Waiting
Login processing...

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

Engineering

Hazırlık ve Gazsız nanoyapılı reaktivitesi Enerjik Malzemeler

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

Bu protokol, (HEBM) tekniğini freze kısa süreli yüksek enerjili topu kullanılarak gazsız nanoyapılı enerjik malzemeler (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) 'nin hazırlanmasını tarif etmektedir. Aynı zamanda, mekanik olarak imal edilmiş, nanokompozitlerin reaktivitesini incelemek için yüksek hızlı termal görüntüleme yöntemi tarif etmektedir. Bu protokoller, diğer reaktif nano yapılı enerjik malzemeler uzatılabilir.

Abstract

Yüksek enerji Ball Freze (HEBM) bilyalı değirmende yerleştirilen bir toz karışımı toplardan yüksek enerjili çarpışmalar tabi tutulan bir top öğütme süreci. Diğer uygulamalar arasında, hacim başına yüksek enerji yoğunluğuna sahip gazsız reaktif Nanoyapılı malzemelerin etkin bir biçimde hazırlanması (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) sağlar çok yönlü bir tekniktir. HEBM sırasında gerçekleşecek reaktif medya yapısal dönüşümler, üretilen kompozit enerjik reaksiyon mekanizmasını tanımlar. Işlem şartlarını değiştirmek fabrikasyon kompozit parçacıkların freze kaynaklı mikro yapıların ince ayar izin verir. Yani sırayla, reaktivite, ise, yüksek enerji yoğunluğu malzemelerin kendine tutuşma sıcaklığı, tutuşma gecikmesi süresi, yanı sıra reaksiyon kinetiği, kendi mikro bağlıdır. Freze kaynaklı mikroyapıların analizi göstermektedir ki reaktifler arasında taze oksijen içermeyen samimi yüksek yüzey alanı temas oluşumu ionların reaktivite arttırılması için sorumlu s. Bu ateşleme sıcaklığı ve gecikme süresi, kimyasal reaksiyon oranında bir artış, ve reaksiyonun etkin aktivasyon enerjisi genel bir azalmayla kendini belli eder. protokol, kısa vadeli HEBM yöntemi kullanılarak özel mikro ile reaktif nanokompozitlerin hazırlanması için ayrıntılı bir açıklama sağlar. Aynı zamanda enerjik malzemelerin ateşleme / yanma karakteristiklerini belirlemek için bir yüksek hızlı termal görüntüleme tekniği anlatılmaktadır. Protokol nano yapılı enerjik kompozit çeşitli hazırlanması ve özelliklerinin adapte edilebilir.

Introduction

Klasik enerjik materyalleri, yani, patlayıcılar, itici ve piroteknik hızlı ekzotermik reaksiyon 1-5 boyunca salınabilir depolanan kimyasal enerjinin yüksek bir miktarda bir malzeme sınıfıdır. Örneğin, patlayıcı genellikle içine yakıt ve oksitleyici gruplarının birleştirilmesi ile oluşturulan bir molekül. bu maddelerin enerji yoğunluğu çok yüksektir. Örneğin, ayrışma trinitrotoluen üzerine (TNT), 7.22 kJ / cm 3 serbest bırakır ve zaman çok kısa bir süre içinde 100 g (Tablo 1) başına gazların 8.36 mol oluşturur. Bu maddeler, mikrometre ölçekli organik ve inorganik türlerin (yakıtları ve oksidanlar) oluşmaktadır.

Termit metaller azaltarak reaksiyonlar inorganik bileşik tarihleri ​​arasında gerçekleşecek sistemleri, yani, (örneğin, Al) ve oksitler (O 3 Fe 2, CuO, Bi 2 O 3), enerjik malzemelerin başka bir türe aittir. enerji yoğunluğu(15-21 kJ / cm3) bu tür sistemlerin TNT, ancak gaz ürün miktarı (100 g 0,15-0,6 mol), tipik olarak patlayıcı (Tablo 1) için çok daha az olduğunu aşmaktadır. Ayrıca, nano-thermites yanma dalga yayılımı (> 1,000 m / sn) 2 -5 derece yüksek hız gösterebilir.

Son zamanlarda, gazsız heterojen reaktif sistemlerde intermetalik veya refrakter bileşikler oluşturmak (Ni + Al, Ti + C, Ti + B) da bir dizi enerji malzeme olarak düşünülebilir 6-12 gördü. Bu sistemlerin enerji yoğunlukları (kJ / cm3) TNT (Tablo 1) daha yakın veya daha yüksektir. Aynı zamanda, reaksiyon sırasında gaz ürünleri olmaması gibi nano malzemelerin sentezi, ateşe dayanıklı ve farklı parça reaktif bağlanma, gazsız mikro güç jeneratörleri, 11-17 de dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için bu tür malzemeler, mükemmel adaylar yapar. Bununla birlikte, relthermites göre bu sistemler (900-3,000 K, Tablo 1) (~ 1.000 K) lişmekte yüksek tutuşma sıcaklığı kendi uygulamalarını engellemektedir. işlenmiş nano yapılı Bileşiklerin Hazırlanması önemli gazsız, türdeş sistemlerin 12-14, 17, ateşleme ve yanma özelliklerini geliştirmek olabilir.

Bir çok yöntem 18,19 karıştırma gibi ultrasonik olarak tasarlanmış enerjik nanokompozitler, imal etmek için geliştirilmiş, kendi kendine bağlanma sol-jel, 20-22, buhar biriktirme tekniği 16,17,23,24, hem de yüksek enerjili 5 yaklaşımları top freze (HEBM) 1,5. Nano-toz ultrasonik karıştırma dezavantajı, metal nanopartiküller üzerine kalın (5-10 nm) oksit kabuk enerji yoğunluğunu azaltır ve reaktif karışımlar yanma performansını düşürür olduğunu. Ayrıca, yakıt ve oksitleyici madde dağılımı düzgün değildir ve reaktanların arasındaki ara yüzey temas yakın değildir. Sol-jel bird öz-montaj stratejileri spesifik termit nanokompozitlerin hazırlanması için geliştirilmiştir. Düşük teknikleri olmasına rağmen, bu stratejiler çevre açısından yeşil değildir. Ayrıca, yabancı maddelerin büyük miktarlarda hazırlanan bileşikler dahil edilir. Buhar biriktirme veya magnetron püskürtme reaktif çok katmanlı folyo ve çekirdek-kabuk enerjik materyalleri hazırlamak için kullanılır. Bu teorik modelleme kolaylaştırır ve doğruluğu artırır kompozit bir gözenek-özgür ve iyi tanımlanmış geometri sağlar. Ancak, bu teknolojinin büyütmek için pahalı ve zordur. Ayrıca, hazırlanan katmanlı nanokompozitleri belirli koşullarda kararsız.

Yüksek Enerji Ball Freze (HEBM) nanoyapılı enerjik kompozit 5, 9 -14 etkin fabrikasyon sağlayan bir çevre dostu, kolay ölçeklenebilir bir yaklaşımdır. HEBM ucuz ve çeşitli reaktif madde bileşimleri (birlikte kullanılabilir, örneğin,rmites, intermetaliklerin, karbidler, boritleri, vs.) oluşturmak reaksiyonları.

protokol, kısa vadeli HEBM yöntemi kullanılarak hazırlanmış mikro ile reaktif enerjik (Ni + Al, Ti + C, Ta + C) nanokompozitlerin hazırlanması için ayrıntılı bir açıklama sağlar. Ayrıca olarak imal edilmiş enerjik malzemelerin ateşleme / yanma karakteristiklerini belirlemek için bir yüksek hızlı termal görüntüleme tekniği anlatılmaktadır. Son olarak Odaklı İyon Işın (FİB) tarafından donatılmış Alan Emisyon Taramalı Elektron Mikroskobu (Fesem) kullanarak nanokompozitlerin mikro analizini göstermektedir. protokol ya yüksek enerji yoğunluğu kaynağı olarak ya da yanma-tabanlı yaklaşımlarla sentezi ve gelişmiş nanomateryallerin işlenmesi için kullanılan olabilir, farklı enerjik nanomateryallerin (gazsız ve termit sistemlerin) hazırlanması için önemli bir rehberdir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Yüksek enerjili Ball Freze

  1. 1 molar oranı Ni + Al karışımı: İlk 1 35 gr hazırlayın. Bu durumda, Al 11.02 g Ni tozu 23.98 g tartın.
  2. Bu sistemin HEBM bir çelik öğütme kabı kullanın. , Kavanoz eklenecek tozlardan daha yüksek sertliğe sahip olduğundan emin olun, aksi takdirde tozlar kavanoz zarar verecek ve kirlenme ortaya çıkacaktır. Not: Tipik kavanoz seçenekler çelik, zirkonyum oksit veya tungsten karbür içerir.
  3. 1 top: 5 kullanın bu sistem için toz (yük oranı), yani, 10 mm çelik bilya 175 gr. Toplar, aksi takdirde toplar veya kavanoz ya zarar görür kavanoz aynı malzemeden yapılmış olduğundan emin olun.
    Not: yük oranı tozu ve öğütme maddeleri arasındaki etkileşimin yoğunluğu tanımlar.
  4. Kavanoza topları ve tozları ekleyin.
  5. Kavanoz Seal ve argon mekanik pompa ve tasfiye ile kavanoz atmosferik gaz pompası. Doldurma ve Ar gaz ile temizlenmesi sonucunda dört döngüleri Davranış(Bu kavanoz kalan oksijen yoktur olmasını sağlar). Son olarak, bir miktar (0.13 MPa), atmosfer basıncının üzerinde argon gazı ile kavanozun doldurulması.
  6. Bir gezegen bilyalı değirmen içine kavanoz yerleştirin.
  7. Kavanozun devrimin oranı dakika (rpm) başına 650 devrimi ve iç rotasyon (güneş tekerleği) için 1.400 rpm seçin.
    Not: Bazı durumlarda, toplam tekerleği (1400 rpm) ve öğütme kavanoz (700 1300 rpm) dönüş oranı (k) karma parçacıkların mikro düzenleyen değiştirildi.
  8. 15 dakika boyunca HEBM yordamı çalıştırın. Not: Sistem açıklanan koşullar için, 17 dakika eşittir, kritik bir zaman var. Reaksiyon kavanoza oluşmadan önce sistemde yapılabilir freze sonlu bir miktar var. HEBM uzun kritik zamanda daha yapılırsa, bir reaksiyon deney mahvediyor, top-freze kavanoz oluşacak.
  9. Öğütme süresinin tamamlanmasından sonra, oda sıcaklığına kadar kavanoz soğutun ve daha sonra bir duman başlığı kavanoz hareket eder.
    1. İlk basınçlandırma ve öğütme sırasında salınan olası gazdan aşırı gaz basıncını kaldırmak için kavanoz Vent.
    2. Davlumbaz altında kavanoz kapağını çıkarın. Oluşan toz çok reaktif olduğu gibi, kavanoz açarken dikkatli olun. Isıya dayanıklı eldiven ve koruyucu gözlük takmış kavanoz açın.
    3. Toz toplama önce, "pasivasyon" için en az 5 dakika boyunca havaya maruz kalmaktadır.
      Not: Bu karışım işlerken oluşabilecek spontan reaksiyonu önler.

Enerjik Malzemelerin Karakterizasyonu 2. Tepkime

  1. Kavanozdan tozu toplayın. Bu işlem için bir metal spatula kullanmayın.
    1. Parçacıkların sınıflandırılması ve ayırma isteniyorsa, elekler kullanır. Uygun ayırma yapılmasını sağlamak için, uzun bir süre (12+ saat) bir elekle kullanın. 10 mikron altında 10-20 mikron, 20-53 mikron, bir değişik boyutu bidonları (içine toz sınıflandırırBove 53 mikron). Bu noktadan sonra, 20-53 um büyüklüğünde parçacıklar kullanılır.
  2. 2.0 dakika arasında bir bekleme süresi boyunca, bir 5 mm paslanmaz çelik pres kalıbı (1.360 MPa) ile 1.100 kg ayarlanmış bir tek eksenli bir pres kullanılarak pelet haline elekten tozlar basın. Bir mikrometre ile pelet yüksekliği (h) ve çapı (d) kaydediniz. Bir ölçek ile örneğin (m) ağırlığını kaydedin. Buradan, pelet yoğunluğunu belirler. Aşağıdaki formül ile teorik maksimum yoğunluk yüzde (TMD%) hesaplayın:
    Denklem 1
    burada A, Al, Ni A - Al ve Ni atom ağırlığı; ρ, Al ve ρ, Ni - Al ve Ni yoğunluğu. Tozlar stoikiometrik oranı, ilave edilen başlangıç ​​tozlarının oranını muhafaza varsayalım.
    1. Silindir topak, reaksiyon önünde bir yanma cephesinin yayılma hızı ve sıcaklık profilini belirlemek için kullanılması halinde,Bu yüksekliği ve çapı arasındaki oran ile belirlenen, yeterince uzun olduğundan emin olmak girmesi gereken ≥2 (örneğin, d = 5 mm, h ≥ 10 mm).
    2. Pelet ateşleme parametreleri tanımlamak için kullanılıyorsa, ince bir disk (örneğin, çap = 5 mm, kalınlığı = 1 mm) kullanır.
  3. Yanma özelliklerini tanımlamak için, bir grafit plaka üzerine numuneyi yerleştirin.
  4. Değişken bir transformatör bağlı bir sarmal tungsten tel olun.
  5. Tel sargılı bölümü pelet üzerine dayandığı şekilde, B sarmalı yerleştirin. Reaktif sistemi hassas oksijen olması halinde, bir oksijen içermeyen reaksiyon haznesine bunun aksi açık havada, reaksiyonun gerçekleştirilmesi.
  6. Yanma dalga hızı belirlemek amacıyla, yüksek hızlı kameradan kayıt kullanın. Pozisyon ve test numune üzerinde yüksek hızlı termal kamera odaklama ve kaydetmeye başlayın. Bu toplanması doğru sıcaklık ve yanma hızı bilgilerini sağlayacaktır.
  7. Yanma sürecinin istenilen parametreleri elde etmek için, kaydedilen IR filminin kare analizi ile çerçeve yapmak.
    1. Zamana karşı Reaksiyon ön yayılma konumu çizilir. Grafiğinin eğiminden ortalama yanma hızını edinin.
    2. Numunenin ortasında bir nokta içerisindeki sıcaklık değişiklikleri çizilir. Reaksiyon dalga sıcaklığı süresi profili hakkında bilgi edinmek için elde edilen grafiği kullanın.
  8. Ateşleme özelliklerini (tutuşma sıcaklığı ve ateşleme gecikme süresi) tanımlamak için istenen sıcaklığa ısıtılmış sıcak bir plaka üzerinde ince disk koymak (örneğin, 800 K). Herhangi bir parametre değiştirilir eğer pelet büyüklüğü, ocak sıcaklığı veya TMD olup bu deneyden elde edilen kesin değerler, önemli ölçüde değişebilir unutmayın. Bu analiz TESBİTİ için kullanışlıdıreğilimleri iyon.
    1. Belirlemek için ateşleme parametreleri yüksek hızlı kamera kullanın. Pozisyon ve örnek sıcak plaka üzerine yerleştirilir ve kayda başlamak olacak alanda yüksek hızlı termal kamera odaklanır.
      Not: Bu işlem sırasında hassas sıcaklık bilgilerini sağlayacaktır.
      1. Reaksiyon duyarlı oksijen ise, oksijensiz reaksiyon odası, bu gerçekleştirin. ÖNEMLİ: İyi bir istatistik veri seti kazanmak için bu denemeyi birden çok kez çalıştırın.
    2. Odak bölgeye pelet koyun. Parçacık her karede görülebilir bir şekilde yapın - bu pelet sıcak plaka dokunur ilk kareyi görmek önemlidir.
    3. İstenilen ateşleme parametrelerini elde etmek için, kaydedilen IR filminin kare analizi ile çerçeve yapmak.
    4. Pelet reaksiyon başlamadan, ocak yüzeyine dokunduğunda, ilk çerçeve arasındaki süreyi belirlemek, ateşleme gecikme süresini belirlemek için. Ateşleme sıcaklığı belirlemek için, parçacığın en yüksek sıcaklık nokta çizmek. Zaman-sıcaklık profili, termal patlayıcı rejiminin edilene ön ısıtma sıcaklık profilinin bu geçer zaman, kırılma noktası ateşleme sıcaklığı ile eşleşir.

Odak İyon Işın tarafından donatılmış Alan Emisyon Taramalı Elektron Mikroskobu (Fesem) Kullanılması 3. Mikro Analizi (FİB)

  1. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) numune tutucu bir yüzeyi üzerine, 10 ml etanol ve depozit süspansiyonun bir damla imal partiküllerin 0.1 g süspanse edin.
  2. 5 dakika boyunca 90 ° C'de numune tutucu ile kurutun.
  3. Bir çift ışın FIB / SEM sistemine örnek yerleştirin.
  4. 5 dakika boyunca numune plazma temizlik Davranış. Not: Bu örnek, bir elektron ışını (E-ışını) maruz kalma karşılaşacaklardır zarar miktarını azaltır.
  5. E-ışın (5 kV, 3.5 nA) açın ve bir tek parçacık odaklanmak. Bağlantı tO çalışma mesafesi z-boy, daha sonra eucentric yüksekliğe örnek yükseltmek.
  6. Gaz enjeksiyon iğnesi ile e-ışını kullanarak, galyum iyon demeti (I-ışını) kullanımından bozunmadan korumak için numune üzerine platin (70 mil) arasında bir ilk katmanın.
  7. 52 ° örnek eğin ve sonra I-profil açın. Gaz enjeksiyon iğnesi ile tekrar I-kiriş (5 kV, 0.28 nA) kullanarak, korunması için numune üzerine platin (0.5 um) ek katmanın.
  8. Numune üzerinde mutemet işaretleri kesin. Değirmen, bir dikdörtgen şekle partikülüdür. Bu büyük ölçüde birden keser ve kullanımı köşeleri olacak çünkü, yeterli mutemet olacağı şansını artırır.
  9. Bir programın yardımıyla, I-profil ile parçacık dilim.
    1. Görüntüler saklanabilir bir dizin seçin sonra "Dosya" "Resmi Kaydet Location" seçiniz.
    2. Bireysel parçacık bağlı olarak, uygun genişlik, len seçingth ve derinlik; parçacığın tüm hacmi ile tamamen değirmen bu seçim. Ayrıca, dilim sayısı, hem de görüntü başına dilim sayısını seçin. Bu seçenekler "Dilim" sekmesinde bulunabilir.
    3. "Utilities" ardından "Akımları öner" seçeneğini seçerek demeti akımı ayarlayın. Not: Bu örnek hasara karşı korurken programı makul bir süre içinde değirmen numune uygun ışın akımı seçmenizi sağlayacak.
    4. "Göster" düğmesine tıklayın ve yazılım parçacığın kısmı öğütülmüş ne olacağını gösteren bir görsel freze ızgara sağlayacak; Freze ızgara öğütülecek olan kısım halinde parçacık üzerine doğru yerleştirildiğinden emin olun.
    5. Her dilim sonra daha sonra yeniden inşası için yüksek kaliteli, e-ışın görüntü almak. Uygun e-ışın parametreleri seçmek için, "eBeam Görüntü Tarama Parametreleri" "Setup" menüsünü seçmek ve seçim.
      Not: Bu bir ızgara verecekçözünürlüğü seçin ve saati durmak. bekleme süresi daha yüksek, daha fazla zaman o görüntü toplamak için alır.
  10. Daha önce açıklandığı gibi 25 3D rekonstrüksiyon yazılım paketi kullanarak, FİB / SEM toplanan görüntülerin dizi yeniden. Not: Bu, daha sonra bir temas yüzeyine, tek tek parçacıkların gözenekliliği, pasif tabakası kalınlığı, yanı sıra sayısız yararlı parametreleri hesaplamak için kullanılabilir parçacık, tam bir 3D sanal bir kopyasını verir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Nano yapılı enerjik kompozit hazırlamak için, arzu edilen toz bileşenlerin bir karışımı (genellikle mikrometre büyüklüğünde) mekanik olarak önceden belirlenmiş öğütme koşulları altında muamele edilmektedir. İşlem süresi (tipik dakika) doğru bileşim açısından homojenize nanokompozit parçacıkları üretmek için kontrol edilir, ancak kendi kendini idame ettiren kimyasal reaksiyonu izin değil öğütme sırasında başlatmak için.

Büyüklük emriyle kompozit parçacıkları artar Reaktantların arasındaki temas yüzey alanı, ilk karışıma karşılaştırıldığında Şekil 1 ve video 1 göstermektedir. HEBM sonra, her bileşen, başka bir bileşenin bir matris içine dahil edilir. Çoğu durumda elde edilen nano yapılı enerjik kompozit reaktan arasındaki yüksek temas alanı (Şekil 2) ile tamamen yoğundur. Ayrıca, reaktifler az 100 nm bir ölçekte karıştırılabilir. Bu ayarlama HEBM koşulları regulat sağlar da önemlidirKompozit iç mikro iyon. Bu reaktan arasındaki farklı karıştırma derece aynı sistemde elde edilebilir, Şekil 2'de görülmektedir. Ayrıca, HEBM reaktanları arasında taze (oksijen-serbest) kişileri oluşturur. 3 HEBM etkili bir başlangıç ​​metal (örneğin, Al) parçacıklar üzerinde koruyucu oksit tabakası kaldırır göstermektedir Şekil. Ni / AI kompozit parçacıklar içinde enerji dispersif X-ışını Spektroskopisi (EDX) ile birlikte transmisyon elektron mikroskobu (TEM) analizi, koyu alan (DF) görüntü açık bir şekilde, oksijen serbest reaktan arasındaki yeni sınırlarını göstermektedir.

Kompozit parçacıkların iç mikro-yapısının ayarlama rağmen HEBM parçacık boyutu düzenlenmesine imkan verir. Örneğin, bu güneş tekerleği (1400 rpm) ve öğütme kavanoz (700 1300 rpm) dönüş oranı (k) değiştirilmesi ile elde edilebilir. Birkaç HEBM rejimler ortaya çıkabilir o video görüntüleme gösterisik oranına bağlı. 1,5 ≤ topları ve toz k karışımı kavanoz (Video 2) yüzeyinde "kayar" dır. 1.85 ≤ k yılında <topları 1.5 aralığı yoğun çarpışmalar yer alır (Video 3). 4 "kayan" oluşturulur gibi farklı HEBM rejimleri önemli ölçüde parçacıkların, yani, kaba partiküllerin (100-150 mikron) boyutlarını etkilediğini göstermektedir Şekil rejimi, çok ince parçacıkların (10-50 um) çarpışma rejiminde hazırlanabilir ise.

Enerjik kompozit partiküllerin hazırlanması ile birlikte, protokol kendi karakterizasyon teknikleri anlatılmaktadır. Böyle bir yaklaşım, karma parçacıkların maddelerin hazırlanması, bunların mikro yapı ve reaktifliği arasında önemli bağlantılar gösterir. Örneğin Ti / C karma parçacıkların ayrıntılı mikro inceleme th ortayaHEBM, düzleştirilmiş titanyum tabakaları 11 arasında oluşan bir C-zengin tabakanın 3 dakika sonra, soğuk kaynak, en. Şekil 5 TEM görüntüleri karbon tabakası düzgün yayılı titanyum ve titanyum karbür nanopartiküller (TiC) çekirdekleri içerdiğini göstermektedir.

Ti / C kompozit parçacıkları için kızılötesi görüntüleme yöntemi ile elde sıcaklık-zaman profilleri sürülme süresini izlemek için kullanıldı ~ 600 K bir yüksek hızlı Termo Görüntü sisteminin bir sıcaklığa sahip bir sıcak plaka üzerine yerleştirilmiştir Şekil 5C .The parçacıkları gösterilir parçacık sıcaklığı geçmişi. Seçilen sıcaklık ölçüm aralığı Bu malzeme, mekanik işleme ve 2 dakika sonra, kendi kendine alev incelenmiştir koşullar altında olamaz görülebilir 600-1,200 K idi. Tig 600 K. tutuşma sıcaklığı 600 K üzerinde yine o ilginç yanı altında tedavi en az 5 sonra 7.5 iken HEBM 3 dakika sonra kendi kendine tutuşma sıcaklığı, yaklaşık 600 K9 dakika bir öğütme süresi için. Bu etki, öğütme kavanoz TiC fazın bir miktarda oluşumu açıklanmıştır. Bu sonuçlar göstermektedir ~ 2000 K'de başlatan bilinen bir Ti + C karışımının yanması sırasında, reaksiyon ortamının mikro sıvı metal fazı (1941 K), ekzotermik reaksiyonun varlığı ile değişmeden kaldığı belirtilmelidir doğrudan bağlantı HEBM ve tutuşma sıcaklığı sırasında oluşan mikro arasında var. Reaktanları ve ürün çekirdekleri arasındaki samimi oksijen içermeyen temasların oluşumu 2,000 ila 600 K. HEBM için tutuşma sıcaklığı düşer gibi son derece reaktif Ti / C kompozit da önemli bir yer parçacık daldırarak sonra, yani, zaman ateşleme gecikme süresini etkiler yapar Fırın ve reaksiyon başlatılması, hem de yanma cephesinin yayılma hızının kadar. Şekil 5C'de sıcaklık-zaman profilleri ateşleme gecikme süresi de bir artış ile azaldığını göstermektediröğütme süresi.

Bu mekanik fabrikasyon kompozit o yanma fazlalaştı nanoyapılı malzemelerin sentezi için büyük avantajlar gösterir. Geleneksel ortam yanması sırasında, ürünün mikro üzerinde kontrolü çok zordur. Örneğin, geleneksel Ni + Al Reaksiyon başlangıç ​​sıcaklığı sistemi (~ 910 K) düşük ötektik sıcaklığı ile çakışmaktadır. Reaksiyon sırasında meydana gelen sıvı faz anlamlı ilk karışım (Şekil 6) mikro değiştirir. Mekanik fabrikasyon kompozit, tepkiler tamamen sıvı fazların, yani katı alev sözde gerçek bir katı-hal yanma, oluşumunu ortadan kaldırır gerçekleşir sistemin, ötektik sıcaklığın altında devam. Bu sistemde düşük ötektik sıcaklık 910 K'de oluşur, oysa bu, 470 K kadar düşük bir başlangıç ​​tepkime sıcaklığı ile kanıtlanır; Bu, önemli bir con ima versiyon nedeniyle tamamen katı-hal reaksiyonu meydana gerekir. Bu tür kompozit parçacıklarından hazırlanan örnekler şekil ve mikro (Şekil 6) korur.

Şekil 1,
Şekil 1, yüksek enerjili bilyalı öğütme sırasında heterojen reaktif ortam mikro-dönüşümü: bir tabakalı kompozit parçacıklar (A) tek tek reaktantların mikrometre boyutlu parçacıklar dönüşüm şematik temsili ve kullanılarak Ni / AI karma parçacıkların oluşumu nikel ve alüminyum reaktanları (B) HEBM. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

fig2.jpg "/>
Şekil 2. Farklı sistemler için HEBM koşullarını değiştirerek reaktanları arasındaki temas alanı Tuning:. Ni / Al (A - C), Ti / C (D, E) ve Ta / C (F) tıklayınız daha büyük görmek için Bu rakamın sürümü.

Şekil 3,
Oksijensiz bir reaktan arasındaki temasların Şekil 3. oluşumu: şematik temsili (A) HEBM (B) tarafından oluşturulan bir Ni / AI sınır parlak saha görüntü ve enerji dağıtımlı X-ışını spektroskopisi (EDS), nikel, alüminyum profiller ve Oksijen (C). , lütfenBu rakamın büyük halini görmek için buraya tıklayın.

Şekil 4,
Güneş tekerlek ve freze kavanoz dönme hızları oranı (k) ayarlayarak farklı boyutlarda kompozit parçacıkların Şekil 4. hazırlanması:. 1.5 (A) ve 1.8 ≤ k ≤ k <1.5 (B) tıklayınız daha büyük bir versiyonunu görmek için Bu rakamın.

Şekil 5,
Şekil 5. mikro yapı ve kompozit parçacıkların reaktifliği arasında ilişki: Ti / C kompozit parçacık (A), TiC nanopartiküllerinin yüksek çözünürlüklü TEM görüntüsünün bir TEM görüntüsü (B ((C) 2, 3, 5, 7.5, 9 dakika). Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 6,
Nano-yapılı kompozit parçacıkların yanma kullanarak Şekil önceden tasarlanmış mikro malzemelerin 6. Sentezi:. Konvansiyonel medya (A) ve mekanik fabrikasyon kompozit parçacıkları (B) kullanılarak NiAl intermetaliklerin mikroyapıları tıklayınız Bu büyük bir versiyonunu görmek için rakam.

Tablo 1. enerjik malzemelerin bazı özellikleri.

Video 1. Ni / Al kompozit parçacığın "Dilim ve görünümü" görüntüleme.

Video 2. 1,5 ≤ k HEBM ve "Sürme" rejim.

Video 3. 1.85 ≤ k <1.5 aralığında topları Yoğun çarpışmalar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

protokol, kısa vadeli HEBM yöntemi kullanılarak hazırlanmış mikro ile reaktif enerjik (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) nanokompozitlerin hazırlanması için ayrıntılı bir açıklama sağlar. Gazsız heterojen karışımlar HEBM karışımının parçacıkları, örneğin plastik parçaların kırılgan bileşenlerin bozulması (grafit) ve deformasyon (Al için yeterli bir kuvvet ile, mekanik darbeye maruz yüksek hızlı planeter bilyalı değirmen, kendi işlem yapılmasını gerektirebilir Ti, Ta, Ni). Gevrek reaktifler ince parçacıklara öğütülmüş ve plastik metal kompozit parçacıkları oluşturan birden fazla deformasyon ve soğuk kaynak, maruz kalırken, şekilsiz olabilir. Kırılgan bileşenlerin küçük parçaları çoğu zaman plastik reaktanların parçacıklar içinde bulunurlar. HEBM koşulları ince ayar kompozit parçacık boyutlarının kontrolü ve kendi içsel mikro için izin verir. Bu microstructur içinde bu şekilde bir kontrol derecesi dikkate alınmalıdırE nano yapılı enerjik kompozitlerin hazırlanması için şu anda mevcut en başka tekniklerle elde edilemez. Böylece mekanik fabrikasyon enerjik kompozit yayımlanan enerji tam HEBM koşulları ince ayar yoluyla mikro tarafından kontrol edilebilir.

Benzersiz HEBM koşullar aynı zamanda, bir geleneksel toz karışımları önemli ölçüde daha düşük sıcaklıklarda cereyan tepkileri olanak meta kararlı olmayan denge süper-doymuş çözeltiler, üretilmesini sağlar. Ayrıca, bazı durumlarda reaksiyon, tamamen sıvı fazın oluşmasını engelleyen sisteminin ötektik sıcaklığın altında devam edin. Bu tür kompozit parçacıklarından hazırlanan örnekler şekil ve mikro-korur.

HEBM bir kullanımı yüksek reaktif ve enerjik, nanokompozitlerin üretimi bulunmaktadır. Bu süreç, basit son derece ekonomik ve kolay ölçekli olduğunu. Bu süreçte iki büyük sorunlar ancak vardır. ilkgüvenlik sorunları; Bu süreç son derece reaktif olan nanokompozitler oluşturur, ve gibi, operatör, tüm güvenlik prosedürlerini izlemeniz gerekir. Bu makinenin kendisi çalışması ve bileşikler kullanılmaktadır ilişkin daha spesifik güvenlik prosedürleri ile ilgili genel güvenlik prosedürlerini içermektedir. Bu nanokompozitlerin yüksek reaktif doğası nedeniyle; belirli bir sistem güvenliği ile ilgili bilgi tespit edilene kadar, bu malzemenin sınırlı bir miktarda üretilmesi gerekmektedir. Son olarak, kap ile ilgili yabancı maddeler dahil edilebilir. Bu basit kirlenme ya da istenmeyen yan etkilere neden olabilir. Gözenek içermeyen kompozitler (örn, kaplamalar, filmler) Üçüncü hazırlık zordur ve ek adımları (soğuk püskürtme veya haddeleme) 26 gerektirir.

protokol de mekanik fabrikasyon nanoyapılı enerjik kompozitlerin karakterizasyonu üzerine derinlemesine bilgi sağlar. yüksek hızda kızılötesi teknikler a kullanımıTermal doğru mekansal (2 mikron), (5 K), ve temporal çözünürlük (15.000 fps) için llows. Bu onların zaman-sıcaklık tarih, tutuşma sıcaklığı, gecikme süresi ve yayılma hızı da dahil olmak üzere karma parçacıkların doğru karakterizasyonu, sağlar.

protokolü ya da yüksek enerji yoğunluğu kaynağı olarak veya yanma bazlı yaklaşımlar ile sentez ve gelişmiş nanomateryallerin işlenmesi için kullanılabilir değişik enerji nanomateryaller (gazsız) bileşiğinin hazırlanması için önemli bir kılavuzdur. Kolayca termik sistemleri ve bu metal-polimer kompozitleri gibi diğer enerjik malzemeler uygulamak için modifiye edilebilir.

Protokol kapsamında kritik adımlar tozların tartılması ve uygun şarj oranı seçerek başlayarak nanokompozitlerin ilk hazırlık içerir. Buna ek olarak, bu kavanoz iç atmosferi, Ar tasfiye ile eylemsiz sağlamak için temel bir önem taşımaktadır. Top seçimidevir hızı ve toplam öğütme süresi de dahil olmak üzere öğütme parametreleri, mikro-dikiş için gereklidir. Deney mahvoldu diye Nihayet, güvenli bir prosedür ile toz maruziyeti, toplanması, sınıflandırılması ve önemlidir. Basarak deney için tozların hazırlanması verilerin doğru analizi ile takip toplanabilir verileri belirler. FIB S ve V programının kullanımı da önem taşımaktadır analizi için 3 boyutlu bir veri seti oluşturmak için.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Materials

Mole ga100 g başına serbest s Hacim, kJ / cm 3 başına enerji yoğunlukları Tutuşma sıcaklığı, K
Trinitrotoluen (TNT) 8.36 -7,22 510
Termitler
2At + 3CuO 0.54 -20,8 900-1100
2At + Fe 2 O 3 0.14 -16,4
2At + Bi 2 O 3 0.47 -15,2
Gazsız sistemleri
Al + 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

Mühendislik Sayı 98 Reaktif kompozitler Enerjik malzemeler Yüksek Enerji Ball Freze Gazsız Yanma Ateşleme reaktivite Geliştirme
Hazırlık ve Gazsız nanoyapılı reaktivitesi Enerjik Malzemeler
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