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Engineering

Preparación y reactividad de sin gas Nanoestructurados materiales energéticos

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

Este protocolo describe la preparación de sin gas nanoestructurados materiales energéticos (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) utilizando el corto plazo la bola de gran energía fresado técnica (HEBM). También se describe un método de imagen térmica de alta velocidad para estudiar la reactividad de nanocompuestos fabricados mecánicamente. Estos protocolos pueden extenderse a otros materiales energéticos nanoestructurados reactiva.

Abstract

De alta energía de la bola Fresado (HEBM) es un proceso de molienda por bolas en una mezcla de polvo se coloca en el molino de bolas se somete a las colisiones de alta energía de las bolas. Entre otras aplicaciones, es una técnica versátil que permite la preparación eficaz de materiales nanoestructurados reactivos sin gas con una alta densidad de energía por unidad de volumen (Ni + Al, Ta + C, Ti + C). Las transformaciones estructurales de los medios reactivos, que tienen lugar durante HEBM, definen el mecanismo de reacción en los materiales compuestos energéticos producidos. Variando las condiciones de procesamiento permite el ajuste fino de las microestructuras de fresado-inducida de las partículas compuestas fabricadas. A su vez, la reactividad, es decir, la temperatura de auto-ignición, tiempo de retardo de encendido, así como la cinética de reacción, de materiales de alta densidad de energía depende de su microestructura. Análisis de las microestructuras inducida de fresado-sugiere que la formación de nuevos contactos íntimos de gran superficie libre de oxígeno entre los reactivos is responsable de la mejora de su reactividad. Esto se manifiesta en una reducción de la temperatura de encendido y tiempo de retardo, una mayor tasa de reacción química, y una disminución general de la energía de activación efectiva de la reacción. El protocolo proporciona una descripción detallada de la preparación de nanocompuestos reactivos con microestructura medida utilizando el método HEBM corto plazo. También describe una técnica de imagen térmica de alta velocidad para determinar las características de encendido / combustión de los materiales energéticos. El protocolo puede ser adaptado a la preparación y caracterización de una variedad de materiales compuestos energéticos nanoestructurados.

Introduction

Materiales energéticos clásicos, es decir, explosivos, propulsores y pirotecnia son una clase de material con una alta cantidad de energía química almacenada que puede ser liberada durante la reacción exotérmica rápida 1-5. Por ejemplo, explosivos normalmente se generan mediante la combinación de grupos de combustible y el oxidante en una molécula. La densidad de energía de esos materiales es muy alta. Por ejemplo, tras la descomposición trinitrotolueno (TNT) libera 7,22 kJ / cm 3 y forma 8,36 moles de gases por 100 g (Tabla 1) en un período muy corto de tiempo. Estos materiales se componen de especies micrómetro escala orgánicos e inorgánicos (combustibles y oxidantes).

Sistemas de termita, donde las reacciones tienen lugar entre el compuesto inorgánico, es decir, la reducción de los metales (por ejemplo, Al) y óxidos (Fe 2 O 3, CuO, Bi 2 O 3), pertenecen a otro tipo de materiales energéticos. La densidad de energía(15-21 kJ / cm 3) de tales sistemas supera a la de TNT, sin embargo, la cantidad de productos de gas (0,15-0,6 moles por 100 g) es típicamente mucho menor que para explosivos (Tabla 1). Además, los nano-termitas pueden mostrar extremadamente alta velocidad de propagación de la onda de combustión (> 1000 m / seg) 2 -5.

Se ha demostrado recientemente 6-12 que un número de sistemas reactivos heterogéneos sin gas (Ni + Al, Ti + C, Ti + B) que forman compuestos intermetálicos o refractarios también podría ser considerado como materiales energéticos. Las densidades de energía (kJ / cm 3) de esos sistemas están más cerca o más alto que el de TNT (Tabla 1). Al mismo tiempo, la ausencia de productos de gas durante la reacción hace que tales materiales excelentes candidatos para una variedad de aplicaciones, incluyendo la síntesis de nanomateriales, la unión reactiva del refractario y partes diferentes, generadores de energía micro sin gas, etc. 11-17. Sin embargo, la reltivamente alta temperatura de ignición de esos sistemas (900-3,000 K, véase la Tabla 1) en comparación con las termitas (~ 1000 K) obstaculiza sus aplicaciones. La preparación de compuestos nanoestructurados ingeniería podría mejorar significativamente las características de ignición y combustión de los sistemas heterogéneos sin gas 12 a 14, 17.

Muchos métodos han sido desarrollados para fabricar los nanocompuestos energéticos de ingeniería, tales como ultrasonidos mezclando 18,19, auto-ensamblaje se aproxima a 5, sol-gel 20-22, las técnicas de deposición de vapor 16,17,23,24, así como de alta energía molino de bolas (HEBM) 1,5. La desventaja de mezcla de ultrasonidos de nano-polvo es que una (5-10 nm) shell óxido de espesor sobre nanopartículas metálicas reduce la densidad de energía y degrada el rendimiento de la combustión de las mezclas de reactivos. Además, la distribución de combustible y el oxidante no es uniforme, y el contacto interfacial entre los reactivos no es íntimo. Sol-gel unad estrategias de auto-ensamblaje fueron desarrollados para la preparación de nanocompuestos de termita específicos. A pesar de ser técnicas de bajo costo, esas estrategias no son de color verde desde el punto de vista ambiental. Además, las grandes cantidades de impurezas se introducen en los materiales compuestos preparados. Deposición de vapor o pulverización catódica con magnetrón se utiliza para preparar láminas de capas múltiples reactivos y materiales energéticos de núcleo-corteza. Proporciona una geometría libre de poros y bien definido de compuestos que simplifica la modelización teórica y mejora la precisión. Sin embargo, esta tecnología es cara y difícil de ampliar. Además, los nanocompuestos preparados en capas son inestables en ciertas condiciones.

De alta energía de la bola Fresado (HEBM) es un enfoque respetuoso del medio ambiente, fácilmente escalable que permite la fabricación eficaz de compuestos nanoestructurados energéticos 5, 9 -14. HEBM es barato y se puede utilizar con diversas composiciones de material reactivo (por ejemplo, larmites, reacciones que forman compuestos intermetálicos, carburos, boruros, etc.).

El protocolo proporciona una descripción detallada para la preparación de (Ni + Al, Ti + C, C + Ta) nanocompuestos energéticos reactivos con microestructura medida mediante el método HEBM a corto plazo. También describe una técnica de imagen térmica de alta velocidad para determinar las características de encendido / combustión de materiales energéticos como-fabricadas. Finalmente se muestra el análisis de la microestructura de los nanocompuestos utilizando emisión de campo microscopio electrónico de barrido (FESEM) Equipado por Focused Ion Beam (FIB). El protocolo es una guía importante para la preparación de diferentes nanomateriales energéticos (sin gas y sistemas de termita) que podrían ser utilizados como fuentes de densidad de alta energía o ya sea para la síntesis y el procesamiento de los nanomateriales avanzados por los enfoques basados ​​en la combustión.

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Protocol

Bola 1. alta energía Milling

  1. Preparar 35 g de la 1 inicial: 1 relación molar mezcla Ni + Al. En este caso, se pesa 11,02 g de Al y 23,98 g de polvos de Ni.
  2. Utilice un tarro de molienda de acero para HEBM de este sistema. Asegúrese de que el frasco tiene una dureza más alta que los polvos que se añade, de lo contrario los polvos dañarán el frasco y se levantará contaminación. Nota: Las opciones típicas tarro incluyen acero, óxido de circonio, o carburo de tungsteno.
  3. Use un 5: 1 balón: polvo (relación de carga) para este sistema, es decir, 175 g de bolas de acero de 10 mm. Asegúrese de que las bolas están hechas del mismo material que el frasco sea de otro modo las bolas o el frasco se dañarán.
    Nota: La relación de carga define la intensidad de la interacción entre el polvo y los agentes de fresado.
  4. Añadir las bolas y los polvos a la jarra.
  5. Sellar el frasco y bombear el gas atmosférico de la jarra por bomba mecánica y purga por argón. Llevar a cabo cuatro ciclos de llenado y purga con gas Ar(Esto asegura que no hay oxígeno restante en el frasco). Finalmente, llenar el frasco con gas argón ligeramente por encima (0,13 MPa) presión atmosférica.
  6. Inserte el frasco en un molino planetario.
  7. Elija 650 revoluciones por minuto (rpm) para la velocidad de revolución del frasco y 1400 rpm para la rotación interna (rueda sol).
    Nota: En algunos casos, la relación de rotación (k) de la rueda de suma (1.400 rpm) y el tarro de molienda (de 700 a 1.300 rpm) se varió para regular la microestructura de partículas de material compuesto.
  8. Ejecute el procedimiento HEBM durante 15 min. Nota: Los sistemas tienen un momento crítico, que, por las condiciones descritas, es igual a 17 min. Hay una cantidad finita de fresado que se puede realizar en el sistema antes de que ocurra la reacción en el frasco. Si HEBM se lleva a cabo más largo que el tiempo crítico, se producirá una reacción en el tarro de molino de bolas, arruinando el experimento.
  9. Tras la finalización del tiempo de molienda, enfriar el frasco a RT, y luego mover el frasco a una campana de humos.
    1. Ventile el frasco para eliminar el exceso de presión del gas de presurización inicial y posible gas liberado durante la molienda.
    2. Retire la tapa de la jarra bajo la campana de humos. Tome precaución al abrir el frasco, ya que el polvo que se forma es muy reactivo. Abra el frasco con guantes resistentes al calor y gafas de seguridad.
    3. Antes de recoger el polvo, la exponga al aire durante al menos 5 minutos para la "pasivación".
      Nota: Esto evita la reacción espontánea que pueda ocurrir durante la manipulación de la mezcla.

2. Reactividad Caracterización de materiales energéticos

  1. Recoger el polvo de la jarra. No use una espátula metálica para este procedimiento.
    1. Si se desea clasificación y separación de las partículas, utilizar tamices. Para asegurar que la separación adecuada se hace esto, utilizar un agitador de tamices durante un período prolongado de tiempo (12+ horas). Clasificar el polvo en varios contenedores de tamaño (menores de 10 micras, 10 a 20 micras, 20 a 53 micras, unbove 53 micras). Desde este punto en adelante, utilice 20-53 micras partículas de tamaño.
  2. Pulse los polvos tamizados en un gránulo utilizando una prensa uniaxial ajustado a 1100 kg en un 5 mm de acero inoxidable de prensa de troquel (1,360 MPa) durante un tiempo de permanencia de 2,0 min. Registrar la altura (h) y el diámetro (d) de la pastilla con un micrómetro. Anotar el peso de la muestra (m) con una escala. Desde aquí, determinar la densidad de la pastilla. Calcular el porcentaje de la densidad teórica max (TMD%) por la siguiente fórmula:
    Ecuación 1
    donde A Al, A Ni - peso átomo de Al y Ni; Al ρ y ρ Ni - densidad de Al y Ni. Supongamos que la relación estequiométrica de los polvos conserva la relación de los polvos iniciales añadido.
    1. Si la pastilla cilíndrica se utiliza para determinar una velocidad de propagación del frente de combustión y el perfil de temperatura en el frente de reacción,asegúrese de que es lo suficientemente alto, determinado por la relación entre la altura y el diámetro que debe ser ≥2 (por ejemplo, d = 5 mm; h ≥ 10 mm).
    2. Si el pellet se utiliza para definir los parámetros de encendido, utilice un disco delgado (por ejemplo, diámetro = 5 mm, espesor = 1 mm).
  3. Para definir las características de combustión, coloque la muestra sobre una placa de grafito.
  4. Hacer un alambre de tungsteno en espiral unido a un transformador variable.
  5. Coloque la bobina W tal que la parte enrollada del alambre descansa en la parte superior de la pastilla. Si el sistema reactivo es sensible al oxígeno, hacer esto en una cámara de reacción libre de oxígeno, de lo contrario realizar la reacción en el aire libre.
  6. Con el fin de determinar la velocidad de la onda de combustión, utilizar la grabación de la cámara de alta velocidad. Posición y enfoque la cámara térmica de alta velocidad en la muestra analizada y empezar a grabar. Esto permitirá que la información precisa de la temperatura y de la velocidad de combustión para ser recogida.
  7. Para obtener los parámetros deseados del proceso de combustión, conducir marco por análisis de fotograma de la película IR grabado.
    1. Trazar la posición de la propagación del frente de reacción en función del tiempo. Obtener la velocidad media de combustión de la pendiente de la parcela.
    2. Trazar los cambios de temperatura en un lugar en el medio de la muestra. Utilice la gráfica obtenida para obtener información sobre el perfil de tiempo la temperatura de la onda de reacción.
  8. Para definir las características de ignición (encendido temperatura y tiempo de retardo del encendido) poner el disco delgado en un plato caliente precalentada a la temperatura deseada (por ejemplo, 800 K). Tenga en cuenta que los valores exactos obtenidos a partir de este experimento se varían significativamente si se cambia algún parámetro, tanto si son de tamaño del gránulo, la temperatura de la placa caliente, o TMD. Este análisis es útil para determination de las tendencias.
    1. Con el fin de determinar los parámetros de encendido utilizan la cámara de alta velocidad. Posición y enfoque la cámara térmica de alta velocidad en el área donde se colocará la muestra en el plato caliente y comenzar la grabación.
      Nota: Esto permitirá que la información precisa de la temperatura durante el proceso.
      1. Si la reacción es sensible al oxígeno, realizar esta en una cámara de reacción libre de oxígeno. IMPORTANTE: Ejecute este experimento varias veces para obtener un buen conjunto de datos estadísticos.
    2. Ponga la pastilla en la zona de enfoque. Hacer esto de una manera que la partícula se podía ver en cada fotograma - que es importante para ver el primer fotograma que el pellet toca la placa caliente.
    3. Para obtener los parámetros de encendido deseados, realizar análisis fotograma a fotograma de la película IR grabado.
    4. Para determinar el tiempo de retardo del encendido, determinar el tiempo entre el primer fotograma, cuando el pellet toca la superficie de la placa calefactora, al inicio de la reacción. Para determinar la temperatura de ignición, trazar el punto de temperatura más alta sobre la partícula. Cuando el perfil de tiempo-temperatura cambia de la de un perfil de temperatura de precalentamiento a la de un régimen explosivo térmica, el punto de inflexión coincide con la temperatura de ignición.

3. Microestructura análisis mediante emisión de campo microscopio electrónico de barrido (FESEM) Equipado por Focus Ion Beam (FIB)

  1. Suspender 0,1 g de las partículas fabricadas en etanol 10 ml y depósito de una gota de la suspensión sobre una superficie de la microscopía electrónica de barrido (SEM) soporte de la muestra.
  2. Secar el soporte de la muestra a 90 ° C durante 5 min.
  3. Inserte la muestra en un sistema de doble haz FIB / SEM.
  4. Llevar a cabo la limpieza de la muestra de plasma para 5 min. Nota: Esto reduce la cantidad de daño que la muestra va a experimentar de la exposición al haz de electrones (E-beam).
  5. Encienda el E-beam (5 kV, 3.5 nA) y centrarse en una sola partícula. Enlace tél z-altura a la distancia de trabajo, a continuación, levante la muestra a la altura eucéntrica.
  6. Utilizando el E-beam con la aguja de inyección de gas, depositar una capa inicial de platino (70 nm) sobre la muestra para proteger de la degradación del uso del haz de iones de galio (I-haz).
  7. Incline la muestra a 52 °, a continuación, encienda la viga. Uso de la viga en I (5 kV, 0,28 nA), de nuevo con la aguja de inyección de gas, depositar una capa adicional de platino (0,5 micras) sobre la muestra para la protección.
  8. Cortar marcas fiduciarias en la muestra. Molino de la partícula en una forma rectangular. Esto aumenta enormemente la posibilidad de que habrá un fiduciaria adecuada, ya que habrá múltiples cortes y esquinas a utilizar.
  9. Con la ayuda de un programa, cortar la partícula con el I-haz.
    1. Seleccione "Archivo" y luego "Imagen Guardar ubicación" para elegir un directorio donde se almacenarán las imágenes.
    2. Dependiendo de la partícula individual, seleccione el ancho apropiado, lenGTH y profundidad; elegir estos para completamente molino a través de todo el volumen de la partícula. Además, seleccionar el número de rodajas, así como el número de cortes por imagen. Estas opciones se pueden encontrar en la pestaña de "Slice".
    3. Ajuste la corriente de haz mediante la selección de "Utilidades" y luego "Sugerir corrientes". Nota: Esto permitirá que el programa para seleccionar la corriente de haz adecuado para moler la muestra en un tiempo razonable, mientras que la protección contra el daño de la muestra.
    4. Haga clic en "Mostrar" y el software proporcionará una cuadrícula fresado visual que muestra lo que se molerá parte de la partícula; asegurar que la matriz de fresado se coloca con precisión sobre la partícula en la porción que ha de ser molido.
    5. Después de cada rebanada tomar una imagen del haz de electrones de alta calidad para la reconstrucción posterior. Para seleccionar los parámetros del e-beam apropiadas, seleccione el menú "Configuración" y seleccione "eBeam imagen Escanear Parámetros".
      Nota: Esto le dará una cuadrículapara seleccionar la resolución y tiempo de permanencia. Cuanto mayor sea el tiempo de permanencia, más tiempo se necesita para recoger la imagen.
  10. Utilizando un paquete de software de reconstrucción 3D, reconstruir el conjunto de imágenes recogidas a partir de la FIB / SEM como se describió anteriormente 25. Nota: Esto produce una copia virtual 3D completa de la partícula, que luego se puede utilizar para calcular el área de contacto superficial, la porosidad de las partículas individuales, espesor de la capa de difusión, así como un sinnúmero de otros parámetros útiles.

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Representative Results

Para preparar compuestos energéticos nanoestructurados, una mezcla de componentes en polvo deseados (típicamente micrómetro de tamaño) se trata mecánicamente bajo condiciones de molienda preestablecidos. El tiempo de procesamiento (normalmente minutos) es controlada con precisión para generar las partículas nanocompuestos compositivamente homogeneizadas pero no permitir la reacción química autosostenible para iniciar durante la molienda.

Figura 1 y Vídeo 1 muestran que el área de superficie de contacto entre las sustancias reaccionantes en partículas compuestas aumenta en órdenes de magnitud en comparación con la mezcla inicial. Después de HEBM cada componente se incorpora en la matriz de otro componente. En la mayoría de los casos, los materiales compuestos energéticos obtenidos nanoestructurados son completamente denso con área de contacto entre los reactivos de alta (Figura 2). Por otra parte, los reactivos se pueden mezclar en una escala de menos de 100 nm. También es importante que las condiciones HEBM de sintonización permite regulation de la microestructura interna de los materiales compuestos. Se ve en la Figura 2 que los diferentes grados de mezcla entre el reactivo se pueden conseguir en el mismo sistema. Por otra parte, HEBM forma frescas contactos (libre de oxígeno) entre reactivos. La Figura 3 ilustra que HEBM elimina de forma efectiva la capa de óxido protectora sobre el metal inicial (por ejemplo, Al) partículas. Oscuro imagen de campo (DF) de la microscopía electrónica de transmisión (TEM) el análisis junto con la espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDX) en partículas compuestas de Ni / Al indicar claramente las nuevas fronteras entre los reactivos que son libre de oxígeno.

A pesar de la sintonización de la microestructura interna de partículas compuestas HEBM permite la regulación del tamaño de las partículas. Por ejemplo, esto podría lograrse cambiando la relación de rotación (k) de la rueda solar (1400 rpm) y el tarro de molienda (de 700 a 1.300 rpm). Imágenes de vídeo muestran que pueden ocurrir varios regímenes HEBMdependiendo de la relación k. La mezcla de bolas y polvo k ≤ 1,5 se "desliza" en la superficie del frasco (Video 2). En 1,85 ≤ k <1,5 colisiones intensivos de intervalos de bolas toman lugares (Video 3). Figura 4 indican que tales regímenes diferentes HEBM influyen significativamente en los tamaños de las partículas, es decir, las partículas gruesas (100-150 micras) se forman en el "deslizamiento" régimen, mientras que muchas partículas finas (10-50 micras) podrían ser preparados en el régimen de colisión.

Junto con la preparación de partículas compuestas energéticos, el protocolo describe sus técnicas de caracterización. Este enfoque revela los importantes vínculos entre la preparación de los materiales, su microestructura y reactividad de partículas compuestas. Por ejemplo, la investigación microestructural detallada de partículas compuestas Ti / C reveló ªAT, después de 3 min de HEBM, una capa rica en carbono formado entre las capas de titanio aplanadas 11 debido a la soldadura en frío. Imágenes de TEM en la Figura 5 indican que la capa de carbono contiene nanopartículas de titanio distribuidos uniformemente y carburo de titanio (TiC) núcleos.

Perfiles de temperatura y tiempo registrados por imágenes infrarrojas para partículas compuestas Ti / C se muestran en la Figura 5C .Las partículas se colocaron en un plato caliente con una temperatura de ~ 600 K. Una alta velocidad del sistema Thermo-Vision fue utilizado para monitorear el tiempo- historia de la temperatura de la partícula. El rango de medición de la temperatura seleccionada fue 600-1200 K. Se puede observar que los materiales, después de 2 min de tratamiento mecánico, no pueden ser auto-encendido en las condiciones investigadas. La temperatura de auto-ignición después de 3 min de HEBM es de aproximadamente 600 K, mientras que después de 5 y 7,5 min de tratamiento Tig es muy por debajo de 600 K. Es interesante que la temperatura de ignición es de nuevo por encima de 600 Kpara un tiempo de molienda de 9 min. Este efecto se explica por la formación de una cantidad de la fase de TiC en la jarra de molienda. Cabe señalar que de que durante la combustión de una mezcla convencional Ti + C, la microestructura del medio de reacción se mantiene sin cambios en la apariencia de una fase líquida de metal (1.941 K) y la reacción exotérmica se inicia en ~ 2000 K. Estos resultados indican que una existe un vínculo directo entre la microestructura formada durante la temperatura HEBM e ignición. Formación de contactos libres de oxígeno íntimas entre los reactivos y los núcleos de productos hace que los compuestos de Ti / C extremadamente reactivas como la temperatura de ignición cae desde 2.000 a 600 K. HEBM también influye significativamente el tiempo de retardo del encendido, es decir, el tiempo después de la inmersión de la partícula en una horno y hasta inicio de la reacción, así como la velocidad de propagación del frente de combustión. Los perfiles de temperatura y tiempo en la Figura 5C muestra que el tiempo de retardo del encendido también disminuye con un aumento detiempo de molienda.

Vale la pena señalar que la combustión de material compuesto fabricado mecánicamente muestra grandes ventajas para la síntesis de materiales nanoestructurados. Durante la combustión de los medios convencionales, el control sobre la microestructura del producto es extremadamente difícil. Por ejemplo, la temperatura de inicio de la reacción convencional de Ni + Al coincide con la temperatura más baja eutéctica del sistema (~ 910 K). La fase líquida formada durante la reacción cambia significativamente la microestructura de la mezcla inicial (Figura 6). En los materiales compuestos fabricados mecánicamente, las reacciones transcurren por debajo de la temperatura eutéctica del sistema, lo que elimina completamente la formación de fases líquidas, es decir, un verdadero de combustión de estado sólido, la llamada llama sólido, se lleva a cabo. Esto se evidencia por una temperatura de reacción aparición tan bajo como 470 K, mientras que la temperatura más baja eutéctica en este sistema se produce a 910 K; esto implica que una estafa significativa versión debe ocurrir debido a una reacción puramente de estado sólido. Las muestras preparadas a partir de tales partículas compuestas conservan su forma y la microestructura (Figura 6).

Figura 1
Figura 1. La transformación de la microestructura medios reactiva heterogénea durante la molienda con bolas de alta energía: Representación esquemática de la transformación de partículas de tamaño micrométrico de reactivos individuales a un partículas de material compuesto en capas (A), y la formación de partículas de material compuesto de Ni / Al mediante el uso de HEBM de níquel y reactivos de aluminio (B). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 2. Ajuste del área de contacto entre los reactivos mediante la variación de las condiciones HEBM para diferentes sistemas:. Ni / Al (A - C), Ti / C (D, E) y Ta / C (F) Por favor haga clic aquí para ver una mayor versión de esta figura.

Figura 3
Figura 3. Formación de contactos libres de oxígeno entre los reactivos: Representación esquemática (A), la imagen de campo brillante de un límite de Ni / Al formado por HEBM (B) y de dispersión de energía de rayos X Espectroscopia (EDS) perfiles de níquel, aluminio y oxígeno (C). Por favorhaga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4. Preparación de partículas compuestas con diferentes tamaños sintonizando la relación (k) entre la rueda y la velocidad de rotación del tarro de molienda:. K ≤ 1.5 (A) y 1,8 ≤ k <1.5 (B) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta cifra.

Figura 5
Figura 5. La relación entre la microestructura y la reactividad de partículas de material compuesto: Una imagen TEM de Ti / C partícula compuesta (A), la imagen TEM de alta resolución de nanopartículas de TiC (B (C) de Ti / C partículas compuestas diferentes tiempos de molienda (2, 3, 5, 7,5, 9 min). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
Figura 6. Síntesis de materiales con pre-diseñado microestructura mediante la combustión de partículas compuestas nanoestructurados:. Microestructuras de intermetálicos NiAl utilizando medios convencionales (A) y partículas compuestas fabricados mecánicamente (B) Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tabla 1. Algunas características de materiales energéticos.

Video 1. "Slice y vistas" imágenes de una partícula compuesta de Ni / Al.

Video 2. "deslizante" régimen de HEBM en k ≤ 1,5.

Video 3. colisiones intensivos de bolas en 1,85 ≤ k <1,5 intervalo.

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Discussion

El protocolo proporciona una descripción detallada para la preparación de (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) nanocompuestos energéticos reactivos con microestructura medida mediante el método HEBM a corto plazo. HEBM de mezclas heterogéneas sin gas implica su procesamiento en un molino planetario de bolas de alta velocidad, donde las partículas de la mezcla se someten al impacto mecánico con una fuerza suficiente para la descomposición de componentes frágiles (por ejemplo, grafito) y la deformación de los componentes de plástico (por ejemplo, Al , Ti, Ta, Ni). Reactivos quebradizas se muelen a partículas más finas y pueden convertirse en amorfo, mientras que los metales de plástico se someten a múltiples deformaciones y la soldadura en frío, formando partículas de materiales compuestos. Pequeños fragmentos de componentes frágiles a menudo se encuentran en el interior de las partículas de los reactivos de plástico. Puesta a punto de las condiciones HEBM permitir el control de los tamaños de las partículas de material compuesto y su microestructura intrínseca. Cabe señalar que un tal grado de control en microstructure no se puede lograr en la mayoría de otras técnicas actualmente disponibles para la preparación de compuestos energéticos nanoestructurados. Así, la energía liberada en compuestos energéticos fabricados mecánicamente podría ser controlada con precisión por su microestructura a través de un ajuste fino de las condiciones de HEBM.

Las condiciones HEBM únicos también permiten una para producir las soluciones sobresaturadas no equilibrio metaestable, que permiten a las reacciones que se produzca a temperaturas significativamente más bajas que las mezclas de polvos convencionales. Además, en algunos casos, las reacciones transcurren por debajo de la temperatura eutéctica del sistema, lo que elimina completamente la formación de fases líquidas. Las muestras preparadas a partir de tales partículas compuestas conservan su forma y microestructura.

Un uso de HEBM es en la producción de nanocompuestos energéticos, altamente reactivos. Este proceso es simple, muy económico, y fácilmente a escala. Hay dos problemas importantes con este proceso, sin embargo. El primero escuestiones de seguridad; este proceso crea nanocompuestos que son altamente reactivos, y como tal, el operador debe seguir todos los procedimientos de seguridad. Esto incluye los procedimientos generales de seguridad relacionados con el funcionamiento de la máquina misma y con los procedimientos de seguridad más específicos relacionados con los compuestos que se utilizan. Debido a la naturaleza altamente reactiva de estos nanocompuestos; una cantidad limitada de este material debe ser producido hasta que se determina el conocimiento acerca de la seguridad del sistema específico. Finalmente, las impurezas relacionadas con el recipiente pueden ser introducidos. Esto puede conducir a la contaminación simple o reacciones secundarias no deseadas, incluso. En tercer lugar, la preparación de materiales compuestos libres de poros (por ejemplo, revestimientos, películas) es difícil y requiere pasos adicionales (pulverización en frío o laminación) 26.

El protocolo también proporciona información en profundidad sobre la caracterización de nanoestructuras fabricadas mecánicamente compuestos energéticos. El uso de alta velocidad de las técnicas infrarrojas unllows para espacial precisa (2 micras), térmica (5 K), y la resolución temporal (15.000 fps). Esto permite la caracterización precisa de las partículas compuestas, incluyendo su historial de tiempo-temperatura, temperatura de ignición, tiempo de retardo, y la velocidad de propagación.

El protocolo es una guía importante para la preparación de diferentes nanomateriales energéticos (sin gas) que podrían ser utilizados como fuentes de densidad de alta energía o ya sea para la síntesis y el procesamiento de los nanomateriales avanzados por los enfoques basados ​​en la combustión. Puede ser modificado fácilmente para aplicarse a sistemas de termita, y otros materiales energéticos tales como materiales compuestos metal-polímero.

Los pasos críticos en el protocolo incluyen la preparación inicial de los nanocompuestos, a partir de la ponderación de los polvos y la elección de la relación de carga apropiado. Además, es de importancia clave para asegurar que la atmósfera interna de la jarra es inerte a través de Ar purga. Selección de la pelotaparámetros de molienda, incluyendo la velocidad de revolución y el tiempo total de molienda son necesarios para la adaptación de la microestructura. Por último, la exposición, la recogida y clasificación del polvo con un procedimiento seguro son importantes, para que no se arruina el experimento. Preparación de los polvos para la experimentación pulsando determina los datos que pueden ser recogidos, seguido de un análisis preciso de los datos. El uso del programa S & V FIB para generar un conjunto de datos 3D para el análisis es también de importancia.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Materials

Mole gas liberado por 100 g Densidades de energía por unidad de volumen, kJ / cm 3 Temperatura de ignición, K
Trinitrotolueno (TNT) 8.36 -7.22 510
Las termitas
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
Sistemas sin gas
Al + Ni 0 -7.13 910/520
Ta + C 0 -10.9 3000/1500
Ti + C 0 -15.2 2000/900
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

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References

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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).

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