준비 및 Gasless 나노 구조의 반응성 정력 재료
Summary
이 프로토콜은 (HEBM) 기술을 밀링 단기 고 에너지 공을 사용 gasless 나노 구조 에너지 재료 (니켈 + 알, 따 + C, 티 + C)의 제조에 대해 설명합니다. 또한 제조 된 나노 복합 재료의 기계적 반응을 연구하는 고속 열 전사 방법을 설명한다. 이러한 프로토콜은 다른 반응성 나노 에너지 재료로 확장 될 수있다.
Abstract
고 에너지 볼 밀링 (HEBM)는 볼밀에 넣고 혼합 분말 공에서 고 에너지 충돌을 받는다 볼 밀링 공정이다. 다른 응용 프로그램 중에서는 볼륨 당 높은 에너지 밀도와 gasless 반응 나노 구조 재료의 효과적인 준비 (니켈 + 알, 따 + C, 티 + C)를 가능하게하는 다양한 기술이다. HEBM 동안에 일어나는 반응 매체의 구조적 변형은, 복합 에너지 생산에서 반응 메커니즘을 정의한다. 현상 조건에 따라 제조 된 복합 입자의 미세 밀링 유도의 미세 조정을 허용한다. 즉 턴 반응성에서 높은 에너지 밀도의 재료 자체 발화 온도, 점화 지연 시간뿐만 아니라, 반응 속도는, 미세 조직에 의존한다. 밀링 유도 미세 분석 결과가 나왔다 그 시약 사이 신선한 무산소 친밀한 고 표면적 콘택트의 형성 전반응성의 향상을 책임이야. 이는 점화 온도 및 지연 시간, 화학 반응의 비율이 증가하고, 반응의 효과적인 활성화 에너지의 전반적인 감소의 감소 드러난다. 프로토콜은 단기 HEBM 방법을 이용하여 맞춤형 마이크로 구조와 반응성 나노 복합체의 제조를위한 상세한 설명을 제공한다. 또한 에너지 재료의 점화 / 연소 특성을 결정하는 고속 열 전사 기술을 설명한다. 프로토콜은 에너지 나노 복합체의 제조 및 다양한 특성에 적용 할 수있다.
Introduction
고전 에너지 재료, 즉, 폭발물, 추진제 및 불꽃 급속한 발열 반응 1-5 중에 방출 될 수있다 저장된 화학 에너지의 높은 양의 물질의 한 부류이다. 예를 들어, 폭발물은 일반적으로 연료와 산화제기를 조합함으로써 생성된다 한 분자. 이들 물질의 에너지 밀도는 매우 높다. 예를 들어, 분해시 트리니트로 톨루엔 (TNT)은 7.22 kJ의 / cm (3)를 해제하고 매우 짧은 시간에 100g (표 1) 당 8.36 몰의 가스를 형성한다. 이러한 자료는 마이크로 미터 규모의 유기 및 무기 종 (연료 및 산화제)로 구성된다.
테르밋 용접 금속을 감소 반응이 무기 화합물 사이에 발생하는 시스템, 즉, (예를 들어, 알) 및 산화물 (O 3 철 2, CuO를, 동성 2 O 3), 에너지 물질의 또 다른 유형에 속한다. 에너지 밀도(15-21 kJ의 / cm 3)과 같은 시스템의 TNT 그러나 제품 가스의 양 (100g 당 0.15 내지 0.6 몰)이 전형적 폭발물 (표 1)보다 훨씬 작다는 것을 초과한다. 또한, 나노 테르밋 (thermite)은 연소 전파 (> 1,000m / 초) 2 -5 매우 높은 속도를 표시 할 수 있습니다.
그것은 최근에 gasless 이종 반응 시스템 간 또는 불응 성 화합물을 형성 (니켈 + 알, 티 + C, 티 + B)의 숫자도 에너지 물질로 간주 될 수있는 6-12 나타났다. 이러한 시스템의 에너지 밀도 (kJ의 / cm 3) TNT (표 1)보다 가깝거나 더 높다. 동시에, 반응 중에 가스 생성물의 부재 등의 나노 물질 합성, 내화물 및 이질 접합 부분의 반응성, gasless 마이크로 발전기, 11-17 비롯한 다양한 용도 등이 우수한 재료를 후보를 만든다. 그러나, REL테르밋 (thermite)과 비교하여 이러한 시스템 (900-3,000 K, 표 1 참조) (1000 ~ K)의 atively 높은 점화 온도는 애플리케이션을 방해. 설계 나노 복합체의 제조는 크게 gasless 이종 시스템 12-14, 17 및 점화 연소 특성을 향상시킬 수있다.
많은 방법들이이 18,19 혼합 초음파 등의 나노 복합 재료 설계 정력을 제조하기 위하여 개발 된, 자기 조립은 졸겔 20-22 기상 증착 기법 16,17,23,24뿐만 아니라, 고 에너지 5, 접근 볼 밀링 (HEBM) 1,5. 나노 분말의 혼합, 초음파의 단점은 금속 나노 입자의 두께 (5-10 nm 인) 산화물 쉘 에너지 밀도를 감소시키고, 반응 혼합물의 연소 성능이 저하한다는 것이다. 또한, 연료와 산화제의 분포가 균일하지 않고, 반응물 간의 계면 접촉 친밀한 아니다. 졸겔D 자기 조립 전략은 특정 테르밋 나노 복합체의 제조를 위해 개발되었다. 저가의 기술에도 불구하고, 그 전략은 환경적인 관점에서 녹색 없습니다. 또한, 불순물의 많은 양이 제조 복합체로 도입된다. 증착법 또는 마그네트론 스퍼터링, 반응성 멀티 층 포일 및 코어 – 쉘 내 에너지 물질을 제조하는데 사용된다. 그것은 이론적 모델링을 간소화하고 정확도를 향상 복합 재료의 기공이없고 잘 정의 된 지오메트리를 제공합니다. 그러나,이 기술은 확장 할 비싸고 어렵다. 또한, 제조 된 나노 복합 재료 층은 특정 조건에서 불안정하다.
고 에너지 볼 밀링 (HEBM)는 나노 에너지 복합 5, 9 -14 효율적으로 제조 할 수있는 환경 친화적 인, 쉽게 확장 방법입니다. HEBM가 저렴하고 다양한 반응성 물질 조성물 (함께 사용할 수있는 예를 들면,rmites, 금속 간 화합물, 탄화물, 붕화물 등)을 형성하는 반응.
프로토콜은 단기 HEBM 방법을 이용하여 맞춤형 마이크로 구조와 반응성 정력 (NI + AL, 티 + C, C + 타행) 나노 복합체의 제조에 대한 상세한 설명을 제공한다. 또한, 제조 된 AS-에너지 재료의 점화 / 연소 특성을 결정하는 고속 열 전사 기술을 설명한다. 마지막으로 집속 이온 빔 (FIB)에 의해 장착 전계 방출 주사 전자 현미경 (FESEM)을 이용하여 나노 복합 재료의 미세 구조의 분석을 나타낸다. 프로토콜 중 높은 에너지 밀도 소스 또는 연소 기반 접근법에 의해 진보 된 나노 물질 합성 및 처리에 사용될 수 정력 다른 나노 물질 (gasless 테르밋 및 시스템)의 제조를위한 중요한 안내.
Protocol
Representative Results
Discussion
프로토콜은 단기 HEBM 방법을 이용하여 맞춤형 마이크로 구조와 반응성 정력적 TI (C +, C + 타행, 니켈 + Al)과 나노 복합 재료의 제조에 대한 상세한 설명을 제공한다. gasless 이종 혼합물 HEBM은 혼합물의 입자는 예를 들어 플라스틱 부품의 취성 구성 요소의 고장 (예, 흑연) 및 변형 (알 충분한 힘으로 기계적 충격을 받게되는 고속 유성 볼밀, 그들의 처리를 수반 , 티, 따, NI). 과…
Disclosures
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 |
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