Preparación y reactividad de sin gas Nanoestructurados materiales energéticos
Summary
Este protocolo describe la preparación de sin gas nanoestructurados materiales energéticos (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) utilizando el corto plazo la bola de gran energía fresado técnica (HEBM). También se describe un método de imagen térmica de alta velocidad para estudiar la reactividad de nanocompuestos fabricados mecánicamente. Estos protocolos pueden extenderse a otros materiales energéticos nanoestructurados reactiva.
Abstract
De alta energía de la bola Fresado (HEBM) es un proceso de molienda por bolas en una mezcla de polvo se coloca en el molino de bolas se somete a las colisiones de alta energía de las bolas. Entre otras aplicaciones, es una técnica versátil que permite la preparación eficaz de materiales nanoestructurados reactivos sin gas con una alta densidad de energía por unidad de volumen (Ni + Al, Ta + C, Ti + C). Las transformaciones estructurales de los medios reactivos, que tienen lugar durante HEBM, definen el mecanismo de reacción en los materiales compuestos energéticos producidos. Variando las condiciones de procesamiento permite el ajuste fino de las microestructuras de fresado-inducida de las partículas compuestas fabricadas. A su vez, la reactividad, es decir, la temperatura de auto-ignición, tiempo de retardo de encendido, así como la cinética de reacción, de materiales de alta densidad de energía depende de su microestructura. Análisis de las microestructuras inducida de fresado-sugiere que la formación de nuevos contactos íntimos de gran superficie libre de oxígeno entre los reactivos is responsable de la mejora de su reactividad. Esto se manifiesta en una reducción de la temperatura de encendido y tiempo de retardo, una mayor tasa de reacción química, y una disminución general de la energía de activación efectiva de la reacción. El protocolo proporciona una descripción detallada de la preparación de nanocompuestos reactivos con microestructura medida utilizando el método HEBM corto plazo. También describe una técnica de imagen térmica de alta velocidad para determinar las características de encendido / combustión de los materiales energéticos. El protocolo puede ser adaptado a la preparación y caracterización de una variedad de materiales compuestos energéticos nanoestructurados.
Introduction
Materiales energéticos clásicos, es decir, explosivos, propulsores y pirotecnia son una clase de material con una alta cantidad de energía química almacenada que puede ser liberada durante la reacción exotérmica rápida 1-5. Por ejemplo, explosivos normalmente se generan mediante la combinación de grupos de combustible y el oxidante en una molécula. La densidad de energía de esos materiales es muy alta. Por ejemplo, tras la descomposición trinitrotolueno (TNT) libera 7,22 kJ / cm 3 y forma 8,36 moles de gases por 100 g (Tabla 1) en un período muy corto de tiempo. Estos materiales se componen de especies micrómetro escala orgánicos e inorgánicos (combustibles y oxidantes).
Sistemas de termita, donde las reacciones tienen lugar entre el compuesto inorgánico, es decir, la reducción de los metales (por ejemplo, Al) y óxidos (Fe 2 O 3, CuO, Bi 2 O 3), pertenecen a otro tipo de materiales energéticos. La densidad de energía(15-21 kJ / cm 3) de tales sistemas supera a la de TNT, sin embargo, la cantidad de productos de gas (0,15-0,6 moles por 100 g) es típicamente mucho menor que para explosivos (Tabla 1). Además, los nano-termitas pueden mostrar extremadamente alta velocidad de propagación de la onda de combustión (> 1000 m / seg) 2 -5.
Se ha demostrado recientemente 6-12 que un número de sistemas reactivos heterogéneos sin gas (Ni + Al, Ti + C, Ti + B) que forman compuestos intermetálicos o refractarios también podría ser considerado como materiales energéticos. Las densidades de energía (kJ / cm 3) de esos sistemas están más cerca o más alto que el de TNT (Tabla 1). Al mismo tiempo, la ausencia de productos de gas durante la reacción hace que tales materiales excelentes candidatos para una variedad de aplicaciones, incluyendo la síntesis de nanomateriales, la unión reactiva del refractario y partes diferentes, generadores de energía micro sin gas, etc. 11-17. Sin embargo, la reltivamente alta temperatura de ignición de esos sistemas (900-3,000 K, véase la Tabla 1) en comparación con las termitas (~ 1000 K) obstaculiza sus aplicaciones. La preparación de compuestos nanoestructurados ingeniería podría mejorar significativamente las características de ignición y combustión de los sistemas heterogéneos sin gas 12 a 14, 17.
Muchos métodos han sido desarrollados para fabricar los nanocompuestos energéticos de ingeniería, tales como ultrasonidos mezclando 18,19, auto-ensamblaje se aproxima a 5, sol-gel 20-22, las técnicas de deposición de vapor 16,17,23,24, así como de alta energía molino de bolas (HEBM) 1,5. La desventaja de mezcla de ultrasonidos de nano-polvo es que una (5-10 nm) shell óxido de espesor sobre nanopartículas metálicas reduce la densidad de energía y degrada el rendimiento de la combustión de las mezclas de reactivos. Además, la distribución de combustible y el oxidante no es uniforme, y el contacto interfacial entre los reactivos no es íntimo. Sol-gel unad estrategias de auto-ensamblaje fueron desarrollados para la preparación de nanocompuestos de termita específicos. A pesar de ser técnicas de bajo costo, esas estrategias no son de color verde desde el punto de vista ambiental. Además, las grandes cantidades de impurezas se introducen en los materiales compuestos preparados. Deposición de vapor o pulverización catódica con magnetrón se utiliza para preparar láminas de capas múltiples reactivos y materiales energéticos de núcleo-corteza. Proporciona una geometría libre de poros y bien definido de compuestos que simplifica la modelización teórica y mejora la precisión. Sin embargo, esta tecnología es cara y difícil de ampliar. Además, los nanocompuestos preparados en capas son inestables en ciertas condiciones.
De alta energía de la bola Fresado (HEBM) es un enfoque respetuoso del medio ambiente, fácilmente escalable que permite la fabricación eficaz de compuestos nanoestructurados energéticos 5, 9 -14. HEBM es barato y se puede utilizar con diversas composiciones de material reactivo (por ejemplo, larmites, reacciones que forman compuestos intermetálicos, carburos, boruros, etc.).
El protocolo proporciona una descripción detallada para la preparación de (Ni + Al, Ti + C, C + Ta) nanocompuestos energéticos reactivos con microestructura medida mediante el método HEBM a corto plazo. También describe una técnica de imagen térmica de alta velocidad para determinar las características de encendido / combustión de materiales energéticos como-fabricadas. Finalmente se muestra el análisis de la microestructura de los nanocompuestos utilizando emisión de campo microscopio electrónico de barrido (FESEM) Equipado por Focused Ion Beam (FIB). El protocolo es una guía importante para la preparación de diferentes nanomateriales energéticos (sin gas y sistemas de termita) que podrían ser utilizados como fuentes de densidad de alta energía o ya sea para la síntesis y el procesamiento de los nanomateriales avanzados por los enfoques basados en la combustión.
Protocol
Representative Results
Discussion
El protocolo proporciona una descripción detallada para la preparación de (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) nanocompuestos energéticos reactivos con microestructura medida mediante el método HEBM a corto plazo. HEBM de mezclas heterogéneas sin gas implica su procesamiento en un molino planetario de bolas de alta velocidad, donde las partículas de la mezcla se someten al impacto mecánico con una fuerza suficiente para la descomposición de componentes frágiles (por ejemplo, grafito) y la deformación de los comp…
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 |
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