준비 및 Gasless 나노 구조의 반응성 정력 재료

다음 실험의 전반적인 목표는 반응성이 매우 높은 가스 및 나노 구조화된 고에너지 재료를 제조하고 그 특성을 분석하는 것입니다. 이는 니켈과 알루미늄 분말 혼합물을 고에너지 볼 밀링하여, 반응물 간에 산소가 없는 깨끗하고 밀접한 표면 접촉을 가진 니켈-알루미늄 복합 입자를 형성함으로써 반응성을 높이는 방식으로 이루어집니다. 이후, 고속 적외선 이미징을 사용하여 기계적으로 제조된 고에너지 재료의 화염 전파 속도 및 발화 온도와 같은 연소 특성을 결정합니다.

그 다음, 에너지 물질의 미세 구조를 분석하기 위해 집중 이온 빔이 장착된 전계 방사형 SEM을 사용합니다. 이 슬라이스 및 뷰(slice and view) 기술은 나노 구조의 가스리스(gas less) 에너지 물질의 미세 구조를 특성화합니다. SEM 및 고속 이미징 결과, 고에너지 볼 밀링을 통해 나노 구조 에너지 물질의 미세 구조적 특성과 점화 특성을 정밀하게 조정할 수 있음을 확인하였습니다.

초음파 혼합 자가 조립 방식이나 겔 증착과 같은 기존의 혼합 방법과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은 에너지 물질을 확장 가능하고 환경 친화적인 방식으로 제조할 수 있다는 점입니다. 이 방법은 물질의 미세 구조 조절을 통해 무형성(castless) 불균일 시스템의 반응성 규명에 관한 핵심적인 질문들에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한, 이 방법은 가스 기반의 저반응성 시스템을 이용한 에너지 물질의 제조 및 특성 분석에 대한 통찰력을 제공할 수 있습니다.

이는 흰개미와 같은 다른 시스템에도 적용될 수 있습니다. 본 프로토콜을 위해 니켈과 알루미늄을 1:1 몰비로 혼합하여 35 g의 혼합물을 준비하십시오. 분말과 밀링 상호작용의 강도를 정의하기 위해, 볼 대 분말 충전비(ball to powder charge ratio)를 5:1로 설정하십시오.

분말 35 g당, 사용할 밀링 자(milling jar)와 동일한 재질의 10 mm 볼 175 g을 준비하십시오. 그다음 자에 볼과 분말을 넣습니다. 자의 경도는 첨가되는 분말보다 높아야 합니다.

이 시스템에는 강철, 지르코늄 옥사이드 또는 텅스텐 카바이드 재질의 자(jar)를 모두 적절하게 사용할 수 있습니다. 그 다음 자를 밀폐하고 아르곤 가스를 주입하여 공기를 제거하며, 아르곤으로 네 번 퍼지(purge)합니다. 이후 자 내부가 대기압보다 약간 높을 정도로 아르곤을 충분히 채웁니다. 준비된 자를 유성 볼 밀(planetary ball mill)에 장착하고, 자의 회전 속도는 650 RPM으로, 선 휠(sun wheel)의 내부 회전 속도는 1400 RPM으로 설정합니다. 때로는 복합 입자의 미세 구조를 조절하기 위해 내부 회전 속도를 변경할 수 있습니다.

이제 시스템을 15분 동안 가동하십시오. 이 경우 임계 시간인 17분 이상으로 시스템을 가동해서는 안 됩니다. 그렇지 않으면 보호 장구를 착용한 상태에서 용기가 실온으로 식은 후 원치 않는 반응이 발생할 수 있으므로, 흄 후드 아래에서 뚜껑을 제거하여 가스를 배출하십시오.

자발적인 반응을 방지하기 위해 분말을 수집하기 전 5분 동안 용기를 환기시킵니다. 용기에서 분말을 수집할 때 금속제 스패튤라를 사용하지 마십시오. 체를 사용하여 분말을 다양한 크기로 분류합니다. 본 프로토콜의 나머지 과정에서는 20에서 53 micrometers 사이의 입자를 사용하며, 이제 체로 분류한 분말을 가압하여 펠릿으로 만듭니다.

5 mm 스테인리스강 프레스 다이에서 1100 kg으로 설정된 단축 프레스를 사용하십시오. 2분 동안 유지 시간을 둔 다음, 펠릿의 크기가 충분하다면 펠릿의 물리적 측정값을 측정하십시오. 트랜스포머에 연결된 텅스텐 와이어가 있는 흑연 플레이트 위에 연소 테스트를 위한 설정을 하십시오.

본 테스트에서는 고속 적외선 카메라를 사용하십시오. 연소파 속도를 정확하게 측정하려면 카메라를 펠릿에 수직 각도로 맞춘 후 녹화를 시작하십시오. 그런 다음 변압기를 천천히 켜서 와이어를 가열하면 연소 반응이 시작됩니다.

데이터의 프레임별 분석을 통해 반응 전면 전파 위치를 시간에 따라 도식화하여 평균 연소 속도를 구합니다. 연소 속도를 결정하려면 샘플 높이를 완전히 전파되는 데 걸리는 시간으로 나눕니다. 그런 다음 샘플의 중앙 영역에서의 온도 변화를 도식화합니다.

점화 특성을 정의하려면, 시료 분말로 얇은 디스크를 만들어 800 K와 같이 원하는 온도로 설정된 핫플레이트 위에 디스크를 올립니다. 핫플레이트가 설정 온도에 도달하면, 고속 카메라의 초점을 펠릿에 맞추고 녹화를 시작합니다. 카메라의 시야에는 펠릿과 플레이트의 접촉 지점이 보여야 하며, 이를 통해 분석 시 펠릿의 온도 지점이 플레이트의 온도를 초과하는 첫 순간이 기록되도록 합니다.

이 지점을 반응 개시점으로 정의합니다. 발화 온도 그래프를 결정하기 위해, 입자의 발화 지점 온도를 측정합니다. 발화 온도는 온도 프로파일이 열폭발 양상으로 전환되는 변곡점입니다.

주사 전자 현미경용 현탁 입자 샘플을 준비한 후, 5분간 플라즈마 세정을 수행하고 전자 빔을 단일 입자에 초점을 맞춥니다. Z 높이를 작동 거리(working distance)에 연결한 다음, 샘플을 편심 높이까지 올립니다. 이제 가스 주입 니들을 통해 전자 빔을 사용하여 샘플 위에 초기 70 nanometer 두께의 백금 층을 증착합니다.

이렇게 하면 갈륨 이온 빔 또는 I 빔으로 인한 분해로부터 샘플을 보호할 수 있습니다. 다음으로, 샘플을 52도로 기울이고 I 빔을 켭니다. I 빔을 5 kV 및 0.28 nA로 설정하십시오.

그런 다음 가스 주입 바늘을 사용하여 시료 위에 0.5 µm의 백금으로 추가 증착합니다. 기준 마크를 절단한 후, 프로그램을 사용하여 I-beam으로 입자를 슬라이스합니다. 먼저 파일을 열고, 이미지 저장 위치를 입력하여 데이터가 저장될 곳을 선택하십시오. 다음으로 slice 탭에서 다음과 같이 변경합니다.

입자 전체를 밀링할 수 있도록 너비, 길이 및 깊이를 설정합니다. 그런 다음 슬라이스 수와 이미지당 슬라이스 수를 설정합니다. 유틸리티 탭에서 suggest currents 옵션을 선택하여 프로그램이 샘플을 손상시키지 않고 밀링하는 데 적절한 빔 전류를 선택하도록 합니다.

이제 show를 클릭하십시오. 그러면 소프트웨어에 밀링 그리드가 시각적으로 표시됩니다. 계획을 다시 한번 확인한 후 입자 밀링을 시작하십시오.

각 슬라이스를 제작한 후, 재구성을 위해 해당 슬라이스의 고품질 전자빔 이미지를 촬영합니다. 전자빔 파라미터는 설정(setup) 및 전자빔 이미지 스캔 파라미터(ebeam image scan parameters) 항목에서 확인할 수 있습니다. 이 설정을 통해 그리드 선택 해상도와 드웰 시간(dwell time)이 결정됩니다.

체류 시간이 길수록 설명된 절차를 사용하여 이미지를 수집하는 데 더 많은 시간이 소요됩니다. 균질한 나노 복합 입자를 초기 혼합물과 비교하였습니다. 반응물과 복합 입자 사이의 표면적은 초기 혼합물에 비해 유의미하게 증가하였습니다.

고에너지 볼 밀링(HEBM) 후, 각 성분은 다른 성분의 매트릭스 내로 통합되었습니다. 대부분의 경우, 얻어진 나노 구조 에너지 복합체는 반응물 간의 접촉 면적이 넓고 완전히 치밀한 상태였습니다. 고에너지 볼 밀링은 초기 알루미늄 입자 표면의 보호 산화층을 효과적으로 제거하였습니다.

에너지 분산형 X선 분광법과 결합한 TEM 분석의 암시야 이미지는 니켈 알루미늄 복합 입자의 새로운 경계면에 산소가 없음을 명확하게 보여줍니다. HEBM은 선 휠(sun wheel)과 밀링 자(milling jar)의 회전비인 K값을 변경함으로써 입자 크기를 조절할 수 있게 합니다. 이 혼합물에서 K값이 1.5 미만일 때는 볼과 분말의 미끄러짐이 관찰되었습니다. 그러나 K값을 1.5에서 1.85 사이로 증가시키자 볼의 강렬한 충돌이 일어났습니다.

이러한 서로 다른 HEBM 조건은 입자 크기에 상당한 영향을 미칩니다. 슬라이딩 영역에서는 조대 입자가 형성되는 반면, 충돌 영역이 발달한 후에는 훨씬 더 미세한 입자가 제조됩니다. 이 기술은 에너지 나노물질 분야의 연구자들이 고에너지 밀도 복합재의 미세구조와 반응성 사이의 관계를 탐구할 수 있는 길을 열어주었습니다.

이 영상을 시청한 후에는 고에너지 볼 밀링(high energy ball milling)을 통해 에너지성 나노 복합재를 제조하고, 그 점화 및 연소 특성을 결정하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다. 에너지성 나노 물질은 매우 위험할 수 있으므로, 이 절차를 수행하는 동안에는 항상 개인 보호 장구 착용과 같은 예방 조치를 취해야 함을 잊지 마십시오.