तैयारी और Gasless Nanostructured की जेट ऊर्जावान सामग्री
Summary
इस प्रोटोकॉल (HEBM) तकनीक मिलिंग अल्पकालिक उच्च ऊर्जा गेंद का उपयोग gasless nanostructured ऊर्जावान सामग्री (नी + अल, टा + सी, तिवारी + ग) की तैयारी का वर्णन है। यह भी यंत्रवत् गढ़े nanocomposites के जेट अध्ययन करने के लिए एक उच्च गति थर्मल इमेजिंग विधि का वर्णन है। इन प्रोटोकॉल अन्य प्रतिक्रियाशील nanostructured ऊर्जावान सामग्री के लिए बढ़ाया जा सकता है।
Abstract
उच्च ऊर्जा गेंद मिलिंग (HEBM) गेंद चक्की में रखा एक पाउडर मिश्रण गेंदों से उच्च ऊर्जा टक्कर के अधीन है, जहां एक गेंद मिलिंग प्रक्रिया है। अन्य अनुप्रयोगों के अलावा, यह मात्रा प्रति उच्च ऊर्जा घनत्व के साथ gasless प्रतिक्रियाशील सामग्री nanostructured की प्रभावी तैयारी (नी + अल, टा + सी, तिवारी + सी) के लिए अनुमति देता है एक बहुमुखी तकनीक है। HEBM के दौरान जगह ले जो प्रतिक्रियाशील मीडिया के संरचनात्मक परिवर्तनों का उत्पादन किया, ऊर्जावान कंपोजिट में प्रतिक्रिया तंत्र को परिभाषित। प्रसंस्करण स्थिति बदलती गढ़े मिश्रित कणों की मिलिंग प्रेरित microstructures के ठीक ट्यूनिंग परमिट। यानी बारी, जेट, में, उच्च ऊर्जा घनत्व सामग्री की आत्म इग्निशन तापमान, इग्निशन देरी समय है, साथ ही प्रतिक्रिया कैनेटीक्स, इसके microstructure पर निर्भर करता है। मिलिंग प्रेरित microstructures के विश्लेषण से पता चलता है कि अभिकर्मकों के बीच ताजा ऑक्सीजन मुक्त अंतरंग उच्च सतह क्षेत्र संपर्कों के गठन मैंउनकी जेट की वृद्धि के लिए जिम्मेदार है। इस इग्निशन तापमान और देरी समय, रासायनिक प्रतिक्रिया की एक वृद्धि की दर, और प्रतिक्रिया के प्रभावी सक्रियण ऊर्जा का एक समग्र कमी की कमी में ही प्रकट होता है। प्रोटोकॉल अल्पकालिक HEBM विधि का उपयोग कर अनुरूप microstructure के साथ प्रतिक्रियाशील nanocomposites की तैयारी के लिए एक विस्तृत वर्णन प्रदान करता है। यह भी ऊर्जावान सामग्री के इग्निशन / दहन विशेषताओं का निर्धारण करने के लिए एक उच्च गति थर्मल इमेजिंग तकनीक का वर्णन है। प्रोटोकॉल के nanostructured ऊर्जावान कंपोजिट की एक किस्म की तैयारी और लक्षण वर्णन करने के लिए अनुकूलित किया जा सकता है।
Introduction
शास्त्रीय ऊर्जावान सामग्री, यानी, विस्फोटक, प्रणोदक और आतिशबाज़ी बनाने की विद्या तेजी एक्ज़ोथिर्मिक प्रतिक्रिया 1-5 के दौरान जारी किया जा सकता है कि संग्रहीत रासायनिक ऊर्जा का एक उच्च मात्रा के साथ सामग्री का एक वर्ग के हैं। उदाहरण के लिए, विस्फोटकों आमतौर पर में ईंधन और आक्सीकारक समूहों के संयोजन के द्वारा उत्पन्न कर रहे हैं एक अणु। उन सामग्रियों की ऊर्जा घनत्व बहुत अधिक है। उदाहरण के लिए, अपघटन trinitrotoluene पर (टीएनटी) 7.22 केजे / 3 सेमी जारी है और समय की एक बहुत ही कम अवधि में 100 ग्राम (1 टेबल) प्रति गैसों के 8.36 मोल रूपों। इन सामग्रियों माइक्रोमीटर पैमाने पर कार्बनिक और अकार्बनिक प्रजातियों (ईंधन और ऑक्सीडाईजर) से बना रहे हैं।
दीमक धातुओं को कम करने प्रतिक्रियाओं अकार्बनिक यौगिक के बीच जगह ले जहां प्रणाली, यानी, (उदाहरण के लिए, अल) और आक्साइड (ओ 3 फ़े 2, CuO, द्विपक्षीय 2 हे 3), ऊर्जावान सामग्री की एक अन्य प्रकार के हैं। ऊर्जा घनत्व(15-21 केजे / सेमी 3) इस तरह की व्यवस्था की टीएनटी की, हालांकि गैस के उत्पादों की राशि (100 ग्राम प्रति 0.15-0.6 मोल) आम तौर पर विस्फोटक (1 टेबल) के लिए की तुलना में बहुत कम है कि अधिक है। इसके अलावा, नैनो thermites दहन लहर प्रसार (> 1000 एम / सेक) दो -5 के अत्यंत उच्च वेग दिखा सकते हैं।
यह हाल ही में gasless विषम प्रतिक्रियाशील सिस्टम intermetallic या आग रोक यौगिकों कि फार्म (नी + अल, तिवारी + सी, तिवारी + बी) के एक नंबर भी ऊर्जावान सामग्री के रूप में माना जा सकता है कि 6-12 दिखाया गया था। उन प्रणालियों के ऊर्जा घनत्व (जे / सेमी 3) टीएनटी (तालिका 1) की तुलना में करीब या अधिक कर रहे हैं। इसी समय, प्रतिक्रिया के दौरान गैस के उत्पादों के अभाव आदि nanomaterials के संश्लेषण, दुर्दम्य और भिन्न भागों के प्रतिक्रियाशील संबंध, gasless माइक्रो पावर जेनरेटर, 11-17 सहित आवेदन की एक किस्म के लिए ऐसी सामग्री उत्कृष्ट उम्मीदवार बनाता है। हालांकि, रिलायंस एनर्जीthermites की तुलना में उन प्रणालियों (900-3,000 कश्मीर, 1 टेबल देखें) (~ 1000 कश्मीर) के atively उच्च इग्निशन तापमान उनके आवेदनों hinders। इंजीनियर nanostructured कंपोजिट की तैयारी काफी gasless विषम प्रणालियों 12-14, 17 की प्रज्वलन और दहन विशेषताओं को बढ़ाने सकता है।
कई तरीकों 18,19 मिश्रण ऐसे अल्ट्रासोनिक के रूप में इंजीनियर ऊर्जावान है nanocomposites, निर्माण करने के लिए विकसित किया गया है, आत्म विधानसभा प-जेल 20-22, वाष्प जमाव तकनीक 16,17,23,24, साथ ही उच्च ऊर्जा 5, दृष्टिकोण गेंद मिलिंग (HEBM) 1,5। नैनो पाउडर की अल्ट्रासोनिक मिश्रण का नुकसान धातु नैनोकणों पर एक मोटी (5-10) एनएम ऑक्साइड खोल ऊर्जा घनत्व कम होता है और प्रतिक्रियाशील मिश्रण का दहन प्रदर्शन degrades है। इसके अलावा, ईंधन और आक्सीकारक के वितरण के समान नहीं है, और अभिकारकों के बीच इंटरफेसियल संपर्क अंतरंग नहीं है। प-जेल एकडी आत्म विधानसभा रणनीतियों विशिष्ट दीमक nanocomposites की तैयारी के लिए विकसित किए गए। कम लागत वाली तकनीक होने के बावजूद, उन रणनीतियों एक पर्यावरणीय दृष्टि से हरी नहीं हैं। इसके अलावा, अशुद्धियों की बड़ी मात्रा में तैयार कंपोजिट में पेश कर रहे हैं। वाष्प जमाव या magnetron sputtering प्रतिक्रियाशील बहु परत foils और कोर-खोल ऊर्जावान सामग्री तैयार करने के लिए प्रयोग किया जाता है। यह सैद्धांतिक मॉडलिंग सरल और सटीकता को बढ़ाता है कि कंपोजिट के एक ताकना मुक्त और अच्छी तरह से परिभाषित ज्यामिति प्रदान करता है। हालांकि, इस तकनीक को पैमाने पर करने के लिए महंगा और मुश्किल है। इसके अलावा, तैयार स्तरों पर होती है nanocomposites कुछ शर्तों में अस्थिर कर रहे हैं।
उच्च ऊर्जा गेंद मिलिंग (HEBM) nanostructured ऊर्जावान कंपोजिट 5, 9 -14 के प्रभावी निर्माण की अनुमति देता है कि एक पर्यावरण के अनुकूल है, आसानी से स्केलेबल दृष्टिकोण है। HEBM सस्ती है और विभिन्न प्रतिक्रियाशील सामग्री रचनाओं (के साथ प्रयोग किया जा सकता है जैसे,rmites, intermetallics, carbides, borides, आदि) कि फार्म प्रतिक्रियाओं।
प्रोटोकॉल अल्पकालिक HEBM विधि का उपयोग कर अनुरूप microstructure के साथ प्रतिक्रियाशील ऊर्जावान (नी + अल, तिवारी + सी, टा + ग) nanocomposites की तैयारी के लिए एक विस्तृत वर्णन प्रदान करता है। यह भी रूप में गढ़े ऊर्जावान सामग्री के इग्निशन / दहन विशेषताओं का निर्धारण करने के लिए एक उच्च गति थर्मल इमेजिंग तकनीक का वर्णन है। अंत में यह केंद्रित आयन बीम (FIB) से लैस फील्ड उत्सर्जन स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (FESEM) का उपयोग nanocomposites के microstructure के विश्लेषण से पता चलता है। प्रोटोकॉल या तो उच्च ऊर्जा घनत्व स्रोत के रूप में या दहन आधारित दृष्टिकोण से संश्लेषण और उन्नत nanomaterials के प्रसंस्करण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि विभिन्न ऊर्जावान है nanomaterials (gasless और दीमक सिस्टम) की तैयारी के लिए एक महत्वपूर्ण गाइड है।
Protocol
Representative Results
Discussion
प्रोटोकॉल अल्पकालिक HEBM विधि का उपयोग कर अनुरूप microstructure के साथ प्रतिक्रियाशील ऊर्जावान (तिवारी + सी, टा + सी, नी + अल) nanocomposites की तैयारी के लिए एक विस्तृत वर्णन प्रदान करता है। Gasless विषम मिश्रण के HEBM मिश्रण के कणों <e…
Divulgations
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).
