Подготовка и реактивность безгазовых наноструктурных энергетических материалов
Summary
Этот протокол описывает получение безгазовых наноструктурированных энергетических материалов (Ni + Al, Ta + C, Ti + C), используя краткосрочные высокой энергии в шаровой мельнице (HEBM) технику. Он также описывает высокоскоростной тепловизионного метода для изучения реакционной способности механически изготовленных нанокомпозитов. Эти протоколы могут быть распространены на другие реактивные наноструктурированных энергетических материалов.
Abstract
Высоких энергий в шаровой мельнице (HEBM) является фрезерные процесс шарика, где порошковую смесь помещают в шаровой мельнице, подвергают высокой энергии столкновений с шариками. Среди других приложений, это универсальный метод, который позволяет для эффективного получения без газа реактивными наноструктурных материалов с высокой плотностью энергии на единицу объема (Ni + Al, Ta + C, Ti + C). Структурные преобразования реактивной массовой информации, которые происходят во время HEBM, определить механизм реакции в полученных энергетических композитов. Изменение условий обработки позволяет произвести тонкую настройку фрезерных-индуцированной микроструктур изготовленных составных частиц. В свою очередь, реактивности, т.е. температура самовоспламенения, время задержки воспламенения, а также кинетика реакции, из плотности материалов высокой энергии зависит от его микроструктуры. Анализ фрезерных индуцированных микроструктуры показывает, что образование свежей тесных контактов с высокой площадью поверхности бескислородных между реагентами яš ответственность за повышение их реактивности. Это проявляется в снижении температуры воспламенения и время задержки, увеличение скорости химической реакции, и с общим уменьшением эффективной энергии активации реакции. Протокол содержит подробное описание по подготовке активных нанокомпозитов с заданными микроструктурой, используя краткосрочные метод HEBM. Он также описывает высокоскоростной технику тепловизионная для определения характеристик зажигания / сгорания энергетических материалов. Протокол может быть адаптирован к подготовке и характеризации различных наноструктурированных энергетических композитов.
Introduction
Классические энергетические материалы, то есть, взрывчатые вещества, ракетное топливо и пиротехнические представляют собой класс материалов с высоким содержанием химической энергии, хранящейся, которые могут быть выпущен в течение быстрой экзотермической реакции 1-5. Например, взрывчатые вещества, как правило, генерируется путем объединения топлива и окислителя группы в одна молекула. Плотность энергии этих материалов является очень высокой. Например, при разложении тринитротолуола (TNT) выпускает 7,22 кДж / см 3, и образует 8,36 молей газов на 100 г (таблица 1) в течение очень короткого периода времени. Эти материалы состоят из микронных органических и неорганических соединений (топлив и окислителей).
Thermite системы, в которых протекают реакции между неорганическим соединением, т.е., снижение металлы (например, Al) и оксидов (Fe 2 O 3, CuO, Bi 2 O 3), относятся к другому типу энергетических материалов. Плотность энергии(15-21 кДж / см 3) таких систем превышает TNT, однако количество газообразных продуктов (0.15-0.6 моль на 100 г), как правило, значительно меньше, чем на наличие взрывчатых веществ (Таблица 1). Кроме того, нано-термиты могут показать очень высокую скорость распространения волны горения (> 1000 м / сек) 2 -5.
Недавно было показано, что 6-12 число без газа гетерогенных реагирующих систем (Ni + Al, Ti + C, Ti + B), которые образуют интерметаллические или тугоплавкие соединения также можно рассматривать как энергетических материалов. Плотности энергии (кДж / см 3) этих систем ближе или выше, чем у тротила (таблица 1). В то же время, отсутствие газообразных продуктов в ходе реакции делает такие материалы отличные кандидатов для различных применений, включая синтез наноматериалов, реактивной связи из огнеупорного материала и разнородных частей, без газа микро генераторам и т.д. 11-17. Тем не менее, отнтельно высокая температура воспламенения этих систем (900-3,000 К, см таблицу 1) по сравнению с термиты (~ 1000 К) препятствует их применения. Подготовка инженерных наноструктурированных композитов может существенно повысить воспламенение и горение характеристики безгазовых гетерогенных систем 12-14, 17.
Многие методы были разработаны для изготовления конструктивных энергетические нанокомпозитов, таких как ультразвуковая смешивания 18,19, самосборка подходы 5, золь-гель 20-22 пар методы осаждения 16,17,23,24, а также высоких энергий шаровой мельнице (HEBM) 1,5. Недостатком ультразвукового смешивания нанопорошка в том, что толстый (5-10 нм) оксида оболочки на металлических наночастиц уменьшает плотность энергии и снижает эффективность сгорания реактивных смесей. Кроме того, распределение топлива и окислителя не является равномерным, а межфазное контакт между реагентами не близкими. Соль-гельD стратегии для самостоятельной сборки были разработаны для подготовки конкретных термитных нанокомпозитов. Несмотря на то, приемы недорогие, эти стратегии не являются зеленый с экологической точки зрения. Кроме того, большое количество примесей, вводят в приготовленных композитов. Осаждения из паровой или магнетронного распыления используется для подготовки реактивные фольги многослойных и ядро-оболочка энергетических материалов. Она обеспечивает беспористую четко определены геометрию композитов, что упрощает теоретическое моделирование и повышает точность. Тем не менее, эта технология является дорогостоящей и трудно расширить. Кроме того, приготовленных слоистых нанокомпозитов нестабильны в определенных условиях.
High-Energy в шаровой мельнице (HEBM) является экологически чистым, легко масштабируемый подход, что позволяет эффективно изготовление наноструктурных энергетических композитов 5, 9 -14. HEBM недорог и может быть использован с различными реактивного материала композиций (например,rmites, реакции, которые образуют интерметаллические, карбиды, бориды и т.д.).
Протокол содержит подробное описание для приготовления активных энергичных (Ni + Al, Ti + C, Ta + C) нанокомпозитов с заданными микроструктурой, используя краткосрочные метод HEBM. Он также описывает высокоскоростной технику тепловизионная для определения характеристик зажигания / сгорания как быстровозводимых энергетических материалов. Наконец он показывает анализ микроструктуры нанокомпозитов с использованием поля излучения сканирующего электронного микроскопа (FESEM), оборудованный сфокусированным ионным пучком (FIB). Протокол является важным руководством для приготовления различных энергетических наноматериалов (без газа и термитных систем), которые могут быть использованы в качестве источников плотности либо высокой энергии или для синтеза и обработки современных наноматериалов по подходы на основе сгорания.
Protocol
Representative Results
Discussion
Протокол содержит подробное описание для приготовления активных энергичных (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) нанокомпозитов с заданными микроструктурой, используя краткосрочные метод HEBM. HEBM безгазовых гетерогенных смесей включают их обработку в высокоскоростной планетарной шаровой мельнице, где час?…
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).
