Nanothermite עם מרנג דמוי מורפולוגיה: מאבקה לאובייקטים אולטרה נקבובי
Summary
כתב יד זה מתאר את הסינתזה של מטריצות aluminophosphate דליק לפי התגובה של חומצה זרחתית (H3פו4) עם אלומיניום nanopowder. כאשר התגובה הזו מתבצעת עם עודף אלומיניום בנוכחות טונגסטן trioxide nanopowder, זה מוביל קצף מוצק, נקבובי nanothermite.
Abstract
המטרה של הפרוטוקול המתואר במאמר זה היא להכין יצירות aluminothermic (nanothermites) בצורה של אובייקטים נקבוביים, מונוליתי. Nanothermites הם חומרים דליקים המורכב מחמצן והדלק אורגניים. ב- nanothermite קצף, אלומיניום היא דלק, אלומיניום פוספט ו טונגסטן trioxide הם moieties חמצון. בין הגבוהים להבה הפצת המהירויות (FPVs) ב- nanothermites הם נצפו אבקות רופף, FPVs חריפה הופחתו לייצור כדוריות nanothermite אבקות. מבחינה פיזית, אבקות רופף nanothermite הן מערכות והשלמת. ניתן לשנות את המאפיינים שלהם על-ידי דחיסת לא מכוונת המושרה על ידי זעזועים או ויברציות או ההפרדה של חלקיקים לאורך זמן על ידי להתיישב, תופעות, שמקורו מן ההבדלים צפיפות של הרכיבים שלהם. העברת מג’ל אובייקט הוא האתגר שחייבים להכריעו לשלב nanothermites במערכות פירוטכניים. אובייקטים Nanothermite חייב להיות גבוה נקבוביות פתוחות והן חוזק מכני טוב. קצף Nanothermite נפגשים שני קריטריונים אלה, שהם מוכנים על ידי פיזור תערובת בגודל ננו aluminothermic (Al/וו3) בחומצה זרחתית. התגובה של אלומיניום עם הפתרון חומצה נותן4 מזון לכלבים “המלט” של חלקיקים3 אשר Al לעבו מוטבעים. Nanothermite קצף, אלומיניום פוספט מנגן את התפקיד הכפול של קלסר מחמצן. ניתן להשתמש בשיטה זו עם טונגסטן trioxide, אשר אינה משתנה על ידי תהליך ההכנה. זה כנראה אפשרות להאריך עד כמה תחמוצות, אשר משמשים בדרך כלל עבור הכנת ביצועים גבוהים nanothermites. וו3-קצף nanothermite מבוסס המתוארות במאמר זה הן רגישות במיוחד ההשפעה וחיכוכים, מה שהופך אותם הרבה יותר בטוח. להתמודד עם יותר אבקה3 Al/WO. הבעירה מהיר של חומרים אלה יש יישומים מעניינים פירוטכניים מפגש המשחק של מקס. השימוש בהם במסגרת נפצים כמו תחל ידרוש שיתוף חומרי נפץ משני בהרכב שלהם.
Introduction
מאמר זה מדווח על שיטה להמרת בגודל ננו aluminothermic תערובות (Al/וו3) ממצב אבקה, קצף1. Nanothermites מהירים שריפת יצירות אנרגטי, אשר מוכנים בתדירות הגבוהה ביותר על ידי ערבוב הפיזי של תחמוצת מתכת/מלח מתכת תוך צמצום, בצורה של ננו אבקות2. תחמוצות קנאס המשמשים להכנת nanothermites הם Cr2O33,4, Fe2O35, המפעילים הוירטואליים ובעלי התשתית263WO7, MoO38 , CuO9 ו- Bi2O310,11, ואילו המלחים מתכתיים בשימוש הם הדאגה שלכם12,13, iodates14,15, periodates16, סולפטים17 או persulfates18. אלומיניום nanopowder היא הבחירה הטובה ביותר כדלק nanothermites בשל תכונותיהם המבוקשות רבים, כגון חום (10-25 kJ/g) חמצון גבוהה19, מהיר התגובה קינטיקה20, רעילות נמוכה21, , יריד מידת יציבות ברגע עברו במדויק passivated22.
במבוסס-Al nanothermites, חזית להבה מפיצה במהירויות גבוהות (0.1 – 2.5 ק מ לשנייה), אבל זה לא יכול, עם זאת, להיחשב פיצוץ23. מנגנון התגובה למעשה מונעת על ידי הסעה של גזים חמים ב שהנקבוביות הן של חומר unreacted. במילים אחרות, נקבוביות חיוני מהר שריפת nanothermites. עם זאת, אבקת רופף nanothermite אינה יציבה מבחינה פיזית. הם נמצאים נדחס על ידי זעזועים או ויברציות, רכיב הצפוף שלהם (בדרך כלל את תחמוצת) בהדרגה מפריד בין ההרכב על ידי השפעת הכבידה. הייצוב של נקבוביות nanothermite הוא אתגר קריטי עבור שילובם במערכות פירוטכניים בעתיד.
היתרון העיקרי של תהליך ההכנה המתוארים בזאת היא לתת nanothermite מוצרים נקבובי מאוד, יציב, הפסלים, אשר יכולה להיות מעוצבת על ידי שהמודעות הדבק שממנו הם יוצרים. בנוסף, nanothermite קצף הם חסרת הלם, חיכוך, בהשוואה אבקות רופף nanothermite מטען אלקטרוסטטי. רגישות זו הופכת אותם בטוח במיוחד ידית, מכונה, למשל על ידי ניסור או קידוח.
אבקות nanothermite חופשי אתה לחוץ, או pelletized, נקבוביות שלהם פוחתת, אובייקטים נוצרות. הלכידות של חומרים כאלה מקורו של הכוחות פני השטח, אשר אחראים על הצבירה של חלקיקים. ניתן לשפר את חוזק מכני של כדורי nanothermite בנוכחות פחמן ננו-סיבים, אשר לשמש מסגרת כדי לחזק את האובייקטים האלה24. למרבה הצער, לחיצה חזקה מקטינה את תגובתיות של nanothermites. על-פי פרנטיס. et al., הקשה של ננו-Al/ננו-WO3 יצירות גורם קריסה של מהירות התגובה שלהם על ידי שני סדרי גודל7. לסיכום, בניגוד לרוב חומרי נפץ, nanothermites לא יכול להיות מעוצבת על ידי לחיצה.
עד כה, שיטות מעט מאוד להבניית nanothermites דווחו הספרות המדעית העוסק nanothermites. Nanothermites ניתן להפקיד על מצעים, או את אבקות של הרכיבים שלהם התפזרו לתוך מדיום נוזלי אלקטרופורזה25, או על ידי את התזה של הרכיבים שלהם שכבות רציפות26. שתי הגישות להוביל פיקדונות צפופה, תגובתי פחות מאשר אבקות חופשי והם נוטים delaminate מן המצע שעליו הם מוכנים.
הכנת “” מימדיים המורכב nanothermite הוצע לראשונה על ידי. Tillotson et al. 5, אשר השתמשו הסינתזה סול-ג’ל שפותחה על ידי רעש. ואח המורכב פתרונות ג’לי של מלחי מתכת על ידי epoxides,27. Nanothermite הפסלים מוכנות על ידי פיזור nanopowder Al ב- סול, לפני ג’לי. ג’לים עוברות ייבוש לאחר מכן תא חום כדי לייצר xerogels או על ידי תהליך מורכב הכרוכות של דודי סופר CO2 כדי להשיג aerogels. Nanothermite aerogels לא רק יש תגובתיות חזקה אבל גם ובתפקוד בשל תכונותיהם מכני מעולה. בנוסף, תהליך סול-ג’ל מאפשרת לסנתז חומרים מיקרו – ו mesoporous עם תואר ללא תחרות של הומוגניות בין הדלקים (אי אל) את תחמוצת בתערובת. למרות אלה תכונות מעניינות, השימוש של התהליך סול-ג’ל הוא מוגבל על ידי: (i) המורכבות של הסינתזה אצווה, אשר תלויה בפרמטרים רבים; (ii) נוכחות בלתי נמנע של סינתזה תוצרי לוואי (זיהומים) חומר סופי, וכן (iii) רב הזמן הנחוץ השלבים השונים של התהליך.
מחצלות דליק של nanothermite הוכנו על ידי electrospinning של ניטרוצלולוזה (קלסר) מפתרונות מואשם חלקיקים באל, CuO28. אלה פאלטס nanothermite מורכבים של סיבים עם קטרים סולם מיקרומטר משנה, אשר אפריורי שאינו נקבובי. חומרים אלה, נקבוביות מוגדרת על-ידי הסתבכותו של סיבים. הדגימות של nanothermite מחצלות צריבה לאט (0.06 – 1.06 m/s) לעומת טהור בגודל ננו באל/CuO תערובות במצב אבקה, שבו חזית להבה מתפשטת במהירות של מספר מאות מ’/ש’29. לבסוף, השימוש ניטרוצלולוזה כדבק nanothermites אינו אידיאלי, כי היא מגבירה את רגישותם תרמי, הפיצולים לשחיקה שלהם לטווח ארוך במידה ניכרת.
הממברנות של nanothermites הוכנו על ידי היאנג. ואח של מורכבות הירארכי המפעילים הוירטואליים ובעלי התשתית2/SnO2 heterostructures מעורבב עם חלקיקים Al6. חומרים אלה, יש שלב תחמוצת מורפולוגיה מאוד ספציפי, שבו המפעילים הוירטואליים ובעלי התשתית2 ננו-חוטים מכוסים על ידי כדורי שלג2 סניפים. בגלל המבנה שלה מאוד מסוים, תחמוצת לא רק לוכד חלקיקים באל, אלא גם מבטיח את עמידות מכנית של הקרום.תהליך ההכנה של המפעילים הוירטואליים ובעלי התשתית2/SnO2/Al ממברנות היא פשוטה מאוד; זה מורכב של סינון של nanothermite הכלול הנוזל שבו שהוא מוכן, באמצעות סינון העוגה כמו קרום.
לסיכום, nanothermite היחיד של אובייקטים שהוזכרו בספרות המדעית הם פיקדונות סובסטרטים, aerogels או מחצלות. הרעיון של הכנת nanothermites בצורה של קצף מוצק פותח אופקים חדשים לשילוב של החומרים האנרגטי למערכות פירוטכניקה פונקציונלי. התהליך מקציף דיווחו במאמר זה הוא פשוט כדי לבצע, באפשרותך להחיל כמעט על כל nanothermite שהוכנו אלומיניום nanopowder. חומר מקציף הוא חומצה זרחתית (H3פו4), חומר כימי נפוץ, זולה, לא רעיל, אשר מגיב עם ננו-Al לתת את הבטון (מזון לכלבים4) והגזים (H2, אדי2O H) יוצר את נקבוביות חומרים1. אלומיניום פוספט יציב במיוחד בטמפרטורות גבוהות, בניגוד קלסרים אורגניים כגון אנרגטי פולימרים (ניטרוצלולוזה). עם זאת, מזון לכלבים4 מתנהג כמו מחמצן לכיוון ננו-Al בטמפרטורה גבוהה, על-פי התפיסה השלילית חומרי נפץ”המוצע על ידי שימיזו30.
Protocol
Representative Results
Discussion
תהליך ערבוב של ננו אבקות בחומצה וסגירת הלשכה פיצוץ חייב להתבצע במהירות, מטעמי בטיחות. עיכוב התגובה עשוי להשתנות במידה מסוימת (1-10 דקות), בהתאם לתנאי הניסוי. זה מתקצר כאשר טמפרטורת החדר היא גבוהה מדי או בנוכחות מקורות חימום חיצוני כמו זרקור, אשר יכול לגרום הפעלה מוקדמת של התגובה השוצפים. לעומ…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצה להודות הצלמים של ISL, איב סומה, יאניק Boehrer, עבור התמונות של דוגמאות, התצפית על ידי וידאו במהירות גבוהה של הסינתזה, על הבערת nanothermite קצף. הם גם רוצה להביע את תודתי לעמית שלהם ד ר וינסנט Pichot מן המעבדה NS3E על האפיון של החומרים על ידי קרני רנטגן.
Materials
| Aluminum nanopowder | Intrinsiq Materials | – | nanopowder, ≈ 100 nm particle size Al QNA891 |
| Tungsten(VI) oxide | Sigma-Aldrich | 550086-25G | nanopowder, <100 nm particle size (TEM) Lot# MKBR9903V |
| Orthophosphoric Acid | Fisher Scientific | – | 85% solution |
| polyethylene Pasteur pipette 3 mL | Th. Geyer | 7691062 | LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,50 ml, Length 145 mm |
| polyethylene Pasteur pipette 1 mL | Th. Geyer | 7691063 | LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,25 ml, Length 150 mm |
| Test tube shaker Reax Control | Heidolph | 541-11000-00 | Vortex mixer with strong 5 mm vibration orbit yields |
References
- Comet, M., Martin, C., Schnell, F., Spitzer, D. Nanothermite foams: From nanopowder to object. Chem. Eng. J. 316, 807-812 (2017).
- Lafontaine, E., Comet, M. . Nanothermites. , (2016).
- Comet, M., et al. Preparation of Cr2O3 nanoparticles for superthermites by the detonation of an explosive nanocomposite material. J. Nanopart. Res. 13 (5), 1961-1969 (2011).
- Gibot, P., et al. Highly Insensitive/Reactive Thermite Prepared from Cr2O3 Nanoparticles. Propell. Explos. Pyrot. 36 (1), 80-87 (2011).
- Tillotson, T. M., Gash, A. E., Simpson, R. L., Hrubesh, L. W., Satcher, J. H., Poco, J. F. Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies. J. Non-Cryst. Solids. 285 (1-3), 338-345 (2001).
- Yang, Y., et al. Hierarchical MnO2/SnO2 Heterostructures for a Novel Free-Standing Ternary Thermite Membrane. Inorg. Chem. 52 (16), 9449-9455 (2013).
- Prentice, D., Pantoya, M. L., Gash, A. E. Combustion Wave Speeds of Sol-Gel-Synthesized Tungsten Trioxide and Nano-Aluminum: The Effect of Impurities on Flame Propagation. Energ. Fuel. 20 (6), 2370-2376 (2006).
- Bockmon, B. S., Pantoya, M. L., Son, S. F., Asay, B. W., Mang, J. T. Combustion velocities and propagation mechanisms of metastable interstitial composites. Appl. Phys. Lett. 98, 064903 (2005).
- Apperson, S., et al. Generation of fast propagating combustion and shock waves with copper oxide/aluminum nanothermite composites. Appl. Phys. Lett. 91, 243109 (2007).
- Wang, L., Luss, D., Martirosyan, K. S. The behavior of nanothermite reaction based on Bi2O3/Al. J. Appl. Phys. 110, 074311 (2011).
- Martirosyan, K. S., Wang, L., Vicent, A., Luss, D. Synthesis and performances of bismuth trioxide nanoparticles for high energy gas generator use. Nanotechnology. 20 (8), 405609 (2009).
- Armstrong, R. W., Baschung, B., Booth, D. W., Samirant, M. Enhanced Propellant Combustion with Nanoparticles. Nano Lett. 3 (2), 253-255 (2003).
- Wu, C., Sullivan, K., Chowdhury, S., Jian, G., Zhou, L., Zachariah, M. R. Encapsulation of Perchlorate Salts within Metal Oxides for Application as Nanoenergetic Oxidizers. Adv. Funct. Mater. 22 (1), 78-85 (2012).
- Sullivan, K. T., Piekiel, N. W., Chowdhury, S., Wu, C., Zachariah, M. R., Johnson, C. E. Ignition and Combustion Characteristics of Nanoscale Al/AgIO3: A Potential Energetic Biocidal System. Combust. Sci. Technol. 183 (3), 285-302 (2010).
- Wang, H., Jian, G., Zhou, W., Delisio, J. B., Lee, V. T., Zachariah, M. R. Metal iodate-based energetic composites and their combustion and biocidal performances. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7 (31), 17363-17370 (2015).
- Jian, G., Feng, J., Jacob, R. J., Egan, G. C., Zachariah, M. R. Super-reactive Nanoenergetic Gas Generators Based on Periodate Salts. Angew. Chem. Int. Ed. 52 (37), 9743-9746 (2013).
- Comet, M., Vidick, G., Schnell, F., Suma, Y., Baps, B., Spitzer, D. Sulfates-Based Nanothermites: An Expanding Horizon for Metastable Interstitial Composites. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (15), 4458-4462 (2015).
- Zhou, W., Delisio, J. B., Li, X., Liu, L., Zachariah, M. R. Persulfate salt as an oxidizer for biocidal energetic nano-thermites. J. Mater. Chem. A. 3 (22), 11838-11846 (2015).
- Sun, J., Pantoya, M. L., Simon, S. L. Dependence of size and size distribution on reactivity of aluminum nanoparticles in reactions with oxygen and MoO3. Thermochim. Acta. 444 (2), 117-127 (2006).
- Levitas, V. I., Asay, B. W., Son, S. F., Pantoya, M. Melt dispersion mechanism for fast reaction of nanothermites. Appl. Phys. Lett. 89, 071909 (2006).
- Park, E. -. J., Kim, H., Kim, Y., Choi, K. Repeated-dose toxicity attributed to aluminum nanoparticles following 28-day oral administration, particularly on gene expression in mouse brain. Toxicol. Environ. Chem. 93 (1), 120-133 (2011).
- Walter, K. C., Aumann, C. E., Carpenter, R. D., O’Neill, E. H., Pesiri, D. R. Energetic materials development at technanogy materials development. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 800, 27-37 (2004).
- Khasainov, B., Comet, M., Veyssière, B., Spiter, D. Comparison of performance of fast–reacting nanothermites and primary explosives. Propell. Explos. Pyrot. , (2017).
- Siegert, B., Comet, M., Spitzer, D. Safer energetic materials by a nanotechnological approach. Nanoscale. 3, 3534-3544 (2011).
- Sullivan, K. T., Kuntz, J. D., Gash, A. E. Electrophoretic deposition and mechanistic studies of nano-Al/CuO thermites. J. Appl. Phys. 112, 024316 (2012).
- Blobaum, K. J., Reiss, M. E., Plitzko, J. M., Weihs, T. P. Deposition and characterization of a self-propagating CuOx/Al thermite reaction in a multilayer foil geometry. J. Appl. Phys. 94 (5), 2915-2922 (2003).
- Gash, A. E., Tillotson, T. M., Satcher, J. H., Poco, J. F., Hrubesh, L. W., Simpson, R. L. Use of epoxides in the sol-gel synthesis of porous iron (III) oxide monoliths from Fe(III) salts. Chem. Mater. 13 (3), 999-1007 (2001).
- Yan, S., Jian, G., Zachariah, M. R. Electrospun nanofiber-based thermite textiles and their reactive properties. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4, 6432-6435 (2012).
- Puszynski, J. A., Groven, L. J., Altavilla, C., Ciliberto, E. Formation of nanosized aluminum and its applications in condensed phase reactions. Inorganic nanoparticles. Synthesis, applications and perspectives. , (2011).
- Shimizu, T. A. Concept and the use of negative explosives. Proceedings of the 11th International Pyrotechnics Seminar, Vail, Colorado, July 7-11. , (1986).
- Molkov, V. . Fundamentals of Hydrogen Safety Engineering. 1, (2012).
- Comet, M., Martin, C., Klaumünzer, M., Schnell, F., Spitzer, D. Energetic nanocomposites for detonation initiation in high explosives without primary explosives. Appl. Phys. Lett. 107, 243108 (2015).
