Nanothermite с безе как Морфология: от пороха в ультра-пористых объекты
Summary
Эта рукопись описывает синтез горючих aluminophosphate матрицы по реакции Кислота ортофосфорная (H3PO4) с Нанопорошок алюминия. Когда эта реакция осуществляется с избыточной алюминия в присутствии Нанопорошок триоксид вольфрама, это приводит к прочной, пористые nanothermite пены.
Abstract
Цель Протокола, описанные в этой статье необходимо подготовить алюминотермическим композиции (nanothermites) в форме объектов пористые, монолитные. Nanothermites являются горючими материалами, состоящий из неорганических топлива и окислителя. В nanothermite пены алюминий является топлива и алюминия фосфат и вольфрама триоксид окисляющие постановление. В сыпучих порошков наблюдаются высокие скорости распространения пламени (FPVs) в nanothermites и FPVs сильно снизился на гранулирования порошков nanothermite. С физической точки зрения nanothermite сыпучих порошков являются полуустойчиво системы. Их свойства могут быть изменены путем непреднамеренного уплотнения, индуцированных урегулирования явлений, ударам или вибрации или сегрегации частиц со временем, которая исходит от плотности различия их компонентов. Перемещение из порошка для объекта является задача, которую необходимо преодолеть, чтобы интегрировать nanothermites в пиротехнические систем. Nanothermite объекты должны иметь высокий открытая пористость и хорошая механическая прочность. Nanothermite пенки соответствуют обоим из этих критериев, и подготавливаются они путем диспергирования в нано размера алюминотермическим смесь (Al/WO3) в ортофосфорной кислоты. Реакции алюминия с раствором кислоты дает Альпо4 «цемент» в которой Аль и WO наночастиц3 внедряются. В nanothermite пены фосфат алюминия играет двойную роль связующего и окислителя. Этот метод может использоваться с триоксид вольфрама, который не изменяется в процессе подготовки. Он вероятно могут распространяться на некоторые оксидов, которые широко используются для подготовки высокой производительности nanothermites. WO3-Пенопласты на основе nanothermite, описанные в этой статье не особенно чувствительны к ударов и трения, что делает их намного безопаснее для обработки, чем пудра3 Al/WO. Быстрое сгорание этих материалов имеет интересные приложения пиротехнические воспламенители. Их использование в детонаторы как праймеры потребует включения вторичных взрывчатого вещества в их составе.
Introduction
Эта статья сообщает о метод для преобразования нано размера алюминотермическим смеси (Al/WO3) от государства пороха пены1. Nanothermites быстрое горение энергичных композиций, которые наиболее часто готовят смешиванием физической металлический оксид/соли с сокращение металла, в виде нанопорошков2. Наиболее представительной оксидов, используемых для подготовки nanothermites являются Cr2O33,4, Fe2O35, MnO26, WO37MoO38 , CuO9 и Bi2O310,11, а металлические соли используются являются Перхлораты12,13, йодаты14,15, перйодаты16,17 или персульфаты18сульфатов. Нанопорошок алюминия является лучшим выбором в качестве топлива для nanothermites из-за их многочисленные желательных свойств, таких как высокое оксидации тепла (10-25 кДж/г)19, быстрая реакция кинетики20, низкой токсичности21, и справедливой степень стабильности после того, как он был точно пассивированы22.
В основе Аль nanothermites, фронт пламени распространяет на высокой скорости (0.1 – 2,5 км/с), но это не может, однако, рассматриваться как подрыв23. Механизм реакции фактически управляется конвекции горячих газов в пористость непрореагировавшего материала. Другими словами пористость имеет важное значение для быстрого сжигания nanothermites. Однако свободно nanothermite порошок не является стабильным с физической точки зрения. Они сжимаются по ударам или вибрации, и их плотной компонент (как правило оксид) постепенно отделяется от состава под воздействием гравитации. Стабилизация nanothermite пористости является вызов решающее значение для их интеграции в будущих пиротехнические системах.
Основным преимуществом процесса подготовки, описанные здесь является дать монолиты высокопористых, твердый, nanothermite, которые могут формироваться путем формования вставить, из которых они формируют. Кроме того nanothermite пены довольно чувствительны к шок, трения и электростатического разряда, по сравнению с nanothermite сыпучих порошков. Этот нечувствительность делает их особенно безопасной ручкой и машины, например, пиление или бурения.
Когда nanothermite сыпучих порошков нажата или таблетированная, уменьшает их пористости и объекты формируются. Сплоченность таких материалов происходит от поверхности сил, которые отвечают за совокупность наночастиц. Механическая прочность nanothermite гранулы могут быть улучшены в присутствии углеродных нано волокна, которые выступают в качестве основы для укрепления этих объектов24. К сожалению нажимая сильно снижает реактивность nanothermites. Согласно Prentice et al.нажатие нано Al/нано WO3 композиции индуцирует крах их скорости реакции на два порядка7. В заключение вопреки большинство взрывчатых веществ, nanothermites не может быть в форме, нажав.
На сегодняшний день очень немногие методы структурирования nanothermites поступили в научной литературе, занимающейся nanothermites. Nanothermites может быть депонирована субстратов, либо из порошков их компонентов, рассеиваются в жидкой среде путем электрофореза25или распыления их компонентов в последовательных слоях26. Оба подхода приведет к плотные отложения, которые менее реактивно, чем сыпучих порошков и склонны расслаивается от субстрата, на котором они готовятся.
Подготовка «трехмерные» объектов, состоящий из nanothermite был предложен Тиллотсон и др. 5, который используется синтез золь гель, разработанный Гаш et al. , состоящий из гелеобразующего растворов металлических солей Эпоксиды27. Nanothermite монолиты готовятся путем диспергирования Нанопорошок Аль Соль, перед гелеобразующего. Гели впоследствии сушатся в камере тепла для производства ксерогелей или сложным процессом с использованием сверхкритических CO2 для получения Аэрогели. Аэрогели Nanothermite не только имеют сильные реактивности, но также могут быть обработаны из-за их отличные механические свойства. Кроме того процесс золь гель позволяет синтезировать микро – и мезопористых материалов с непревзойденным степенью однородности между топлива (Al) и оксида в смеси. Несмотря на эти интересные особенности, ограничивается использование процесса золь гель: (i) сложности синтеза пакета, который зависит от многих параметров; (ii) неизбежное присутствие побочные продукты синтеза (примеси) в окончательный материал и (iii) очень долгое время, необходимое на различных этапах процесса.
Горючих Матс nanothermite были подготовлены electrospinning нитроцеллюлозы (связующее) из растворов, взимается с Аль и Куо наночастиц28. Эти nanothermite войлоков состоят из волокон диаметром суб микрометра масштаба, которые априори не пористых. В этих материалах пористость определяется запутанности волокон. Образцы nanothermite маты сжечь медленно (0,06 – 1,06 м/сек) по сравнению с чисто нано размера Аль/CuO смесей в состоянии рассыпчатую пудру, в которой фронт пламени распространяется со скоростью нескольких сотен м/с29. Наконец использование нитроцеллюлоза как связыватель для nanothermites не является идеальным, потому что это значительно увеличивает их тепловой чувствительностью и изменяет их долгосрочной химической стабильности.
Мембраны nanothermites были подготовлены Ян et al. от сложных иерархических MnO2/SnO2 гетероструктур смешанного с Аль наночастиц6. В этих материалах оксид фаза имеет весьма специфические морфологии, в котором MnO2 нано провода покрыты СНО2 ветви. Из-за его весьма конкретной структуры оксид не только ловушки Аль наночастиц, но также обеспечивает механическую прочность мембраны.Процесс подготовки MnO2/SnO2/Al мембран очень проста; Он состоит из фильтрации nanothermite, содержащихся в жидкости, в котором он был подготовлен, с помощью фильтрации торт как мембраны.
Подводя итоги, только nanothermite объекты, упомянутые в научной литературе являются отложения на подложках, аэрогели или коврики. Идея подготовки nanothermites в виде твердой пены открывает новые горизонты для интеграции этих энергетических материалов в функциональных Пиротехника систем. Процесс вспенивания, сообщили в этой статье простой для выполнения и может применяться практически для любого nanothermite, приготовленный из Нанопорошок алюминия. Пенообразователь, ортофосфорная кислота (H3PO4), общий, недорогой и нетоксичные химического, который реагирует с нано Аль дать цемента (4Альпо) и газов (H2, пара H2O), которые создают пористость материал1. Фосфат алюминия особенно устойчив при высоких температурах, в отличие от органических связующих веществ таких как энергичный полимеров (нитроцеллюлозы). Однако Альпо4 ведет себя как окислителя к нано Аль при высокой температуре, согласно концепции «негативные взрывчатых веществ», предложенный Симидзу30.
Protocol
Representative Results
Discussion
Процесс смешивания нанопорошков с кислотой и закрытие взрыва камеры должны быть выполнены быстро, по соображениям безопасности. Задержку реакции может варьироваться в некоторой степени (1-10 мин), в зависимости от экспериментальных условий. Он сокращается при слишком высокой температу?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить фотографы ISL, Ив Suma и Yannick Boehrer, для фотографий образцов и для наблюдения видео высокая скорость синтеза и сжигание пеноматериалов nanothermite. Они также хотели бы выразить свою признательность их коллега д-р Винсент Pichot из NS3E лаборатории для определения характеристик материалов, рентгеновской дифракции.
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).
