Vorbereitung und Reaktivität von Gaslose Nanostrukturierte Energetische Materialien
Summary
Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung von nanostrukturierten gasless energetische Materialien (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) unter Verwendung des Kurzzeit-Hochenergie-Kugelmühle (HEBM) -Technik. Es beschreibt auch eine Hochgeschwindigkeits-Wärmeabbildungsverfahren, um die Reaktivität von mechanisch hergestellten Nanokomposite studieren. Diese Protokolle können andere reaktive nanostrukturierten energetischen Materialien erweitert werden.
Abstract
Hochenergie-Kugelmahlen (HEBM) ein Kugelmahlverfahren wobei ein Pulvergemisch in der Kugelmühle gegeben wird, um hochenergetische Kollisionen von den Kugeln unterzogen. Neben anderen Anwendungen ist es eine vielseitige Technik, die für die effektive Herstellung von gasfreien reaktiven nanostrukturierten Materialien mit hoher Energiedichte pro Volumen (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) ermöglicht. Die strukturellen Veränderungen der reaktiven Medien, die während HEBM stattfinden wird, definieren die Reaktionsmechanismus in den erzeugten energetischen Verbundwerkstoffen. Variieren der Verarbeitungsbedingungen ermöglicht eine Feinabstimmung der Fräs- induzierten Mikrostrukturen der hergestellten Verbundteilchen. Wiederum der Reaktivität, also Selbstzündungstemperatur, Zündverzögerungszeit sowie Reaktionskinetiken mit hoher Energiedichte Materialien hängt von ihrer Mikrostruktur. Analyse der Fräs-induzierten Mikrostrukturen zeigt, dass die Bildung von frischem sauerstofffreie innige hoher Oberfläche Kontakte zwischen den Reagenzien is für die Verbesserung ihrer Reaktionsfähigkeit verantwortlich. Dies äußert sich in einer Verringerung der Zündtemperatur und Verzögerungszeit, einer erhöhten Geschwindigkeit der chemischen Reaktion und eine allgemeine Abnahme der effektiven Aktivierungsenergie der Reaktion. Das Protokoll enthält eine detaillierte Beschreibung zur Herstellung von reaktiven Nanoverbundstoffe mit maßgeschneiderten Mikrostruktur mit kurzfristigen HEBM Verfahren. Es beschreibt auch eine Hochgeschwindigkeits-Wärmebildtechnik, um die Zündung / Verbrennung Eigenschaften der energetischen Materialien zu bestimmen. Das Protokoll kann auf die Herstellung und Charakterisierung einer Vielzahl von nanostrukturierten energetischen Verbundstoffe angepasst werden.
Introduction
Klassische energetische Materialien, dh, Explosivstoffe, Treibstoffe und Pyrotechnik sind eine Klasse von Material mit einer hohen Menge an gespeicherte chemische Energie, die bei schnellen exothermen Reaktion 1-5 freigegeben werden kann. So werden beispielsweise Sprengstoff in der Regel durch die Kombination von Brennstoff und Oxidationsmittel in Gruppen erzeugt einem Molekül. Die Energiedichte dieser Materialien ist sehr hoch. Zum Beispiel bei der Zersetzung Trinitrotoluol (TNT) löst 7,22 kJ / cm 3 und bildet 8,36 Mol Gase pro 100 g (Tabelle 1) in einer sehr kurzen Zeitspanne. Diese Materialien werden von mikrometergroßen organische und anorganische Spezies (Brennstoffe und Oxidationsmittel) zusammen.
Thermit Systemen, in denen Reaktionen zwischen der anorganischen Verbindung stattfinden, dh, reduzierenden Metallen (zB Al) und Oxide (Fe 2 O 3, CuO, Bi 2 O 3), gehören zu einer anderen Art von energetischer Materialien. Die Energiedichte(15-21 kJ / cm 3) solcher Systeme übertrifft die von TNT, aber die Menge der Gasprodukte (0,15-0,6 Mol pro 100 g) ist in der Regel viel geringer als für Sprengstoffe (Tabelle 1). Auch können die Nano thermites extrem hohe Geschwindigkeit der Verbrennungswellenausbreitung (> 1000 m / s) 2 -5 zeigen.
Es wurde kürzlich gezeigt, 6-12 dass eine Anzahl von heterogenen gasless Reaktivsysteme (Ni + Al, Ti + C, Ti + B), die intermetallische oder feuerfeste Verbindungen bilden könnten auch als energetische Materialien berücksichtigt werden. Die Energiedichten (kJ / cm 3) dieser Systeme sind näher oder höher als die von TNT (Tabelle 1). Zur gleichen Zeit wird die Abwesenheit von Gasprodukten während der Reaktion macht solche Materialien zu ausgezeichneten Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Synthese von Nanomaterialien, reaktive Bindung von feuerfesten und unterschiedliche Teile, gaslosen Mikro-Stromgeneratoren usw. 11-17. Jedoch ist die relgleichsweise hohe Zündtemperatur dieser Systeme (900-3,000 K, siehe Tabelle 1) im Vergleich zu thermites (~ 1.000 K) ein Hindernis für die Anwendungen. Die Aufstellung von engineered nanostrukturierte Komposite deutlich verbessern konnte die Zünd- und Verbrennungseigenschaften der gaslosen heterogenen Systemen 12-14, 17.
Viele Verfahren sind entwickelt worden, um die Werk energetischen Nanokompositen wie Ultraschall fertigen Misch 18,19, self-assembly nähert 5, Sol-Gel 20-22 Aufdampftechniken 16,17,23,24 sowie hochenergetische Kugelmühle (HEBM) 1,5. Der Nachteil der Ultraschallmischen von Nano-Pulver ist, dass eine dicke (5-10 nm) -oxid-Shell auf Metall-Nanopartikel reduziert die Energiedichte und vermindert die Verbrennungsleistung von reaktiven Mischungen. Auch wurde die Verteilung von Brennstoff und Oxidationsmittel ist nicht einheitlich, und der Grenzflächenkontakt zwischen den Reaktionspartnern nicht vertraut. Sol-Gel eind Selbstorganisationsstrategien für die Herstellung spezieller Thermit Nanokomposite entwickelt. Trotz der Low-Cost-Techniken, sind diese Strategien nicht grün aus ökologischer Sicht. Außerdem werden große Mengen an Verunreinigungen in Komposite eingeführt. Aufdampfen oder Magnetronsputtern wird zur reaktiven Mehrschichtfolien und Kern-Schale-energetischen Materialien herzustellen. Es bietet eine porenfreie und gut definierten Geometrie der Verbundwerkstoffe, die theoretische Modellierung vereinfacht und verbessert die Genauigkeit. Jedoch ist diese Technik teuer und schwierig zu skalieren. Darüber hinaus sind die hergestellten geschichteten Nanokomposite instabil unter bestimmten Bedingungen.
Hochenergie-Kugelmühle (HEBM) ist eine umweltfreundliche, leicht skalierbaren Ansatz, der effektive Herstellung von nanostrukturierten energetischen Verbundwerkstoffe 5, 9 -14 ermöglicht. HEBM ist kostengünstig und kann mit verschiedenen reaktiven Materialzusammensetzungen verwendet werden (beispielsweise diermites Reaktionen, die intermetallischen Verbindungen, Carbiden, Boriden, etc.) zu bilden.
Das Protokoll stellt eine ausführliche Beschreibung zur Herstellung von reaktiven energetischen (Ni + Al, Ti + C, Ta + C) Nanokomposite maßgeschneiderte Mikrostruktur durch Verwendung des kurzfristigen HEBM Methode. Es beschreibt auch eine Hochgeschwindigkeits-Wärmebildtechnik, um die Zündung / Verbrennung Merkmale fabrik energetischen Materialien zu bestimmen. Schließlich zeigt es die Analyse der Mikrostruktur der Nanocomposites mit Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM) Ausgestattet mit Focused Ion Beam (FIB). Das Protokoll ist eine wichtige Führung für die Herstellung verschiedener energetischer Nanomaterialien (gasless und Thermit-Systeme), die entweder eine hohe Energiedichte Quellen oder zur Synthese und Verarbeitung von erweiterten Nanomaterialien durch Verbrennung basierte Ansätze verwendet werden konnte.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Protokoll stellt eine ausführliche Beschreibung zur Herstellung von reaktiven energetischen (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) Nanokomposite maßgeschneiderte Mikrostruktur durch Verwendung des kurzfristigen HEBM Methode. HEBM der gasfreien heterogenen Gemische beinhalten deren Verarbeitung in einer Hochgeschwindigkeits-Planetenmühle, wobei die Partikel des Gemisches auf mechanische Einwirkung mit einer Kraft ausreicht, um Abbau von spröden Komponenten (zB Graphit) und die Verformung der Kunststoffkomponenten <em…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
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