Articolo metodologico

Preparazione e reattività di gasless Nanostrutturati materiali energetici

DOI:

10.3791/52624

⸱

2 aprile 2015

 ,  ,  , 
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"

In questo articolo

Sommario

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Questo protocollo descrive la preparazione di gasless nanostrutturati materiali energetici (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) utilizzando la sfera ad alta energia a breve termine di fresatura (HEBM) tecnica. Viene inoltre descritto un metodo di imaging termico ad alta velocità per studiare la reattività di nanocompositi fabbricati meccanicamente. Questi protocolli possono essere estesi ad altri materiali energetici nanostrutturati reattiva.

Abstract

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High Energy sfera fresatura (HEBM) è un processo di macinazione in cui una miscela di polveri collocato nel mulino a sfere è sottoposto a collisioni ad alta energia dalle sfere. Tra altre applicazioni, è una tecnica versatile che consente un'efficace preparazione di materiali nanostrutturati gasless reattivi con alta densità di energia per volume (Ni + Al, Ta + C, Ti + C). Le trasformazioni strutturali di mezzi reattivi, che si svolgono durante HEBM, definiscono il meccanismo di reazione nei compositi energetiche prodotte. Variando le condizioni di trasformazione consente la messa a punto delle microstrutture fresatura-indotta delle particelle composte fabbricati. A sua volta, la reattività, cioè, temperatura di autoaccensione, tempo di ritardo di accensione, nonché cinetica di reazione, di materiali ad alta densità di energia dipende dalla sua microstruttura. Analisi delle microstrutture fresatura indotta suggerisce che la formazione di fresco intimi superficiali elevate area contatti senza ossigeno tra i reagentis responsabile per il miglioramento della loro reattività. Ciò si manifesta in una riduzione della temperatura di accensione e tempo di ritardo, un aumentato tasso di reazione chimica, e una diminuzione complessiva della energia di attivazione effettiva della reazione. Il protocollo contiene una descrizione dettagliata per la preparazione di nanocompositi reattivi con microstruttura su misura con il metodo HEBM breve termine. Esso descrive anche una tecnica di imaging termico ad alta velocità per determinare le caratteristiche di accensione / combustione dei materiali energetici. Il protocollo può essere adattato alla preparazione e caratterizzazione di una varietà di materiali compositi nanostrutturati energetici.

Introduzione

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Materiali energetici classica, cioè, esplosivi, propellenti e pirotecnici sono una classe di materiali con una elevata quantità di energia chimica immagazzinata che può essere liberato durante la reazione esotermica rapida 1-5. Ad esempio, esplosivi sono solitamente generati combinando gruppi di combustibile e comburente in una molecola. La densità di energia di tali materiali è molto elevata. Ad esempio, quando la decomposizione tritolo (TNT) rilascia 7.22 kJ / cm 3 e forma 8,36 moli di gas per 100 g (Tabella 1) in un breve periodo di tempo. Questi materiali sono composti da specie micrometro scala organici ....

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Protocollo

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Palla fresatura 1. Alta energia

  1. Preparare 35 g di 1 iniziale: 1 rapporto molare miscela Ni + Al. In questo caso, pesare 11.02 g di Al e 23.98 g di polveri Ni.
  2. Utilizzare un vaso fresatura di acciaio per HEBM di questo sistema. Assicurarsi che il vaso ha una durezza superiore alle polveri da aggiungere, altrimenti le polveri danneggiare il vaso e sorgerà contaminazione. Nota: le scelte vaso tipiche includono l'acciaio, ossido di zirconio, o carburo di tungsteno.
  3. Utilizzare un 5: 1 pallina: polvere (rapporto costo) per questo sistema, cioè, 175 g di sfere d'acciaio 10 mm. Assicurarsi che le palline sono fatte dello stesso materia....

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Risultati

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Per preparare compositi nanostrutturati energetici, una miscela di componenti in polvere desiderati (in genere di dimensioni micrometriche) è trattata meccanicamente in condizioni di fresatura preimpostate. Il tempo di elaborazione (tipicamente minuti) viene accuratamente controllato per generare particelle nanocompositi compositivo omogeneizzati, ma non consentendo la reazione chimica autosostenuta per iniziare durante la fresatura.

Figura 1 and Video 1 mos.......

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Discussione

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Il protocollo prevede una descrizione dettagliata per la preparazione dei reattivi energetici (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) nanocompositi con microstruttura misura utilizzando il metodo HEBM breve termine. HEBM di miscele eterogenee gasless comporta il trattamento in un mulino a palle planetario ad alta velocità, in cui le particelle della miscela sono sottoposti a impatto meccanico con una forza sufficiente per ripartizione dei componenti fragili (ad esempio di grafite) e la deformazione dei componenti in plastica.......

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Questo materiale si basa sul lavoro sostenuto dal Dipartimento dell'Energia, National Nuclear Security Administration, con il numero di premio DE-NA0002377. Finanziamento della Defense Threat Reduction Agency (DTRA), numero di sovvenzione HDTRA1-10-1-0119. Il Dr. Suhithi M. Peiris, direttore del programma, è un ringraziamento per il programma contro le WMD. Questo lavoro è stato sostenuto anche dal Ministero dell'Istruzione, della Scienza e dell'Istruzione della Federazione Russa nell'ambito del programma di aumento della competitività della sovvenzione NUST "MISIS" n. K2-2014-001.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
TitanioAlfa Aesar42624Dimensione delle particelle: -325 mesh
Purezza, 99,5%
GrafiteAlfa Aesar46304Dimensione delle particelle: 7-11 micron
Purezza, 99%
NichelAlfa Aesar10256Dimensione delle particelle: 3-7 micron
Purezza, 99,9%
di alluminioAlfa Aesar11067Dimensione delle particelle: -325 mesh
Purezza, 99,5%
di tantalioMaterion sostanze chimiche avanzateT-2017Dimensione delle particelle: 325 mesh
Purezza, 99,9%
NerofumoFisher scientificC198-500Dimensione delle particelle: 0,1 micron
Purezza, 99,9%
filo di tungstenoMcmaster Carr0,032" diametro
Mulino a sfere planetarioRetsch GmbH, Germania
Pressa uniassialeCarver Setacciatore idraulico
Gilson esecutore
Pressa cilindrica in acciaio inossidabile Macchinad'azione
Setacci in acciaio inoxMcmaster CarrTipo 304
Termocamera ad alta velocità (SC6000)FLIR
Helios NanoLab 600, Microscopio elettronico a scansione a emissione di campo (FESEM) Dotato di Focus Ion Beam (FIB)FEI
Reattore cilindrico con pompa a vuotoAction Machine
Autoslice e View (S& V)FEI
Avizo FireFEI

Riferimenti

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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.

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Ristampe e permessi

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Tag

Macinazione a sfere ad alta energiasistemi reattivi senza gasanalisi della microstrutturaimaging termico ad alta velocitSEM a emissione di campofascio ionico focalizzatomisurazione della temperatura di accensionecaratteristiche di combustionenanocompositi reattivi

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