Hazırlık ve Gazsız nanoyapılı reaktivitesi Enerjik Malzemeler
Summary
Bu protokol, (HEBM) tekniğini freze kısa süreli yüksek enerjili topu kullanılarak gazsız nanoyapılı enerjik malzemeler (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) 'nin hazırlanmasını tarif etmektedir. Aynı zamanda, mekanik olarak imal edilmiş, nanokompozitlerin reaktivitesini incelemek için yüksek hızlı termal görüntüleme yöntemi tarif etmektedir. Bu protokoller, diğer reaktif nano yapılı enerjik malzemeler uzatılabilir.
Abstract
Yüksek enerji Ball Freze (HEBM) bilyalı değirmende yerleştirilen bir toz karışımı toplardan yüksek enerjili çarpışmalar tabi tutulan bir top öğütme süreci. Diğer uygulamalar arasında, hacim başına yüksek enerji yoğunluğuna sahip gazsız reaktif Nanoyapılı malzemelerin etkin bir biçimde hazırlanması (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) sağlar çok yönlü bir tekniktir. HEBM sırasında gerçekleşecek reaktif medya yapısal dönüşümler, üretilen kompozit enerjik reaksiyon mekanizmasını tanımlar. Işlem şartlarını değiştirmek fabrikasyon kompozit parçacıkların freze kaynaklı mikro yapıların ince ayar izin verir. Yani sırayla, reaktivite, ise, yüksek enerji yoğunluğu malzemelerin kendine tutuşma sıcaklığı, tutuşma gecikmesi süresi, yanı sıra reaksiyon kinetiği, kendi mikro bağlıdır. Freze kaynaklı mikroyapıların analizi göstermektedir ki reaktifler arasında taze oksijen içermeyen samimi yüksek yüzey alanı temas oluşumu ionların reaktivite arttırılması için sorumlu s. Bu ateşleme sıcaklığı ve gecikme süresi, kimyasal reaksiyon oranında bir artış, ve reaksiyonun etkin aktivasyon enerjisi genel bir azalmayla kendini belli eder. protokol, kısa vadeli HEBM yöntemi kullanılarak özel mikro ile reaktif nanokompozitlerin hazırlanması için ayrıntılı bir açıklama sağlar. Aynı zamanda enerjik malzemelerin ateşleme / yanma karakteristiklerini belirlemek için bir yüksek hızlı termal görüntüleme tekniği anlatılmaktadır. Protokol nano yapılı enerjik kompozit çeşitli hazırlanması ve özelliklerinin adapte edilebilir.
Introduction
Klasik enerjik materyalleri, yani, patlayıcılar, itici ve piroteknik hızlı ekzotermik reaksiyon 1-5 boyunca salınabilir depolanan kimyasal enerjinin yüksek bir miktarda bir malzeme sınıfıdır. Örneğin, patlayıcı genellikle içine yakıt ve oksitleyici gruplarının birleştirilmesi ile oluşturulan bir molekül. bu maddelerin enerji yoğunluğu çok yüksektir. Örneğin, ayrışma trinitrotoluen üzerine (TNT), 7.22 kJ / cm 3 serbest bırakır ve zaman çok kısa bir süre içinde 100 g (Tablo 1) başına gazların 8.36 mol oluşturur. Bu maddeler, mikrometre ölçekli organik ve inorganik türlerin (yakıtları ve oksidanlar) oluşmaktadır.
Termit metaller azaltarak reaksiyonlar inorganik bileşik tarihleri arasında gerçekleşecek sistemleri, yani, (örneğin, Al) ve oksitler (O 3 Fe 2, CuO, Bi 2 O 3), enerjik malzemelerin başka bir türe aittir. enerji yoğunluğu(15-21 kJ / cm3) bu tür sistemlerin TNT, ancak gaz ürün miktarı (100 g 0,15-0,6 mol), tipik olarak patlayıcı (Tablo 1) için çok daha az olduğunu aşmaktadır. Ayrıca, nano-thermites yanma dalga yayılımı (> 1,000 m / sn) 2 -5 derece yüksek hız gösterebilir.
Son zamanlarda, gazsız heterojen reaktif sistemlerde intermetalik veya refrakter bileşikler oluşturmak (Ni + Al, Ti + C, Ti + B) da bir dizi enerji malzeme olarak düşünülebilir 6-12 gördü. Bu sistemlerin enerji yoğunlukları (kJ / cm3) TNT (Tablo 1) daha yakın veya daha yüksektir. Aynı zamanda, reaksiyon sırasında gaz ürünleri olmaması gibi nano malzemelerin sentezi, ateşe dayanıklı ve farklı parça reaktif bağlanma, gazsız mikro güç jeneratörleri, 11-17 de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için bu tür malzemeler, mükemmel adaylar yapar. Bununla birlikte, relthermites göre bu sistemler (900-3,000 K, Tablo 1) (~ 1.000 K) lişmekte yüksek tutuşma sıcaklığı kendi uygulamalarını engellemektedir. işlenmiş nano yapılı Bileşiklerin Hazırlanması önemli gazsız, türdeş sistemlerin 12-14, 17, ateşleme ve yanma özelliklerini geliştirmek olabilir.
Bir çok yöntem 18,19 karıştırma gibi ultrasonik olarak tasarlanmış enerjik nanokompozitler, imal etmek için geliştirilmiş, kendi kendine bağlanma sol-jel, 20-22, buhar biriktirme tekniği 16,17,23,24, hem de yüksek enerjili 5 yaklaşımları top freze (HEBM) 1,5. Nano-toz ultrasonik karıştırma dezavantajı, metal nanopartiküller üzerine kalın (5-10 nm) oksit kabuk enerji yoğunluğunu azaltır ve reaktif karışımlar yanma performansını düşürür olduğunu. Ayrıca, yakıt ve oksitleyici madde dağılımı düzgün değildir ve reaktanların arasındaki ara yüzey temas yakın değildir. Sol-jel bird öz-montaj stratejileri spesifik termit nanokompozitlerin hazırlanması için geliştirilmiştir. Düşük teknikleri olmasına rağmen, bu stratejiler çevre açısından yeşil değildir. Ayrıca, yabancı maddelerin büyük miktarlarda hazırlanan bileşikler dahil edilir. Buhar biriktirme veya magnetron püskürtme reaktif çok katmanlı folyo ve çekirdek-kabuk enerjik materyalleri hazırlamak için kullanılır. Bu teorik modelleme kolaylaştırır ve doğruluğu artırır kompozit bir gözenek-özgür ve iyi tanımlanmış geometri sağlar. Ancak, bu teknolojinin büyütmek için pahalı ve zordur. Ayrıca, hazırlanan katmanlı nanokompozitleri belirli koşullarda kararsız.
Yüksek Enerji Ball Freze (HEBM) nanoyapılı enerjik kompozit 5, 9 -14 etkin fabrikasyon sağlayan bir çevre dostu, kolay ölçeklenebilir bir yaklaşımdır. HEBM ucuz ve çeşitli reaktif madde bileşimleri (birlikte kullanılabilir, örneğin,rmites, intermetaliklerin, karbidler, boritleri, vs.) oluşturmak reaksiyonları.
protokol, kısa vadeli HEBM yöntemi kullanılarak hazırlanmış mikro ile reaktif enerjik (Ni + Al, Ti + C, Ta + C) nanokompozitlerin hazırlanması için ayrıntılı bir açıklama sağlar. Ayrıca olarak imal edilmiş enerjik malzemelerin ateşleme / yanma karakteristiklerini belirlemek için bir yüksek hızlı termal görüntüleme tekniği anlatılmaktadır. Son olarak Odaklı İyon Işın (FİB) tarafından donatılmış Alan Emisyon Taramalı Elektron Mikroskobu (Fesem) kullanarak nanokompozitlerin mikro analizini göstermektedir. protokol ya yüksek enerji yoğunluğu kaynağı olarak ya da yanma-tabanlı yaklaşımlarla sentezi ve gelişmiş nanomateryallerin işlenmesi için kullanılan olabilir, farklı enerjik nanomateryallerin (gazsız ve termit sistemlerin) hazırlanması için önemli bir rehberdir.
Protocol
Representative Results
Discussion
protokol, kısa vadeli HEBM yöntemi kullanılarak hazırlanmış mikro ile reaktif enerjik (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) nanokompozitlerin hazırlanması için ayrıntılı bir açıklama sağlar. Gazsız heterojen karışımlar HEBM karışımının parçacıkları, örneğin plastik parçaların kırılgan bileşenlerin bozulması (grafit) ve deformasyon (Al için yeterli bir kuvvet ile, mekanik darbeye maruz yüksek hızlı planeter bilyalı değirmen, kendi işlem yapılmasını gerektirebili…
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).
