Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

חומרים אנרגטיים הכנה ותגובתיות של Gasless Nanostructured

Published: April 2, 2015 doi: 10.3791/52624
Automatic Translation
1, 2, 3, 2
1Department of Physics, University of Notre Dame, 2Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Notre Dame, 3Center of Functional Nano-Ceramics, National University of Science and Technology, "MISIS"

Summary

פרוטוקול זה מתאר את ההכנה של חומרים אנרגטיים gasless nanostructured (Ni + אל, Ta + C, Ti + C) באמצעות אנרגיה גבוהה הכדור לטווח קצר כרסום טכניקה (HEBM). הוא גם מתאר שיטת הדמיה תרמית במהירות גבוהה כדי ללמוד את תגובתיות של nanocomposites המפוברק מכאני. ניתן להאריך פרוטוקולים אלה לחומרים אנרגטיים nanostructured תגובה אחרות.

Abstract

גבוהה אנרגיה כדור כרסום (HEBM) הוא תהליך כרסום כדור שבו תערובת אבקה ממוקמת בטחנת כדור נתונה להתנגשויות באנרגיה גבוהה מהכדורים. בין יישומים אחרים, זה הוא טכניקה צדדי המאפשרת להכנה יעילה של חומרי nanostructured תגובת gasless עם צפיפות אנרגיה גבוהה לכל נפח (Ni + אל, Ta + C, Ti + C). השינויים המבניים של תקשורת תגובתי, שיתקיימו במהלך HEBM, להגדיר את מנגנון התגובה בחומרים מרוכבים האנרגטיים המופקים. תשנה את תנאי העיבוד מאפשר כוונון עדין של microstructures מושרה הטחינה של החלקיקים מרוכבים המפוברק. בתורו, תגובתיות, כלומר, טמפרטורת הצתה עצמית, זמן השהית הצתה, כמו גם קינטיקה תגובה, חומרי צפיפות אנרגיה גבוהה תלוי במייקרו שלה. ניתוח של microstructures מושרה כרסום עולה כי ההיווצרות של אנשי קשר טריים נטול חמצן אינטימי משטח גבוה שטח שבין ריאגנטים iזה אחראי על השיפור של תגובתיות שלהם. זו באה לידי הביטוי בירידה של טמפרטורת הצתה וזמן השהיה, עלייה בשיעור של תגובה כימית, וירידה כוללת של אנרגיית ההפעלה האפקטיבית של התגובה. הפרוטוקול מספק תיאור מפורט להכנת nanocomposites תגובה עם מיקרו מותאם בשיטת HEBM לטווח קצר. הוא גם מתאר טכניקת הדמיה תרמית במהירות גבוהה כדי לקבוע את מאפייני הצתה / בעירה של חומרים האנרגטיים. הפרוטוקול יכול להיות מותאם להכנה ואפיון של מגוון רחב של חומרים מרוכבים אנרגטיים nanostructured.

Introduction

חומרים אנרגטיים קלאסיים, כלומר, חומרי נפץ, הודפים ופירוטכניקה הן מחלקה של חומר עם כמות גבוהה של אנרגיה כימית מאוחסנת כי ניתן לשחרר בתגובה אקסותרמית מהירה 1-5. לדוגמא, חומרי נפץ, בדרך כלל, שנוצרו על ידי שילוב של קבוצות דלק וחמצן ל מולקולה אחת. צפיפות האנרגיה של חומרים אלה היא גבוהה מאוד. לדוגמא, על trinitrotoluene פירוק (TNT) משחרר 7.22 kJ / 3 סנטימטר ויוצר 8.36 שומות של גזים לכל 100 גר '(טבלה 1) בתקופה קצרה מאוד של זמן. חומרים אלו מורכבים ממיני מיקרומטר בקנה מידה אורגניים ולא אורגניים (דלקים וחמצנים).

מערכות תרמיט, שבו תגובות יתקיימו בין התרכובת אורגנית, כלומר, הפחתת מתכות (למשל, אל) ותחמוצות (Fe 2 O 3, CuO, Bi 2 O 3), שייכות לסוג אחר של חומרים אנרגטיים. צפיפות האנרגיה(15-21 kJ / 3 סנטימטר) של מערכות כאלה עולה על זו של TNT, אולם הכמות של מוצרי גז (0.15-.6 שומות לכל 100 גר ') היא בדרך כלל הרבה פחות מאשר לחומרי נפץ (טבלה 1). כמו כן, ננו-thermites עשוי להראות גבוהה מאוד מהירות של התפשטות גל בעירה (> 1000 מ '/ שנייה) 2 -5.

לאחרונה הוצגו 6-12 שמספר מערכות תגובה הטרוגנית gasless (Ni + אל, טי + C, Ti + B) היוצרים תרכובות intermetallic או עקשן יכול להיחשב גם כחומרים אנרגטיים. צפיפות האנרגיה (kJ / 3 סנטימטר) של מערכות אלה הן קרובים יותר או גבוהים יותר מזה של TNT (טבלת 1). במקביל, היעדר מוצרי גז במהלך התגובה הופך חומרים כגון מועמדים מצוינים עבור מגוון רחב של יישומים, כולל סינתזה של ננו, מליטה תגובה של עקשן וחלקים שונים, הגנרטורים מייקר gasless, וכו '11-17. עם זאת, relטמפרטורת הצתה גבוהה atively של מערכות אלה (900-3,000 K, ראה טבלה 1) בהשוואה לthermites (~ 1000 K) מעכבת את היישומים שלהם. ההכנה של חומרים מרוכבים nanostructured מהונדסים יכולה לשפר באופן משמעותי את מאפייני הצתה ושריפה של מערכות הטרוגניות gasless 12-14, 17.

שיטות רבות פותחו לפברק nanocomposites האנרגטי המהונדס, כגון קולי ערבוב 18,19, הרכבה עצמית גישות 5, סול-ג'ל 20-22, טכניקות תצהיר אד 16,17,23,24, כמו גם אנרגיה גבוהה כרסום כדור (HEBM) 1,5. החסרון של ערבוב קולי של ננו-אבקה הוא שקליפה עבה (5-10 ננומטר) תחמוצת על חלקיקי מתכת מפחיתה צפיפות אנרגיה ומדרדרת את ביצועי הבעירה של תערובות תגובה. כמו כן, חלוקת הדלק והחמצן אינה אחידה, וקשר interfacial בין המגיבים הוא לא אינטימי. סול-ג'לאסטרטגיות הרכבה עצמית ד פותחו להכנת nanocomposites תרמיט הספציפי. למרות היותו טכניקות בעלות נמוכה, אסטרטגיות אלה אינן ירוקות מבחינה סביבתית. יתר על כן, כמויות גדולות של זיהומים מוכנסות חומרים מרוכבים מוכנים. אדים בתצהיר או המקרטעת magnetron משמש להכנת שקפים רב שכבתיים תגובתי וחומרים אנרגטיים ליבת פגז. הוא מספק גיאומטריה ומוגדרת היטב ללא נקבובית של חומרים מרוכבים המפשטת מודלים תיאורטיים ומשפרת את דיוק. עם זאת, טכנולוגיה זו היא יקרה וקשה בהיקף של עד. יתר על כן, nanocomposites שכבתי הכין אינם יציבים בתנאים מסוימים.

גבוהה אנרגיה כדור כרסום (HEBM) הוא גישה ידידותית לסביבה, להרחבה בקלות, המאפשרת ייצור יעיל של חומרים מרוכבים nanostructured האנרגטיים 5, 9 -14. HEBM הוא זול וניתן להשתמש בו עם קומפוזיציות חומר תגובתי שונות (למשל,rmites, תגובות היוצרות intermetallics, carbides, borides, וכו ').

הפרוטוקול מספק תיאור מפורט להכנת nanocomposites האנרגטי תגובתי (Ni + אל, טי + C, Ta + C) עם מיקרו המותאם על ידי שימוש בשיטת HEBM לטווח קצר. הוא גם מתאר טכניקת הדמיה תרמית במהירות גבוהה כדי לקבוע את מאפייני הצתה / שריפה של חומרים אנרגטיים מפוברקים-כ. לבסוף הוא מציג את הניתוח של מיקרו של nanocomposites באמצעות שדה פליטת סריקת אלקטרונים מיקרוסקופ (FESEM) מצויד באלומת יונים ממוקדת (FIB). הפרוטוקול הוא מדריך חשוב להכנה של ננו שונה האנרגטי (gasless ומערכות תרמיט) שיכול לשמש כמקורות צפיפות אנרגיה גבוהה או או לסינתזה ועיבוד של ננו המתקדם על ידי גישות המבוססת על שריפה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

כרסום כדור 1. גבוהה אנרגיה

  1. הכן 35 גרם של 1 הראשונית: תערובת Ni + אל היחס טוחנת 1. במקרה זה, שוקל 11.02 גרם של אל ו23.98 גרם של אבקות Ni.
  2. השתמש בצנצנת טחינת פלדה לHEBM של מערכת זו. ודא שיש לו את הצנצנת קשיות גבוהה מהאבקות שיש להוסיף, שאם לא כן האבקות תפגע הצנצנת וזיהום יקומו. הערה: בחירות צנצנת אופייניות כוללות פלדה, תחמוצת זירקוניום, או טונגסטן קרביד.
  3. השתמש 5: כדור 1: אבקה (יחס תשלום) למערכת זו, כלומר, 175 גרם של כדורי פלדה 10 מ"מ. ודא שהכדורים עשויים מאותו החומר כמו הצנצנת אחרת או הכדורים או הצנצנת יהיו פגומות.
    הערה: יחס תשלום מגדיר את עוצמת האינטראקציה בין האבקה וסוכני הטחינה.
  4. להוסיף את הביצים ואבקות לצנצנת.
  5. סוגר את הצנצנת ולשאוב את הגז באטמוספרה מהצנצנת על ידי משאבה וטיהור מכאניות על ידי ארגון. לנהל ארבעה מחזורים של מילוי וטיהור גז Ar(זה מבטיח כי אין חמצן שנותר בצנצנת). לבסוף, למלא את הצנצנת עם גז ארגון מעט מעל לחץ (0.13 MPA) באטמוספרה.
  6. הכנס את הצנצנת לטחנת כדור פלנטרית.
  7. בחר 650 מהפכה לדקה (סל"ד) לשיעור של מהפכה של צנצנת ו1,400 סל"ד הסיבוב הפנימי (גלגל שמש).
    הערה: במקרים מסוימים, יחס הסיבוב (k) של גלגל סכום (1,400 סל"ד) וצנצנת טחינה (בין 700 ל -1,300 סל"ד) היה מגוון להסדיר את מיקרו של חלקיקים מורכבים.
  8. הפעל את הליך HEBM במשך 15 דקות. שים לב: יש לי מערכות זמן קריטי, ש, לתנאים שתוארו, שווה 17 דקות. יש כמות סופית של טחינה שיכולה להתנהל על המערכת לפני התגובה מתרחשת בצנצנת. אם HEBM מתנהל יותר מהזמן הקריטי, תגובה תתרחש בצנצנת כדור-כרסום, הורסת את הניסוי.
  9. בעקבות השלמת זמן טחינה, לקרר את הצנצנת לRT, ולאחר מכן להעביר את הצנצנת למכסת מנוע קטר.
    1. Vent הצנצנת כדי להסיר לחץ גז עודף משמירת לחץ ראשונית וגז אפשרי שפורסם במהלך טחינה.
    2. הסר את המכסה מהצנצנת מתחת למכסת מנוע קטר. קח זהירות בעת פתיחת הצנצנת, כאבקה שנוצרה היא מאוד תגובתי. פתח את הצנצנת עם כפפות חסינות חום ומשקפי בטיחות.
    3. לפני איסוף אבקה, חושף אותה לאוויר במשך לפחות 5 דקות ל" פסיבציה ".
      הערה: זה מונע תגובה ספונטנית שעלולות להתרחש בעת טיפול התערובת.

2. Reactivity אפיון של חומרים אנרגטיים

  1. לאסוף אבקה מהצנצנת. אין להשתמש במרית מתכת להליך זה.
    1. אם סיווג והפרדה של החלקיקים הוא רצוי, לנצל הנפות. כדי להבטיח שהפרדה נאותה נעשה, להשתמש ייקר מסננת במשך תקופה ארוכה של זמן (12+ hr). לסווג את האבקה לתוך פחי גודל שונים (מתחת לגיל 10 מיקרומטר, 10-20 מיקרומטר, 20-53 מיקרומטר,בוב 53 מיקרומטר). מנקודה זו ואילך, השתמש 20-53 מיקרומטר חלקיקים בגודל.
  2. לחץ על האבקות הסתננו לתוך גלולה באמצעות עיתונות uniaxial מוגדרת 1,100 קילוגרם על למות 5 מ"מ נירוסטה עיתונות (1360 MPA) ללהתעכב זמן של 2.0 דקות. רשום את הגובה (ח) ואת הקוטר (ד) לגלולה עם מיקרומטר. רשום את המשקל של המדגם (מ ') עם סולם. מכאן, לקבוע את הצפיפות של גלולה. לחשב אחוזים המקסימום התיאורטי צפיפות (% TMD) על ידי הנוסחא הבאה:
    משוואת 1
    בי אל, Ni - משקל אטומי של אל וNi; ρ ρ ואל Ni - צפיפות של אל וניקל. תניח שיחס stoichiometric של האבקות שומרת לעצמה את היחס של האבקות הראשוניות הוסיפו.
    1. אם גלולה הגלילית נמצאת בשימוש כדי לקבוע מהירות מול בעירת התפשטות ופרופיל טמפרטורה בחזית התגובה,לוודא שהוא מספיק גבוה, שנקבע על ידי היחס בין הגובה והקוטר שאמור להיות ≥2 (למשל, d = 5 מ"מ; ≥ 10 מ"מ ח).
    2. אם גלולה נמצאת בשימוש כדי להגדיר פרמטרים הצתה, להשתמש בדיסק דק (למשל, בקוטר = 5 מ"מ, עובי = 1 מ"מ).
  3. כדי להגדיר מאפייני בעירה, למקם את המדגם על צלחת גרפיט.
  4. הפוך תיל טונגסטן מפותל מחובר לשנאי משתנה.
  5. מקם את סליל W כך שהחלק המפותל של התיל נשען על החלק העליון של גלולה. אם המערכת תגובתי הוא חמצן רגיש, לעשות את זה בתא תגובה ללא חמצן, אחרת לבצע את התגובה באוויר פתוח.
  6. כדי לקבוע את מהירות גל בעירה, להשתמש בהקלטה מהמצלמה במהירות הגבוהה. עמדה ולמקד את המצלמה התרמית במהירות הגבוהה על המדגם שנבדק ולהתחיל בהקלטה. זה יאפשר מידע טמפרטורה ומהירות בעירה מדויק שנאסף.
  7. כדי להשיג את הפרמטרים הרצויים של תהליך הבעירה, לנהל מסגרת על ידי ניתוח מסגרת של סרט IR נרשם.
    1. עלילה העמדה של התפשטות חזית התגובה לעומת זמן. השג את מהירות בעירה הממוצעת מהמדרון של העלילה.
    2. עלילה שינויי הטמפרטורה במיקום באמצע המדגם. השתמש בגרף שהושג כדי לקבל מידע על הפרופיל של גל זמן תגובת טמפרטורה.
  8. כדי להגדיר מאפייני הצתה (זמן טמפרטורה ועיכוב ההצתה הצתה) לשים הדק דיסק על פלטה חשמלית שחומם מראש לטמפרטורה הרצויה (למשל, 800 K). שים לב שהערכים המדויקים שהתקבלו מניסוי זה ישתנו באופן משמעותי אם כל פרמטרים משתנים, בין אם הם בגודל של גלולה, טמפרטורה של פלטה חשמלית, או TMD. ניתוח זה הוא שימושי עבור determinatיון של מגמות.
    1. על מנת לקבוע את הפרמטרים ההצתה להשתמש במצלמה במהירות הגבוהה. עמדה ולמקד את המצלמה התרמית במהירות הגבוהה באזור שבו המדגם יהיה מונח על הצלחת החמה ולהתחיל בהקלטה.
      הערה: זה יאפשר מידע טמפרטורה מדויק בתהליך.
      1. אם התגובה היא חמצן רגיש, לבצע את זה בתא תגובה החופשית של חמצן. חשוב: הפעל את הניסוי הזה מספר פעמים כדי לזכות בבסיס נתונים סטטיסטיים טוב.
    2. שים את הכדור לתוך האזור של מוקד. לעשות את זה בדרך שהחלקיק יכול לראות בכל מסגרת - חשוב לראות את התמונה הראשונה שהגלולה נוגעת צלחת החמה.
    3. כדי להשיג את הפרמטרים הרצויים הצתה, לנהל מסגרת על ידי ניתוח מסגרת של סרט IR נרשם.
    4. כדי לקבוע את זמן השהית הצתה, לקבוע את הזמן בין הפריים הראשון, כאשר הכדור נוגע במשטח של פלטה חשמלית, לייזום התגובה. כדי לקבוע את טמפרטורת ההצתה, עלילה נקודת הטמפרטורה הגבוהה ביותר על החלקיק. כאשר הפרופיל בזמן הטמפרטורה עובר מזה של פרופיל טמפרטורת חימום מוקדם לזה של משטר נפץ תרמי, נקודת הפיתול תואמת את טמפרטורת ההצתה.

3. מייקר ניתוח שימוש בשדה פליטת סריקת אלקטרונים מיקרוסקופ (FESEM) מצויד בפוקוס אלומת יונים (FIB)

  1. להשעות 0.1 גרם של החלקיקים מפוברקים באתנול 10 מיליליטר והפקדת טיפה אחת של ההשעיה על גבי משטח של מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) בעל מדגם.
  2. ייבש את בעל מדגם על 90 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות.
  3. הכנס את המדגם למערכת / SEM FIB הקורה כפול.
  4. לנהל מדגם ניקוי פלזמה למשך 5 דקות. הערה: הפעולה זו מפחיתה את כמות הנזק שהמדגם חווה כתוצאה מחשיפה לקרן האלקטרונים (E-קרן).
  5. הפעל את E-הקרן (ק 5, 3.5 NA) ולהתמקד בחלקיק יחיד. t קישורהוא z-גובה למרחק העבודה, ולאחר מכן להעלות את המדגם לגובה eucentric.
  6. באמצעות E-הקרן עם מחט זריקת גז, להפקיד שכבה ראשונית של פלטינה (70 ננומטר) על המדגם כדי להגן מפני השפלה משימוש ביון-קרן גליום (אני-קורה).
  7. הטה את הדגימה עד 52 מעלות, ולאחר מכן הפעל את I-הקרן. באמצעות אני-הקורה (ק 5, 0.28 NA), שוב עם מחט זריקת גז, להפקיד רובד נוסף של פלטינה (0.5 מיקרומטר) על המדגם להגנה.
  8. חותך סימני אמונים על המדגם. מיל החלקיקים לצורה מלבנית. זה מגדיל בהרבה את הסיכוי שיהיו אמונים נאותים, שכן לא יהיו קיצוצים ובפינות להשתמש מרובים.
  9. בעזרת תכנית, פורס את החלקיק עם אני-הקורה.
    1. בחר "קובץ" ואז "שמור מיקום תמונה" לבחור ספרייה שבה התמונות תאוחסן.
    2. בהתאם לחלקיק הבודד, בחר את הרוחב המתאים, lenGTH, ועומק; לבחור אלה לחלוטין טחנה דרך כל הנפח של החלקיקים. בנוסף, בחר את מספר פרוסות, כמו גם מספר פרוסות לכל תמונה. ניתן למצוא אפשרויות אלה בכרטיסייה "Slice".
    3. הגדר את הקרן הנוכחית על ידי בחירה "Utilities" ואז "הצע זרמים". הערה: זה יאפשר התכנית כדי לבחור את הקרן הנוכחית המתאימה לטחנת המדגם בזמן סביר וכן להגן מפני נזק מדגם.
    4. לחץ על "הצג" והתוכנה תספק רשת כרסום חזותית שמראה מה החלק של החלקיק יהיה הסתובב; להבטיח שרשת כרסום ממוקמת במדויק על החלקיקים בחלק זה להיות הסתובב.
    5. אחרי כל פרוסה לקחת תמונת קורה אלקטרוני באיכות גבוהה לשיקום מאוחר יותר. כדי לבחור את הפרמטרים הקורה אלקטרוני המתאימים, לבחור בתפריט "הגדרות" ולבחור "סריקת פרמטרי תמונת EBeam".
      הערה: זה ייתן לי רשתכדי לבחור רזולוציה ולהתעכב זמן. להתעכב הזמן גבוה יותר, יותר הזמן שנדרש כדי לאסוף את התמונה.
  10. ניצול חבילת תוכנת שחזור 3D, לשחזר את הסט של תמונות שנאספו מFIB / SEM כפי שתואר לעיל 25. הערה: זה מניב עותק וירטואלי 3D מלא של החלקיקים, אשר לאחר מכן ניתן להשתמש כדי לחשב שטח מגע אזור, נקבוביות של החלקיקים הבודדים, עובי שכבת diffusive, כמו גם פרמטרים שימושיים אחרים אינספור.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

כדי להכין חומרים מרוכבים אנרגטיים nanostructured, תערובת של רכיבי אבקה רצויים (בדרך כלל בגודל מיקרומטר) הוא טיפל באופן מכאני בתנאי טחינה מוגדרים מראש. זמן עיבוד (בדרך כלל דקות) נשלט באופן מדויק על מנת ליצור את חלקיקי nanocomposite compositionally הומוגני אך לא מאפשר תגובה כימית המקיים את עצמו ליזום במהלך טחינה.

איור 1 ותכנית 1 וידאו ששטח פן קשר בין המגיבים בעליות חלקיקים מרוכבים בסדרי גודל בהשוואה לתערובת הראשונית. לאחר HEBM כל רכיב שולב במטריצה ​​של מרכיב אחר. ברוב המקרים, חומרים מרוכבים האנרגטיים nanostructured שהתקבלו צפופים מלא עם שטח מגע גבוה בין מגיבים (איור 2). יתר על כן, יכולים להיות מעורבים המגיבים בסולם של פחות מ -100 ננומטר. כמו כן, חשוב שתנאי HEBM הכוונון מאפשר regulatיון של מיקרו הפנימי של חומרים מרוכבים. הוא ראה באיור 2 שמעלות ערבוב שונות בין מגיב ניתן להשיג באותה המערכת. יתר על כן, HEBM יוצר קשר טרי (ללא חמצן) בין מגיבים. איור 3 ממחיש כי HEBM מסיר ביעילות את שכבת תחמוצת המגן על המתכת הראשונית (למשל, אל) חלקיקים. תמונה כהה שדה (DF) של ניתוח מיקרוסקופי אלקטרונים חודרים (TEM) בשילוב עם ספקטרוסקופיה X-ray אנרגיה נפיצה (EDX) בחלקיקים מרוכבים ניקל / אל מצביעה בבירור על גבולות חדשים בין המגיבים שהם נטולי חמצן.

למרות כוונון של מיקרו הפנימי של חלקיקים מרוכבים HEBM מאפשר הוויסות של גודל החלקיקים. לדוגמא, זה יכול להיות מושג על ידי שינוי יחס הסיבוב (k) של גלגל שמש (1,400 סל"ד) וצנצנת טחינה (בין 700 ל -1,300 סל"ד). תכנית הדמיה וידאו שכמה משטרי HEBM עלולים להתרחשבהתאם ליחס k. התערובת של כדורים והאבקה k ≤ 1.5 היא "גלישה" על פני השטח של צנצנת (וידאו 2). ב1.85 ≤ k <1.5 התנגשויות אינטנסיביות מרווח של כדורים לקחת מקומות (וידאו 3). איור 4 מצביעים על כך שמשטרי HEBM שונים כגון להשפיע באופן משמעותי את הגדלים של חלקיקים, כלומר, חלקיקים גסים (100-150 מיקרומטר) נוצרים ב" זזים " משטר, בעוד חלקיקים זעירים רבים (10-50 מיקרומטר) יכולים להיות מוכנים במשטר ההתנגשות.

יחד עם הכנה של חלקיקים מרוכבים אנרגטיים, הפרוטוקול מתאר טכניקות אפיונם. גישה כזו חושפת את הקשרים החשובים בין הכנת חומרים, מיקרו שלהם ותגובתיות של חלקיקים מורכבים. לדוגמא, חקירת microstructural מפורטת של חלקיקים מרוכבים Ti / C נחשפה הב, לאחר 3 דקות של HEBM, שכבת פחמן-עשיר שנוצרה בין שכבות טיטניום השטוחים 11 עקב הריתוך הקר. תמונות TEM באיור 5 מצביעות על כך ששכבת פחמן מכילה חלקיקי טיטניום מפוזרים באופן אחיד וקרביד טיטניום גרעינים (טיק).

פרופילי טמפרטורה בזמן שנרשמו על ידי הדמיה אינפרא אדום עבור חלקיקים מרוכבים Ti / C מוצגים באיור 5 ג חלקיקי .the הונחו על צלחת חמה עם טמפרטורה של כ -600 K. מערכת Thermo-Vision במהירות גבוהה היה משמשים לניטור-הזמן היסטורית טמפרטורה של החלקיקים. טווח מדידת טמפרטורה שנבחר היה 600-1,200 K. ניתן לראות כי החומרים, לאחר 2 דקות של טיפול מכאני, לא יכולים להיות בתנאים נחקרו-הצית עצמית. טמפרטורת ההצתה העצמית לאחר 3 דקות של HEBM היא כ -600 K, ואילו לאחר 5 דקות של 7.5 וטיפול טיג הוא הרבה מתחת 600 ק זה מעניין, כי טמפרטורת ההצתה היא שוב מעל 600 Kבמשך זמן טחינה של 9 דקות. אפקט זה מוסבר על ידי ההיווצרות של כמות שלב הטיק בצנצנת הטחינה. יש לציין כי בעת השריפה של תערובת Ti + C קונבנציונלי, מיקרו של מדיום התגובה נותר ללא שינוי על הופעתו של שלב מתכת נוזלי (1,941 K) והתגובה אקסותרמית יוזם ב ~ 2,000 ק תוצאות אלו מצביעות כי קיים קשר ישיר בין מיקרו נוצר במהלך טמפרטורת HEBM והצתה. היווצרות של אנשי קשר, ללא חמצן אינטימי בין מגיבים וגרעיני מוצר הופכת את חומרים מרוכבים Ti / C מאוד תגובתי כמו טמפרטורת ההצתה טיפות מ -2,000 ל -600 K. HEBM גם משפיעים באופן משמעותי את זמן השהית הצתה, כלומר, הזמן מה לאחר טבילת החלקיקים ב תנור ועד ייזום תגובה, כמו גם מהירות התפשטות חזית בעירה. פרופילי טמפרטורה-זמן באיור 5 ג מראה כי זמן השהית ההצתה גם יורד עם עלייה שלזמן טחינה.

ראוי לציין שבעירה של מרוכבים מפוברקים מכאני תערוכות יתרונות גדולים לסינתזה של חומרי nanostructured. במהלך הבעירה של תקשורת הקונבנציונלית, שליטה על מיקרו של המוצר היא קשה מאוד. לדוגמא, טמפרטורת תחילת תגובה של קונבנציונלי Ni + אל עולה בקנה אחד עם הטמפרטורה הנמוכה ביותר eutectic של המערכת (~ 910 K). השלב הנוזלי נוצר במהלך התגובה משמעותית משנה את מיקרו של התערובת הראשונית (איור 6). במרוכבים מפוברקים המכני, התגובות להמשיך מתחת לטמפרטורת eutectic של המערכת, אשר מבטלת לחלוטין היווצרות שלבים נוזליים, כלומר, בעירה של מצב מוצק אמיתית, מה שנקרא הלהבה מוצקה, מתקיימת. עדות לכך הוא טמפרטורת תגובת תחילת נמוכה כמו 470 K, ואילו הטמפרטורה הנמוכה ביותר eutectic במערכת זו מתרחשת ב910 K; זה מרמז על כך שcon משמעותי גרסה חייבת להתרחש עקב תגובה גרידא מצב מוצק. דוגמאות שהוכנו מחלקיקים מרוכבים כגון לשמור על הצורה ומייקרו (איור 6).

איור 1
איור 1. השינוי של מייקר תקשורת התגובה הטרוגנית במהלך כרסום כדור אנרגיה גבוהה: הייצוג סכמטי של טרנספורמציה של חלקיקים בגודל מיקרומטר של מגיבים בודדים לחלקיקים שכבתיים משולבים (), והיווצרותם של חלקיקים מרוכבים ניקל / אל באמצעות HEBM של ניקל ומגיבי אלומיניום (B). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

fig2.jpg "/>
איור 2. Tuning שטח המגע בין המגיבים על ידי שינוי תנאי HEBM למערכות שונות:. ניקל / אל (- C), Ti / C (D, E) והתא / C (F) אנא לחצו כאן לצפייה גדולה יותר גרסה של נתון זה.

איור 3
גיבוש איור 3. אנשי קשר ללא חמצן בין המגיבים: ייצוג סכמטי (), תמונת שדה מוארת של גבול ניקל / אל הוקם על ידי HEBM (B) ונפיץ אנרגיה X-ray ספקטרוסקופיה (EDS) פרופילים של ניקל, אלומיניום ו חמצן (C). אנאלחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4
הכנת 4. איור של חלקיקים מורכבים עם בגדלים שונים על ידי כוונון היחס (k) של גלגל שמש ומהירויות סיבוב צנצנת טחינה:. K ≤ 1.5 () ו -1.8 ≤ k <1.5 (B) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של נתון זה.

איור 5
איור 5. הקשר בין מיקרו ותגובתיות של חלקיקים מורכבים: תמונת TEM של חלקיקי Ti / C מרוכבים (), תמונת TEM ברזולוציה גבוהה של חלקיקי טיק (B (C) פעמים Ti / C חלקיקים מרוכבים שונות טחינה (2, 3, 5, 7.5, 9 דקות). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 6
איור 6. סינתזה של חומרים עם מיקרו-תוכנן מראש על ידי שימוש בבעירה של חלקיקים מרוכבים מובנה ננו:. Microstructures של intermetallics NiAl באמצעות תקשורת קונבנציונלית () וחלקיקים מרוכבים מפוברקים מכאני (B) אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של זה דמות.

טבלה 1. כמה מאפיינים של חומרים אנרגטיים.

וידאו 1. הדמיה "Slice ונוף" של חלקיקים מרוכבים ניקל / אל.

וידאו 2. משטר "הזזה" של HEBM בk ≤ 1.5.

וידאו 3. התנגשויות אינטנסיביות של כדורים ב1.85 ≤ k <מרווח של 1.5.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

הפרוטוקול מספק תיאור מפורט להכנת nanocomposites האנרגטי תגובתי (Ti + C, Ta + C, Ni + אל) עם מיקרו המותאם על ידי שימוש בשיטת HEBM לטווח קצר. HEBM תערובות הטרוגניות gasless כרוך העיבוד שלהם בטחנת כדור פלנטריים במהירות גבוהה, שבו החלקיקים של תערובת נתונים להשפעה מכאנית עם כוח מספיק לפירוט רכיבים שבירים (למשל גרפיט) ​​ועיוות של רכיבי פלסטיק (לדוגמא, אל , Ti, Ta, ניקל). מגיבים פריכים מהחורץ לחלקיקים עדינים ועלולים להפוך לחסרים צורה, ואילו מתכות פלסטיק נתונים לעיוותים רבות וריתוך קר, ויוצרים חלקיקי חומרים מרוכבים. שברים קטנים של רכיבים שבירים נמצאים לעתים קרובות בתוך החלקיקים של מגיבים פלסטיק. כוונון עדין של תנאי HEBM לאפשר בקרה של גדלי חלקיקים המורכבים ומייקרו הפנימי שלהם. יש לציין כי במידה כזו של שליטה בmicrostructurדואר לא ניתן להשיג ברוב הטכניקות אחרות זמינות כעת עבור הכנה של חומרים מרוכבים אנרגטיים nanostructured. כך האנרגיה שמשתחררת בחומרים מרוכבים אנרגטיים מפוברקים מכאני יכולה לשלוט במדויק על ידי מיקרו שלהם באמצעות כוונון עדין של תנאי HEBM.

תנאי HEBM הייחודיים מאפשרים גם אחד כדי לייצר את פתרונות metastable שאינו שיווי משקל הרוויה, המאפשרים תגובות להתרחש בטמפרטורות נמוכות יותר באופן משמעותי מתערובות אבקה קונבנציונליות. יתר על כן, במקרים מסוימים התגובות להמשיך מתחת לטמפרטורת eutectic של המערכת, אשר מבטלת היווצרות שלבים נוזליים לחלוטין. דוגמאות שהוכנו מחלקיקים מרוכבים כגון לשמור על הצורה ומייקרו שלהם.

שימוש אחד HEBM הוא בייצור של nanocomposites תגובתי, אנרגטי. תהליך זה הוא פשוט, חסכוני מאוד, ולשנותם בקלות. ישנן שתי בעיות עיקריות בתהליך זה, עם זאת. הראשון הואבעיות בטיחות; תהליך זה יוצר nanocomposites כי הם מאוד תגובתי, ובתור שכזה, המפעיל חייב לעקוב כל נהלי הבטיחות. זה כולל נהלי בטיחות כלליים בנוגע להפעלה של המכונה עצמה ולנהלי בטיחות ספציפיים יותר הנוגעים לתרכובות מנוצלות. בשל האופי תגובתי של nanocomposites אלה; כמות מוגבלת של חומר זה צריכה להיות מיוצרת עד ידע לגבי הבטיחות של המערכת הספציפית הוברר. ולבסוף, ניתן הציגו זיהומים הקשורים לכלי השיט. זה יכול להוביל לזיהום פשוט או צד תגובות אפילו לא רצויות. שלישית, הכנה של חומרים מרוכבים נטול נקבוביות (למשל, ציפויים, סרטים) היא קשה ודורשת צעדים נוספים (ריסוס קר או מתגלגל) 26.

הפרוטוקול מספק גם מידע מעמיק על האפיון של חומרים מרוכבים אנרגטיים nanostructured המפוברקת מכאני. השימוש בטכניקות אינפרא אדום במהירות גבוההllows למרחבים מדויקים (2 מיקרומטר), תרמית (5 K), והחלטה זמנית (15,000 fps). זה מאפשר אפיון מדויק של החלקיקים המורכבים, כולל ההיסטוריה שלהם בזמן הטמפרטורה, טמפרטורת הצתה, זמן השהיה, ומהירות התפשטות.

הפרוטוקול הוא מדריך חשוב להכנה של ננו שונה האנרגטי (gasless) שיכול לשמש כמקורות צפיפות אנרגיה גבוהה או או לסינתזה ועיבוד של ננו המתקדם על ידי גישות המבוססת על שריפה. ניתן לשנות אותו בקלות לחלים על מערכות תרמיט, וחומרים אנרגטיים אחרים כגון חומרים מרוכבים מתכת-פולימר.

צעדים קריטיים בפרוטוקול כוללים את ההכנה הראשונית של nanocomposites, החל מהמשקל של האבקות ובחירת יחס תשלום המתאים. בנוסף, הוא בעלת חשיבות מרכזית להבטחת שהאווירה הפנימית של הצנצנת היא אינרטי באמצעות הקאה Ar. בחירה של הכדורפרמטרים טחינה, כולל מהירות המהפכה וכוללת זמן טחינה נחוצים לחייטות מיקרו. לבסוף, החשיפה, אוסף, והסיווג של האבקה עם הליך בטוח הם חשובים, שמא הניסוי הרוס. הכנת האבקות לניסויים על ידי לחיצה קובעת את הנתונים שניתן לאסוף, ואחריו ניתוח מדויק של הנתונים. שימוש בתוכנת S & V FIB כדי ליצור בסיס נתוני 3D לניתוח הוא גם בעל חשיבות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

יש לי המחברים אין לחשוף.

Materials

השומה gas שוחרר לכל 100 גר ' צפיפויות אנרגיה לכל נפח, kJ / סנטימטר 3 טמפרטורת הצתה, K
Trinitrotoluene (TNT) 8.36 -7.22 510
טרמיטים
2Al + 3CuO 0.54 -20.8 900-1,100
2Al + Fe 2 O 3 0.14 -16.4
2Al + Bi 2 O 3 0.47 -15.2
מערכות Gasless
אל + Ni 0 -7.13 910/520
Ta + C 0 -10.9 3,000 / 1,500
Ti + C 0 -15.2 2,000 / 900
Name Company Catalog Number Comments
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 0.032" diameter
Planetary Ball Mill Retsch GmbH, Germany
Uniaxial press Carver Hydraulic
Sieve shaker Gilson performer
Cylindrical stainless steel press die Action Machine
Stainless steel sieves Mcmaster Carr Type 304
High-speed thermal camera (SC6000) FLIR
Helios NanoLab 600, Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM) Equipped by Focus Ion Beam (FIB) FEI
Cylindrical reactor with a vacuum pomp Action Machine
Autoslice and View (S&V) FEI
Avizo Fire FEI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fried, L. E., Manaa, M. R., Pagoria, P. F., Simpson, R. L. Design and Synthesis of Energetic Materials. Annual Review of Materials Research. 31, 291-321 (2001).
  2. Dlott, D. D. Thinking Big (and Small) about Energetic Materials. Materials Science and Technology. 22 (4), 463-473 (2006).
  3. Dreizin, E. L. Metal-Based Reactive Nanomaterials. Progress in Energy and Combustion Science. 35 (2), 141-167 (2009).
  4. Yetter, R. A., Risha, G. A., Son, S. F. Metal Particle Combustion and Nanotechnology. Proceedings of the Combustion Institute. 32 (2), 1819-1838 (2009).
  5. Zhou, X., Torabi, M., Lu, J., Shen, R., Zhang, Z. Nanostructured Energetic Composites: Synthesis, Ignition/Combustion Modeling, and Applications. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (5), 3058-3074 (2014).
  6. Mann, A. B., et al. Modeling and Characterizing the Propagation Velocity of Exothermic Reactions in Multilayer Foils. Journal of Applied Physics. 82 (3), 1178 (1997).
  7. Jayaraman, S., Mann, A. B., Reiss, M., Weihs, T. P., Knio, O. M. Numerical Study of the Effect of Heat Losses on Self-Propagating Reactions in Multilayer Foils. Combustion and Flame. 124 (1-2), 178-194 (2001).
  8. Rogachev, A. S. Exothermic Reaction Waves in Multilayer Nanofilms. Russian Chemical Reviews. 77 (1), 21-37 (2008).
  9. White, J. D. E., Reeves, R. V., Son, S. F., Mukasyan, A. S. Thermal Explosion in Al-Ni System: Influence of Mechanical Activation. The Journal of Physical Chemistry A. 113 (48), 13541-13547 (2009).
  10. Shteinberg, A. S., Lin, Y. -C., Son, S. F., Mukasyan, A. S. Kinetics of High Temperature Reaction in Ni-Al System: Influence of Mechanical Activation. The Journal of Physical Chemistry A. 114 (20), 6111-6116 (2010).
  11. Manukyan, K. V., Lin, Y. L., Rouvimov, S., McGinn, P. J., Mukasyan, A. S. Microstructure-reactivity relationship of Ti reactive nanomaterials. Journal of Applied Physics. 113 (2), 024302 (2013).
  12. Mukasyan, A. S., Lin, Y. C., Rogachev, A. S., Moskovskikh, D. M. Direct Combustion Synthesis of Silicon Carbide Nanopowder from the Elements. Journal of the American Ceramic Society. 96 (1), 111-117 (2013).
  13. Lin, Y. C., Nepapushev, A. A., McGinn, P. J., Rogachev, A. S., Mukasyan, A. S. Combustion joining of carbon/carbon composites by a reactive mixture of titanium and mechanically activated nickel/aluminum powders. Ceramics International. 39 (7), 7499-7505 (2013).
  14. Manukyan, K. V., et al. Tailored Reactivity of Ni+AlNanocomposites: Microstructural Correlations. The Journal of Physical Chemistry C. 116 (39), 21027-21038 (2012).
  15. Qiu, X., Wang, J. Bonding Silicon Wafers with Reactive Multilayer Foils. Sensors and Actuators A. 141 (2), 476-481 (2008).
  16. Wang, J., et al. Joining of Stainless-Steel Specimens with Nanostructured Al/Ni Foils. Journal of Applied Physics. 95 (1), 248-256 (2004).
  17. Rogachev, A. S., Mukasyan, A. S. Combustion of Heterogeneous Nanostructural Systems (Review). Combustion, Explosion, and Shock Waves. (Engl. Transl). 46 (3), 243-266 (2010).
  18. Granier, J. J., Pantoya, M. L. Laser Ignition of Nanocomposite Thermites). Combustion and Flame. 138 (4), 373-383 (2004).
  19. Bockmon, B. S., Pantoya, M. L., Son, S. F., Asay, B. W., Mang, J. T. Combustion Velocities and Propagation Mechanisms of Metastable Interstitial Composites. Journal of Applied Physics. 98 (6), 064903-064907 (2005).
  20. Tillotson, T. M., et al. Nanostructured Energetic Materials Using Sol−Gel Methodologies. Journal of Non-Crystalline Solids. 285 (1-3), 338-345 (2001).
  21. Cervantes, O. G., Kuntz, J. D., Gash, A. E., Munir, Z. A. Heat of Combustion of Tantalum−Tungsten Oxide Thermite Composites. Combustion and Flame. 157 (12), 2326-2332 (2010).
  22. Leventis, N., Chandrasekaran, N., Sadekar, A. G., Sotiriou-Leventis, C., Lu, H. One-Pot Synthesis of Interpenetrating Inorganic/Organic Networks of CuO/Resorcinol-Formaldehyde Aerogels: Nanostructured Energetic Materials. Journal of the American Chemical Society. 131 (13), 4576-4577 (2009).
  23. Zhang, K., Rossi, C., Ardila Rodriguez, G. A., Tenailleau, C., Alphonse, P. Development of a Nano-Al/CuO Based Energetic Material on Silicon Substrate. Applied Physics Letters. 91 (11), 113117-113113 (2007).
  24. Xu, D., Yang, Y., Cheng, H., Li, Y. Y., Zhang, K. Integration of Nano-Al with Co3O4Nanorods to Realize High-Exothermic Core-Shell Nanoenergetic Materials on a Silicon Substrate. Combustion and Flame. 159 (6), 2202-2209 (2012).
  25. Shearing, P. R., et al. Exploring Microstructural Changes Assicuated with Oxidation in Ni-YSZ SOFC Electrodes Using High Resolution X-ray Computed Tomography. Solid State Ionics. 216 (28), 69-72 (2012).
  26. Bacciochini, A., Bourdon-Lafleur, S., Poupart, C., Radulescu, M., Ni-Al, J. odoinB. Nanoscale Energetic Materials: Phenomena Involved During the Manufacturing of Bulk Samples by Cold Spray. Journal of Thermal Spray Technology. In press, (2014).

Tags

הנדסה גיליון 98 מרוכבים ריאקטיבי חומרים אנרגטיים אנרגיה גבוהה כדור כרסום Gasless שרפה הצתה תגובתיות שיפור
חומרים אנרגטיים הכנה ותגובתיות של Gasless Nanostructured
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Manukyan, K. V., Shuck, C. E.,… More

Manukyan, K. V., Shuck, C. E., Rogachev, A. S., Mukasyan, A. S. Preparation and Reactivity of Gasless Nanostructured Energetic Materials. J. Vis. Exp. (98), e52624, doi:10.3791/52624 (2015).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter