Préparation et réactivité des matériaux nanostructurés énergétiques sans gaz

Summary

Ce protocole décrit la préparation de matériaux énergétiques nanostructurés sans gaz (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) en utilisant le court terme balle à haute énergie fraisage (HEBM) technique. Il décrit également un procédé de formation d'image thermique à grande vitesse pour étudier la réactivité de nanocomposites fabriqués mécaniquement. Ces protocoles peuvent être étendues à d'autres matériaux énergétiques nanostructurés réactive.

Abstract

Haute énergie broyage à billes (HEBM) est un procédé de broyage à boulets dans lequel un mélange de poudre placée dans le broyeur à billes est soumis à des collisions à haute énergie des billes. Entre autres applications, ce est une technique polyvalent qui permet une préparation efficace de matériaux nanostructurés réactives sans gaz à haute densité d'énergie par unité de volume (Ni + Al, Ta + C, Ti + C). Les transformations structurelles de médias réactifs, qui ont lieu pendant HEBM, définissent le mécanisme de réaction dans les composites énergétiques produites. Varier les conditions de traitement permet un réglage fin des microstructures induite fraisage-des particules composites fabriqués. À son tour, la réactivité, à savoir, la température d'auto-allumage, le temps de retard à l'allumage, ainsi que la cinétique de réaction, des matériaux de haute densité d'énergie dépend de sa microstructure. L'analyse des microstructures induite par fraisage à penser que la formation de la région de contacts intimes frais sans oxygène à haute surface entre les réactifs is responsable de l'amélioration de leur réactivité. Cela se manifeste par une réduction de la température d'allumage et le temps de retard, une augmentation du taux de réaction chimique, et une diminution globale de l'énergie d'activation efficace de la réaction. Le protocole fournit une description détaillée de la préparation de nanocomposites réactifs avec microstructure mesure en utilisant la méthode de HEBM court terme. Il décrit également une technique d'imagerie thermique à grande vitesse pour déterminer les caractéristiques d'allumage / de combustion des matériaux énergétiques. Le protocole peut être adapté à la préparation et la caractérisation de divers composites énergétiques nanostructurés.

Introduction

Matériaux énergétiques classiques, ce est à dire, des explosifs, des propulseurs et des pièces pyrotechniques sont une classe de matériau avec une grande quantité d'énergie chimique stockée qui peut être libéré lors de la réaction exothermique rapide _^1-5. Par exemple, les explosifs sont généralement produites en combinant les groupes de carburant et comburant dans une molécule. La densité d'énergie de ces matériaux est très élevé. Par exemple, lors de la décomposition de trinitrotoluène (TNT) libère 7,22 kJ / cm ³ et 8,36 moles forme de gaz par 100 g (tableau 1) en une très courte période de temps. Ces matériaux sont composés d'espèces micromètre échelle organiques et inorganiques (combustibles et d'oxydants).

Systèmes thermite, où les réactions ont lieu entre le composé inorganique, à savoir, la réduction des métaux (par exemple, Al) et des oxydes (Fe ₂ O _3, CuO, Bi ₂ O _3), appartiennent à un autre type de matériaux énergétiques. La densité d'énergie(15 à 21 kJ / cm ³⁾ de tels systèmes est supérieure à celle du TNT, mais la quantité de produits de gaz (0,15 à 0,6 mole par 100 g) est généralement beaucoup plus faible que pour les explosifs (tableau 1). En outre, les nano-thermite peuvent montrer très grande vitesse de propagation de l'onde de combustion (> 1000 m / sec) ^{2 -5.}

Il a été récemment montré que ^{de 6 à 12} un certain nombre de systèmes hétérogènes sans gaz réactifs (Ni + Al, Ti + C, Ti + B) qui forment des composés intermétalliques réfractaires ou pourrait également être considérées comme des matières énergétiques. Les densités d'énergie (kJ / cm ³⁾ de ces systèmes sont plus proches ou plus élevée que celle de TNT (tableau 1). Dans le même temps, l'absence de produits gazeux lors de la réaction de tels matériaux permet d'excellents candidats pour une variété d'applications y compris la synthèse de nanomatériaux, réactif de liaison et les pièces réfractaires différents, sans gaz générateurs de puissance micro, etc. ^11-17. Cependant, le reltempérature d'allumage tivement élevé de ces systèmes (900-3,000 K, voir le tableau 1) par rapport à thermites (~ 1000 K) entrave leurs applications. La préparation de composites nanostructurés ingénierie pourrait améliorer considérablement les caractéristiques d'allumage et de combustion de systèmes hétérogènes sans gaz ^{de 12 à 14, 17.}

De nombreux procédés ont été développés pour fabriquer des nanocomposites énergétiques, telles que modifiées par ultrasons mélange ^18,19, auto-assemblage ⁵ se approche, sol-gel ^{de 20 à 22,} les techniques de dépôt en phase vapeur ^16,17,23,24, ainsi que des hautes énergies broyage à boulets (HEBM) ^1,5. L'inconvénient de mélange par ultrasons suivant la nano-poudre est qu'un (5-10 nm) d'oxyde épais coquille sur les nanoparticules de métal réduit la densité d'énergie et dégrade les performances de combustion de mélanges réactifs. En outre, la distribution de carburant et d'oxydant ne est pas uniforme, et le contact interfacial entre des réactifs ne est pas intime. Sol-gel d'uned stratégies d'auto-assemblage ont été développés pour la préparation de nanocomposites thermite spécifiques. En dépit d'être techniques à faible coût, ces stratégies ne sont pas verts à partir d'un point de vue environnemental. En outre, de grandes quantités d'impuretés sont introduites dans les composites préparés. Dépôt en phase vapeur ou pulvérisation magnétron est utilisé pour préparer des feuilles multicouches réactifs et matériaux énergétiques core-shell. Il fournit une géométrie bien définie et sans pores des matériaux composites qui simplifie la modélisation théorique et améliore la précision. Cependant, cette technologie est chère et difficile à grande échelle. En outre, les stratifiés préparés nanocomposites sont instables dans certaines conditions.

Haute énergie broyage à boulets (HEBM) est une approche respectueuse de l'environnement, facilement extensible qui permet la fabrication efficace de nanostructurés composites énergétiques ^{5, 9 -14.} HEBM est peu coûteux et peut être utilisé avec différentes compositions de matériau réactif (par exemple, larmites, les réactions qui forment des composés intermétalliques, des carbures, des borures, etc.).

Le protocole fournit une description détaillée pour la préparation de énergétiques (Ni + Al, Ti + C, C + Ta) nanocomposites réactifs avec microstructure mesure en utilisant la méthode de HEBM court terme. Il décrit aussi une technique d'imagerie thermique à haute vitesse pour déterminer les caractéristiques d'allumage / de combustion des matériaux énergétiques comme-fabriqués. Enfin, il montre l'analyse de la microstructure des nanocomposites en utilisant Field Emission microscope électronique à balayage (FESEM) équipés par faisceaux d'ions focalisés (FIB). Le protocole est un guide important pour la préparation de différents nanomatériaux énergétiques (sans gaz et systèmes thermite) qui pourraient être utilisés comme sources de densité soit de haute énergie ou pour la synthèse et le traitement des nanomatériaux avancés par des approches à base de combustion.

Protocol

1. Balle haute énergie Fraisage Préparez 35 g de l'une initiale: 1 rapport molaire Ni + Al mélange. Dans ce cas, peser 11,02 g de Al et 23,98 g de poudres de Ni. Utiliser un pot de broyage en acier pour HEBM de ce système. Veiller à ce que le pot a une dureté plus élevée que les poudres à ajouter, sinon les poudres endommager le pot et la contamination se posera. Remarque: choix jar typiques comprennent l'acier, l'oxyde de zirconium, ou du carbure de tungstène. Utilis…

Representative Results

Pour préparer les composites nanostructurés énergiques, un mélange de composants en poudre désirés (typiquement taille micrométrique) est mécaniquement traitée dans des conditions d'usinage préréglées. Le temps de traitement (en général, des minutes) est commandé avec précision pour produire des particules nanocomposites de composition homogénéisées mais ne permettant pas la réaction chimique auto-entretenue pour lancer au cours du broyage. La figure 1</strong…

Discussion

Le protocole fournit une description détaillée pour la préparation de énergétiques (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) nanocomposites réactifs avec microstructure mesure en utilisant la méthode de HEBM court terme. HEBM de mélanges hétérogènes sans gaz implique leur traitement dans un broyeur à boulets planétaire à grande vitesse, où les particules du mélange sont soumises à un impact mécanique avec une force suffisante pour ventilation des éléments fragiles (par exemple, graphite) et la déformation …

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