Nanothermite avec Meringue morphologie : de la poudre libre aux objets ultra poreux

Summary

Ce manuscrit décrit la synthèse de combustibles aluminophosphate matrices par la réaction de l’acide orthophosphorique (H₃PO₄) avec aluminium poudre nanométrique. Lorsque cette réaction est réalisée avec excès d’aluminium en présence de poudre nanométrique trioxyde de tungstène, elle conduit à une mousse de nanothermite solide et poreux.

Abstract

Le protocole décrit dans cet article vise à préparer les compositions aluminothermique (nanothermites) sous la forme d’objets poreux, monolithiques. Nanothermites sont les matériaux combustibles composés inorganique carburant et un oxydant. Dans les mousses de nanothermite, l’aluminium est le trioxyde de phosphate et de tungstène carburant et l’aluminium sont les fractions oxydantes. Les plus hautes vitesses de propagation de flamme (FPVs) dans nanothermites sont observées dans les poudres libres et FPVs sont fortement diminuées par nanothermite poudres de bouletage. D’un point de vue physique, nanothermite poudres libres sont des systèmes métastables. Leurs propriétés peuvent être modifiées par le compactage involontaire induite par des chocs ou des vibrations ou par la séparation des particules au fil du temps en réglant les phénomènes, qui provient de la différence de densité de leurs composants. Déplacement d’une poudre à un objet est le défi que doit surmonter pour intégrer les nanothermites dans les systèmes pyrotechniques. Nanothermite objets doivent avoir une grande porosité ouverte et la bonne résistance mécanique. Mousses de Nanothermite répondent à ces deux critères, et ils sont prêts en dispersant un mélange aluminothermique de taille nanométrique (₃) dans l’acide orthophosphorique. La réaction de l’aluminium avec la solution d’acide donne l’AlPO₄ « ciment » dans les nanoparticules de₃ Al et WO sont incorporés. Dans les mousses de nanothermite, phosphate d’aluminium joue le double rôle de liant et oxydant. Cette méthode peut être utilisée avec le trioxyde de tungstène, ce qui n’est pas altéré par le processus de préparation. Il pourrait sans doute être étendu à certains oxydes, qui sont couramment utilisées pour la préparation de nanothermites de haute performance. Le WO₃-mousses de nanothermite base décrites dans cet article sont particulièrement insensibles aux chocs et frottements, ce qui les rend beaucoup plus sûr de traiter que la poudre libre 3/adj. La combustion rapide de ces matériaux a des applications intéressantes dans les allumeurs pyrotechniques. Leur utilisation dans les détonateurs, amorces nécessiterait l’incorporation d’un explosif secondaire dans leur composition.

Introduction

Cet article rend compte sur une méthode pour transformer des mélanges de taille nanométrique aluminothermique (/ Adj₃) d’un état de poudre libre à mousses¹. Nanothermites sont en train de brûler des compositions énergiques, qui sont plus souvent préparées par le mélange physique d’un oxyde métallique/sel avec un métal réducteur, sous forme de nanopoudres². Les plus représentatives oxydes utilisés pour préparer les nanothermites sont Cr₂O₃^3,4, Fe₂O₃⁵, MnO₂⁶, WO₃⁷, MoO₃⁸ , CuO⁹ et Bi₂O₃^10,11, tandis que les sels métalliques utilisés sont des perchlorates^12,13, iodates^14,15, périodates¹⁶,¹⁷ ou persulfates¹⁸de sulfates. Nanopoudre de l’aluminium est le meilleur choix comme combustible pour nanothermites en raison de leurs nombreuses propriétés souhaitables, comme une forte oxydation thermique (10-25 kJ/g)¹⁹, cinétique de réaction rapide²⁰, faible toxicité²¹_, et une foire degré de stabilité une fois qu’il a été passivé avec précision²².

Dans Al-basé nanothermites, le front de flamme se propage à très grande vitesse (0,1 – 2,5 km/s), mais cela ne peut pas, cependant, être considéré comme détonation²³. Le mécanisme de réaction est effectivement parcouru par la convection des gaz chauds dans la porosité du matériau n’a pas réagi. En d’autres termes, la porosité est indispensable à la combustion rapide de nanothermites. Cependant, poudre lâche nanothermite n’est pas stable du point de vue physique. Ils sont compressés par des chocs ou des vibrations, et leur composante plus dense (généralement l’oxyde) sépare progressivement de la composition par l’effet de la gravité. La stabilisation de la porosité de la nanothermite est un défi crucial pour leur intégration dans les futurs systèmes pyrotechniques.

L’avantage principal du processus de préparation décrit ci-après doit donner nanothermite hautement poreux, solide, monolithes, qui peuvent être façonnés par la pâte d’où ils forment de moulage. En outre, les mousses de nanothermite sont tout à fait insensibles aux chocs, frottements et décharges électrostatiques par rapport aux poudres libres de nanothermite. Ce manque de sensibilité les rend particulièrement sûr de poignée et de la machine, par exemple par sciage ou forage.

Quand nanothermite vrac poudres sont pressés ou en granules, leur porosité diminue et les objets sont formés. La cohésion de ces matières proviennent des forces de surface, qui sont responsables de l’agrégation des nanoparticules. La résistance mécanique de nanothermite pellets peut être améliorée en présence de nano-fibres de carbone, qui agissent comme un cadre pour renforcer ces objets²⁴. Malheureusement, appuyant fortement diminue la réactivité de nanothermites. Selon Prentice et coll., le pressage des compositions de nano-Al/nano-WO₃ provoque un effondrement de leur vitesse de réaction par deux ordres de grandeur⁷. En conclusion, contrairement à la plupart des explosifs, nanothermites ne peut être façonné en appuyant sur.

A ce jour, très peu de méthodes pour structurer les nanothermites ont été signalés dans la littérature scientifique traitant nanothermites. Nanothermites peuvent être déposés sur des substrats, soit à partir de poudres de leurs composantes dispersées dans un milieu liquide par électrophorèse²⁵, ou par la pulvérisation de leurs composants en couches successives,²⁶. Les deux approches conduisent à des dépôts denses, qui sont moins réactifs que les poudres libres et ont tendance à se décoller du substrat sur lequel ils sont établis.

La préparation d’objets « tridimensionnelles » composé de nanothermite a été proposée par Tillotson et al. ⁵, qui a utilisé la synthèse sol-gel développée par Gash et coll. qui se compose de gélifiantes solutions de sels métalliques par époxydes²⁷. Nanothermite monolithes sont préparés en dispersant Al poudre nanométrique dans le sol, avant la gélification. Les gels sont ensuite séchés dans une chambre de chaleur pour produire de xérogels ou par un processus complexe impliquant l’utilisation de supercritique de CO₂ pour obtenir les aérogels. Les aérogels de Nanothermite non seulement forte réactivité mais peuvent également être usinées en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques. En outre, le procédé sol-gel permet de faire la synthèse des matériaux mésoporeux et micro – avec un degré inégalé d’homogénéité entre le carburant (Al) et l’oxyde dans le mélange. Malgré ces dispositifs intéressants, l’utilisation du procédé sol-gel est limitée par : (i) la complexité de la synthèse de lot, qui dépend de nombreux paramètres ; (ii) la présence inévitable de sous-produits de la synthèse (impuretés) dans le matériau final et (iii) le temps très long dont ont besoin les différentes étapes du processus.

Tapis de combustibles de nanothermite ont été préparés par l’électrofilage de nitrocellulose (liant) des solutions inculpées Al et CuO nanoparticules²⁸. Ces feutres de nanothermite sont composés de fibres de diamètre d’échelle micrométrique secondaires, qui sont a priori non poreux. Dans ces matières, la porosité est définie par l’enchevêtrement des fibres. Les échantillons de nanothermite mats brûlent lentement (0,06 – 1,06 m/s) par rapport à des mélanges d’Al/CuO taille nanométrique pures dans un état de poudre libre, dans laquelle le front de flamme se propage à une vitesse de plusieurs centaines de m/s²⁹. Enfin, l’utilisation de nitrocellulose comme liant pour nanothermites n’est pas idéale, car elle considérablement augmente leur sensibilité thermique et altère leur stabilité chimique à long terme.

Membranes de nanothermites ont été préparés par Yang et al. , de complexe hiérarchique MnO₂/SnO₂ hétérostructures mélangés avec Al nanoparticules⁶. Dans ces matières, la phase d’oxyde a une morphologie très spécifique, dans lequel MnO₂ nano-fils sont couverts par SnO₂ branches. En raison de sa structure très particulière, l’oxyde non seulement pièges Al nanoparticules, mais aussi assure la résistance mécanique de la membrane.Le processus de préparation de MnO₂/SnO₂/Al membranes est très simple ; Il se compose de la nanothermite contenus dans le liquide dans lequel il a été préparé, par le gâteau de filtration comme membrane de filtrage.

Pour résumer, la nanothermite seul objets mentionnés dans la littérature scientifique sont des dépôts sur les substrats, les aérogels ou tapis. L’idée de préparer nanothermites sous forme de mousses solides ouvre de nouveaux horizons pour l’intégration de ces matériaux énergétiques dans les systèmes fonctionnels de la pyrotechnie. Le processus d’expansion signalé dans le présent article est simple à réaliser et peut être appliqué pratiquement à n’importe quel nanothermite préparé à partir d’aluminium poudre nanométrique. L’agent moussant est l’acide orthophosphorique (H₃PO₄), chimiques communs, peu coûteux et non toxique, qui réagit avec nano-Al pour donner le ciment (AlPO₄) et les gaz (H₂, vapeur de H₂O) qui créent la porosité de la matériel¹. Phosphate d’aluminium est particulièrement stable à haute température, à l’encontre des liants organiques tels que les polymères énergiques (nitrocellulose). Cependant, AlPO₄ se comporte comme un oxydant vers nano-Al à haute température, selon le concept de « explosifs négatifs » proposé par Shimizu³⁰.

Protocol

ATTENTION : Pour effectuer toutes les réactions décrites dans cet article dans une chambre d’explosion a fait ses preuves avec une fenêtre blindée qui permet l’inspection visuelle et l’observation des processus de formation de mousse/combustion par vidéo haute vitesse. Faites attention au sujet de l’expérimental risque résultant de l’inflammation potentielle des compositions aluminothermique et l’explosion d’hydrogène dans l’air. Pour cette raison, toujours travailler dans une chambre d’explosi…

Representative Results

La matrice d’aluminophosphate contient cristallisé en aluminium (Al) et le phosphate d’aluminium (AlPO4). La présence de ces phases a été confirmée par diffraction des rayons x (Figure 1). En outre, gravimétriques expériences ont montré que cette substance ne contient également une partie non cristalline, qui est l’alumine amorphe. Dans ces matières, le phosphate d’aluminium se comporte tant que binder et oxydant. Les propriétés…

Discussion

Le malaxage de nanopoudres avec de l’acide et la fermeture de la chambre d’explosion doivent être effectuées rapidement, pour des raisons de sécurité. Le délai de réaction peut varier dans une certaine mesure (1-10 min), selon les conditions expérimentales. Il est réduit lorsque la température ambiante est trop élevée, ou en présence de sources de chaleur externes comme un coup de projecteur, qui peut provoquer l’activation précoce de la réaction moussante. À l’inverse, elles augmentent lorsque la …

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