Nanothermite के साथ Meringue की तरह आकृति विज्ञान: ढीला पाउडर से अल्ट्रा-छिद्रित वस्तुओं के लिए
Summary
इस पांडुलिपि orthophosphoric एसिड की प्रतिक्रिया द्वारा दहनशील aluminophosphate मैट्रिक्स के संश्लेषण का वर्णन (एच3पीओ4) एल्यूमीनियम nanopowder के साथ. जब यह प्रतिक्रिया टंगस्टन trioxide nanopowder की उपस्थिति में अतिरिक्त एल्यूमीनियम के साथ किया जाता है, यह एक ठोस, छिद्रित nanothermite फोम की ओर जाता है ।
Abstract
इस लेख में वर्णित प्रोटोकॉल का लक्ष्य aluminothermic रचनाएँ (nanothermites) को छिद्रित, अखंड वस्तुओं के रूप में तैयार करना है. Nanothermites दहनशील अकार्बनिक ईंधन और एक ऑक्सीकरण से बना सामग्री रहे हैं । nanothermite फोम में एल्यूमिनियम ईंधन और एल्यूमीनियम फॉस्फेट है और टंगस्टन trioxide ऑक्सीकरण moieties हैं । nanothermites में सबसे अधिक ज्वाला प्रोपेगेशन वेग (FPVs) ढीले चूर्ण में मनाया जाता है और FPVs गोली nanothermite चूर्ण की दृढ़ता से कमी होती है । एक भौतिक दृष्टि से, nanothermite ढीला पाउडर metastable प्रणालियों रहे हैं । उनके गुणों को अनजाने झटके या कंपन द्वारा प्रेरित संपीड़न द्वारा या समय के साथ कणों के अलगाव की घटना है, जो उनके घटकों के घनत्व मतभेदों से उत्पंन द्वारा द्वारा बदल सकता है । एक पाउडर से एक वस्तु के लिए चलती चुनौती है कि चमकदार प्रणाली में nanothermites एकीकृत करने के लिए दूर किया जाना चाहिए है । Nanothermite वस्तुओं दोनों एक उच्च खुला porosity और अच्छी यांत्रिक शक्ति होना चाहिए । Nanothermite फोम इन मानदंडों के दोनों मिलते हैं, और वे एक नैनो-आकार aluminothermic मिश्रण (अल/orthophosphoric एसिड में3) फैलाने के द्वारा तैयार कर रहे हैं । एसिड समाधान के साथ एल्यूमीनियम की प्रतिक्रिया AlPO4 “सीमेंट” जिसमें अल और हाय3 नैनोकणों एंबेडेड देता है । nanothermite फोम में, एल्यूमीनियम फॉस्फेट बांधने की मशीन और ऑक्सीकरण की दोहरी भूमिका निभाता है । इस विधि को टंगस्टन trioxide के साथ प्रयोग किया जा सकता है, जिसे तैयारी प्रक्रिया द्वारा बदला नहीं जाता । यह शायद कुछ आक्साइड, जो सामांयतः उच्च प्रदर्शन nanothermites की तैयारी के लिए इस्तेमाल किया जाता है के लिए बढ़ाया जा सकता है । हाय3आधारित nanothermite फोम इस लेख में वर्णित विशेष रूप से प्रभाव और घर्षण है, जो उंहें अभी तक ढीला अल से संभाल करने के लिए सुरक्षित/ इन सामग्रियों की तेजी से दहन आतिशबाज़ी प्रज्वलित में दिलचस्प आवेदन किया है । प्राइमर के रूप में डेटोनेटर में उनके उपयोग उनकी रचना में एक माध्यमिक विस्फोटक के शामिल होने की आवश्यकता होगी ।
Introduction
नैनो को बदलने के लिए एक विधि पर यह लेख रिपोर्ट-आकार aluminothermic मिश्रण (अल/1फोम के लिए एक ढीला पाउडर राज्य से3) । Nanothermites तेजी से ऊर्जावान रचनाओं, जो सबसे अक्सर एक धातु ऑक्साइड के मिश्रण के शारीरिक द्वारा तैयार कर रहे है जल रहे है/nanopowders2के रूप में । सबसे अधिक प्रतिनिधि आक्साइड तैयार करने के लिए इस्तेमाल किया nanothermites सीआर2हे33रहे हैं,4, Fe2O35, MnO26, हाय37, मू38 , कुऑ9 और द्वि2ओ310,11, जबकि धातु का इस्तेमाल किया लवण perchlorates12,13, iodates14,15हैं, periodates१६, सल्फेट१७ या persulfates१८. एल्यूमिनियम nanopowder इस तरह के एक उच्च ऑक्सीकरण गर्मी के रूप में उनके कई वांछनीय गुणों के कारण nanothermites के लिए ईंधन के रूप में सबसे अच्छा विकल्प है (10-25 kJ/जी )19, तेजी से प्रतिक्रियाकैनेटीक्स20, कमविषाक्तता21, और एक निष्पक्ष स्थिरता की डिग्री एक बार यह सही है22passivated गया है ।
अल आधारित nanothermites में, लौ सामने उच्च वेग पर प्रचार (०.१-२.५ किमी/, लेकिन यह नहीं, तथापि, विस्फोट के रूप में माना जा सकता है23। प्रतिक्रिया तंत्र वास्तव में unactioned सामग्री के porosity में गर्म गैसों के संवहन से प्रेरित है । दूसरे शब्दों में, porosity nanothermites की तेजी से जलने के लिए आवश्यक है । हालांकि, ढीले nanothermite पाउडर एक भौतिक दृष्टिकोण से स्थिर नहीं है । वे झटके या कंपन द्वारा संकुचित कर रहे हैं, और उनके घने घटक (आम तौर पर ऑक्साइड) उत्तरोत्तर संरचना से गुरुत्वाकर्षण के प्रभाव से अलग है । nanothermite porosity के स्थिरीकरण भविष्य आतिशबाज़ी प्रणालियों में उनके एकीकरण के लिए एक महत्वपूर्ण चुनौती है ।
यहां वर्णित तैयारी प्रक्रिया का मुख्य लाभ अत्यधिक छिद्रपूर्ण, ठोस, nanothermite monoliths, जिसे उस पेस्ट को ढलाई करके आकार दिया जा सकता है जिसमें वे प्रपत्र हैं । इसके अतिरिक्त, nanothermite फोम nanothermite ढीला पाउडर की तुलना में सदमे, घर्षण और इलेक्ट्रोस्टैटिक निर्वहन के लिए काफी असंवेदनशील हैं । इस संवेदनहीनता उंहें विशेष रूप से संभाल करने के लिए सुरक्षित बनाता है और मशीन, उदाहरण के लिए काटने या ड्रिलिंग द्वारा ।
जब ढीला nanothermite पाउडर दबाया या गोली, उनके porosity कम हो जाती है और वस्तुओं का गठन कर रहे हैं । ऐसी सामग्रियों की सामंजस्य सतह के बल से होती है, जो नैनोकणों के एकत्रीकरण के लिए उत्तरदायी होते हैं । nanothermite छर्रों की यांत्रिक शक्ति कार्बन नैनो फाइबर की उपस्थिति में सुधार किया जा सकता है, जो इन वस्तुओं को मजबूत करने के लिए एक रूपरेखा के रूप में कार्य करते हैं24. दुर्भाग्य से, दृढ़ता से दबाने nanothermites की प्रतिक्रिया कम हो जाती है । अप्रेंटिस एट अलके अनुसार, नैनो के दबाने अल/नैनो-हाय3 रचनाओं परिमाण7के दो आदेश से उनकी प्रतिक्रिया वेग के पतन लाती है । अंत में, सबसे विस्फोटक के विपरीत, nanothermites दबाकर आकार नहीं किया जा सकता है ।
तिथि करने के लिए, संरचना nanothermites के लिए बहुत कुछ तरीकों nanothermites से निपटने के वैज्ञानिक साहित्य में सूचित किया गया है । Nanothermites सब्सट्रेट पर जमा किया जा सकता है, या तो उनके घटकों के पाउडर से एक तरल माध्यम में फैलाया ट्रो द्वारा25, या sputtering द्वारा अपने घटकों के क्रमिक परतों में26. दोनों तरीकों घने जमा है, जो ढीली पाउडर की तुलना में कम प्रतिक्रियाशील है और सब्सट्रेट जिस पर वे तैयार कर रहे है से फाड़ना करने के लिए नेतृत्व करते हैं ।
nanothermite से बना “तीन आयामी वस्तुओं” की तैयारी Tillotson एट अल द्वारा प्रस्तावित किया गया था । 5, जो गहरा घाव एट अल द्वारा विकसित सोल-जेल संश्लेषण का इस्तेमाल किया है कि epoxides27द्वारा धातु लवण के तालमेल समाधान के होते हैं । सोल में अल nanopowder को फैलाकर, तालमेल से पहले Nanothermite monoliths तैयार किया जाता है. जैल बाद में या तो एक गर्मी चैंबर में सूख रहे है xerogels उत्पादन या एक जटिल सुपर CO2 के उपयोग को शामिल प्रक्रिया के द्वारा aerogels प्राप्त करने के लिए । Nanothermite aerogels न केवल मजबूत जेट है, लेकिन यह भी उनके उत्कृष्ट यांत्रिक गुणों के कारण machined जा सकता है । इसके अलावा, सोल-जेल प्रक्रिया एक सूक्ष्म और mesoporous सामग्री मिश्रण में ईंधन (अल) और आक्साइड के बीच सजातीयता की एक बेजोड़ डिग्री के साथ संश्लेषित करने के लिए अनुमति देता है । इन दिलचस्प सुविधाओं के बावजूद, सोल-जेल प्रक्रिया का उपयोग द्वारा सीमित है: (i) बैच संश्लेषण की जटिलता, जो कई मापदंडों पर निर्भर करता है; (ii) अंतिम सामग्री में संश्लेषण शोधकार्य (अशुद्धियों) की अपरिहार्य उपस्थिति, और (iii) बहुत लंबे समय की प्रक्रिया के विभिंन चरणों द्वारा की जरूरत है ।
nanothermite के दहनशील मैट अल और कुऑ नैनोकणों के साथ आरोप लगाया समाधान से nitrocellulose (बांधने की मशीन) के electrospinning द्वारा तैयार किए गए थे28। इन nanothermite महसूस उप माइक्रोमीटर पैमाने पर व्यास है, जो एक प्राथमिकताओं गैर असुरक्षित है के साथ फाइबर से बना रहे हैं । इन सामग्रियों में porosity फाइबर की उलझाव द्वारा परिभाषित किया गया है । nanothermite मैट के नमूने धीरे जला (०.०६-१.०६ मी.) एक ढीला पाउडर राज्य में शुद्ध नैनो-आकार अल/कुऑ मिश्रण की तुलना में, जिसमें लौ सामने कई सौ मी29के वेग में प्रचार । अंत में, nanothermites के लिए एक बांधने की मशीन के रूप में nitrocellulose का उपयोग आदर्श नहीं है, क्योंकि यह काफी उनके थर्मल संवेदनशीलता बढ़ जाती है और उनके दीर्घकालिक रासायनिक स्थिरता बदल ।
nanothermites की झिल्ली यांग एट अल द्वारा तैयार की गई थी । जटिल श्रेणीबद्ध MnO से2/SnO2 बिषम अल नैनोकणों6के साथ मिश्रित । इन सामग्रियों में, ऑक्साइड चरण में एक बहुत विशिष्ट आकृति विज्ञान है, जिसमें MnO2 नैनो-तारों को SnO2 शाखाओं द्वारा कवर किया जाता है । इसकी बहुत विशेष संरचना की वजह से, ऑक्साइड न केवल जाल अल नैनोकणों, लेकिन यह भी झिल्ली के यांत्रिक प्रतिरोध सुनिश्चित करता है ।MnO2/SnO2/Al झिल्ली की तैयारी की प्रक्रिया बहुत सरल है; यह तरल जिसमें यह तैयार किया गया है में निहित nanothermite फ़िल्टरिंग के होते हैं, एक झिल्ली के रूप में निस्पंदन केक का उपयोग कर ।
संक्षेप में प्रस्तुत करने के लिए, वैज्ञानिक साहित्य में उल्लेख किया केवल nanothermite वस्तुओं सब्सट्रेट, aerogels, या मैट पर जमा हो जाती है । ठोस फोम के रूप में nanothermites तैयार करने का विचार कार्यात्मक आतिशबाज़ी प्रणालियों में इन ऊर्जावान सामग्री के एकीकरण के लिए नए क्षितिज खोलता है । फोम प्रक्रिया इस लेख में रिपोर्ट करने के लिए सरल है और वस्तुतः किसी भी एल्यूमीनियम nanopowder से तैयार nanothermite के लिए लागू किया जा सकता है । फोम एजेंट orthophosphoric एसिड (एच3पीओ4) है, एक आम, सस्ता और गैर विषैला रसायन, जो नैनो के साथ प्रतिक्रिया करता है-अल सीमेंट (AlPO4) और गैसों (एच2, एच2ओ वाष्प) देने के लिए जो की porosity बनाने सामग्री1। एल्यूमीनियम फॉस्फेट उच्च तापमान पर विशेष रूप से स्थिर है, इस तरह के ऊर्जावान पॉलिमर (nitrocellulose) के रूप में कार्बनिक बांधने के विपरीत. हालांकि, AlPO4 उच्च तापमान पर नैनो-अल के प्रति एक ऑक्सीकरण के रूप में व्यवहार करता है, की अवधारणा के अनुसार “नकारात्मक विस्फोटकों” Shimizu द्वारा प्रस्तावित30।
Protocol
Representative Results
Discussion
एसिड के साथ nanopowders के मिश्रण की प्रक्रिया और विस्फोट चैंबर के समापन, सुरक्षा कारणों के लिए जल्दी से किया जाना चाहिए । प्रतिक्रिया देरी कुछ हद तक भिन्न हो सकते हैं (1-10 मिनट), प्रयोगात्मक शर्तों के आधार पर. यह ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
लेखकों को आइएसएल के फोटोग्राफरों, Yves सुमा और Yannick Boehrer, नमूनों की तस्वीरों के लिए और संश्लेषण के उच्च गति वीडियो द्वारा अवलोकन के लिए और nanothermite फोम के दहन के लिए शुक्रिया अदा करना चाहूंगा । वे भी अपने सहयोगी डॉ विंसेंट Pichot के लिए NS3E प्रयोगशाला से एक्स-रे विवर्तन द्वारा सामग्री के लक्षण वर्णन के लिए उनका आभार व्यक्त करना चाहूंगा ।
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).
