Waiting
Login processing...

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

Engineering

إعداد والتفاعلية من Gasless ذات البنية النانومترية المواد الطاقوية

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

يصف هذا البروتوكول إعداد gasless ذات البنية النانومترية المواد النشيطة (ني + القاعدة، تا + C، C + تي) باستخدام الكرة قصيرة الأجل عالية الطاقة طحن (HEBM) تقنية. كما يصف عالية السرعة طريقة التصوير الحراري لدراسة التفاعل من nanocomposites ملفقة ميكانيكيا. هذه البروتوكولات يمكن أن تمتد إلى أخرى ذات البنية النانومترية رد الفعل مواد حيوية.

Abstract

عالية الطاقة الكرة طحن (HEBM) هو عملية الطحن الكرة حيث يخضع خليط بودرة توضع في مطحنة الكرة لالاصطدامات عالية الطاقة من الكرات. ومن بين التطبيقات الأخرى، بل هو تقنية متعددة الاستعمالات التي تسمح للإعداد الفعال للgasless المواد ذات البنية النانومترية رد الفعل مع ارتفاع كثافة الطاقة لكل وحدة التخزين (ني + القاعدة، تا + C، C + تي). التحولات الهيكلية وسائل الإعلام التفاعلية، التي تجري خلال HEBM، تحدد آلية رد الفعل في المركبة حيوية المنتجة. متفاوتة ظروف التصنيع يسمح ضبط من المجهرية التي يسببها الطحن من الجزيئات المركبة ملفقة. في المقابل، فإن التفاعل، أي درجة حرارة الاشتعال الذاتي، والوقت تأخير الإشعال، وكذلك حركية التفاعل، مواد ارتفاع كثافة الطاقة تعتمد على المجهرية لها. تحليل المجهرية التي يسببها الطحن تشير إلى أن تشكيل الحميمة اتصالات منطقة جديدة خالية من الأكسجين سطح عال بين الكواشف طليالي مسؤولة عن تعزيز التفاعل بهم. هذا يتجلى في الحد من درجة حرارة الاشتعال وتأخير الوقت، زيادة معدل التفاعل الكيميائي، وانخفاض عام للطاقة التنشيط فعالة للتفاعل. وينص البروتوكول على وصف مفصل لإعداد nanocomposites رد الفعل مع المجهرية مصممة باستخدام طريقة HEBM على المدى القصير. كما يصف عالية السرعة تقنية التصوير الحراري لتحديد خصائص اشتعال / احتراق المواد النشطة. بروتوكول يمكن تكييفها لإعداد وتوصيف مجموعة متنوعة من المركبات النشطة ذات البنية النانومترية.

Introduction

المواد النشيطة الكلاسيكية، أي المتفجرات، والدواسر والألعاب النارية هي فئة من المواد مع كمية عالية من الطاقة الكيميائية المخزنة التي يمكن أن تنطلق خلال تفاعل طارد للحرارة السريع 1-5. على سبيل المثال، يتم إنشاؤها عادة المتفجرات عن طريق الجمع بين مجموعة الوقود والمؤكسد إلى جزيء واحد. كثافة الطاقة من هذه المواد مرتفعة جدا. على سبيل المثال، عند التحلل التراينيتروتولوين (TNT) يطلق 7.22 كج / سم 3 وتشكل 8.36 مولات الغازات لكل 100 غرام (الجدول 1) في فترة قصيرة جدا من الزمن. وتتكون هذه المواد من الأنواع ميكرومتر نطاق العضوية وغير العضوية (الوقود والمؤكسدات).

أنظمة الثيرمايت، حيث تأخذ ردود الفعل في الفترة ما بين مجمع غير العضوية، أي خفض المعادن (على سبيل المثال، آل) وأكاسيد (الحديد 2 O 3، CUO، بي 2 O 3)، تنتمي إلى نوع آخر من المواد النشيطة. كثافة الطاقة(15-21 كج / سم 3) من هذه النظم يفوق من مادة تي ان تي، ولكن كمية من منتجات الغاز (0،15-،6 الشامات لكل 100 غرام) هو عادة أقل بكثير من المتفجرات (الجدول 1). أيضا، يمكن للنانو thermites تظهر سرعة عالية للغاية من موجة احتراق الانتشار (> 1،000 متر / ثانية) 2 -5.

وقد تبين مؤخرا 6-12 أن عددا من gasless النظم التفاعلية غير متجانسة (ني + القاعدة، تي + C، تي + B) التي تشكل مركبات السبائك أو صهر ويمكن أيضا أن تعتبر مواد حيوية. كثافة الطاقة (كيلو جول / سم 3) من هذه النظم هي أقرب أو أعلى من مادة تي ان تي (الجدول 1). وفي الوقت نفسه، عدم وجود منتجات الغاز خلال رد فعل يجعل هذه المواد المرشحين ممتازة لمجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك تركيب المواد النانوية، والترابط رد الفعل من صهر وأجزاء متباينة، gasless مولدات الكهرباء الصغيرة، الخ 11-17. ومع ذلك، فإن يختلطدرجة حرارة الاشتعال عالية atively من تلك النظم (900-3،000 K، انظر الجدول 1) مقارنة thermites (~ 1،000 K) يعرقل تطبيقاتها. إعداد المركبة ذات البنية النانومترية هندسيا يمكن أن يعزز بشكل كبير من الاشتعال والاحتراق خصائص الأنظمة غير المتجانسة gasless 12-14، 17.

وقد تم تطوير العديد من الطرق لافتعال nanocomposites حيوية هندسيا، مثل الموجات فوق الصوتية خلط 18،19 والنهج التجميع الذاتي 5، سول-جل 20-22، وتقنيات ترسب البخار 16،17،23،24، فضلا عن الطاقة العالية طحن الكرة (HEBM) 1،5. وعيب خلط بالموجات فوق الصوتية من نانو مسحوق هو أن سميكة (5-10 نانومتر) أكسيد قذيفة على الجسيمات النانوية المعدنية يقلل كثافة الطاقة ويحط أداء احتراق خليط من رد الفعل. أيضا، وتوزيع الوقود والمؤكسد ليست موحدة، والاتصال البيني بين الكواشف ليست حميمة. سول-جل ووقد وضعت استراتيجيات التجميع الذاتي التطوير لإعداد nanocomposites الثيرمايت محددة. على الرغم من كونها تقنيات منخفضة التكلفة، وهذه الاستراتيجيات ليست خضراء من وجهة النظر البيئية. وعلاوة على ذلك، يتم إدخال كميات كبيرة من الشوائب في إعداد المواد المركبة. يستخدم ترسب البخار أو المغنطرون الاخرق لإعداد رد الفعل رقائق متعددة الطبقات والأساسية قذيفة المواد النشيطة. وهو يوفر الهندسة واضحة المعالم خالية من المسام من المواد المركبة التي تبسط النمذجة النظرية ويعزز دقة. ومع ذلك، هذه التقنية مكلفة وصعبة لرفع مستوى. وعلاوة على ذلك، فإن الطبقات nanocomposites أعد غير مستقرة في ظروف معينة.

عالية الطاقة الكرة طحن (HEBM) هو نهج صديقة للبيئة، قابلة بسهولة أن يسمح تلفيق الفعال للذات البنية النانومترية المركبة حيوية 5، 9 -14. HEBM غير مكلفة، ويمكن استخدامها مع مختلف مكونات المواد المتفاعلة (على سبيل المثال،rmites، وردود الفعل التي تشكل intermetallics، كربيد، borides، وما إلى ذلك).

وينص البروتوكول على وصف مفصل لإعداد رد الفعل حيوية (ني + القاعدة، تي + C، C + تا) nanocomposites مع المجهرية مصممة باستخدام أسلوب HEBM على المدى القصير. كما يصف عالية السرعة تقنية التصوير الحراري لتحديد خصائص اشتعال / احتراق المواد النشيطة كما التجهيز. وأخيرا فإنه يدل على تحليل البنية المجهرية للnanocomposites باستخدام حقل الانبعاث الضوئي المجهر الإلكتروني (FESEM) مجهزة من قبل المركزة ايون الشعاع (فيبوناتشي). بروتوكول هو دليل مهم لإعداد المواد النانوية مختلفة حيوية (gasless وأنظمة الثيرمايت) التي يمكن استخدامها كمصادر الكثافة إما عالية الطاقة أو لتخليق وتجهيز المواد النانوية المتقدمة التي كتبها النهج القائم على الاحتراق.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. عالية الطاقة الكرة طحن

  1. إعداد 35 غرام من الأولي نسبة 1: 1 المولي ني + آل الخليط. في هذه الحالة، تزن 11.02 غرام من القاعدة و23.98 غرام من مساحيق ني.
  2. استخدام وعاء طحن الصلب لHEBM من هذا النظام. تأكد من أن جرة لديها صلابة أعلى من المساحيق التي يمكن ان تضاف، وإلا فإن مساحيق سيضر الجرة وسوف تنشأ التلوث. ملاحظة: تشمل الخيارات جرة النموذجية الصلب، وأكسيد الزركونيوم، أو كربيد التنغستن.
  3. استخدام 5: 1 الكرة: مسحوق (نسبة تهمة) لهذا النظام، أي 175 غرام من كرات الصلب 10 ملم. تأكد من أن كرات مصنوعة من نفس مادة جرة خلاف ذلك إما الكرات أو جرة سوف تتضرر.
    ملاحظة: تحدد نسبة تهمة شدة التفاعل بين مسحوق وكلاء الطحن.
  4. إضافة الكرات والمساحيق لالجرة.
  5. ختم الجرة وضخ الغاز في الغلاف الجوي من جرة بواسطة مضخة ميكانيكية وتطهير من قبل الأرجون. إجراء أربع دورات من ملء وتطهير بالغاز AR(وهذا يضمن عدم وجود الأكسجين المتبقي في الجرة). وأخيرا، وملء جرة مع غاز الأرجون أعلى قليلا (0.13 ميجا باسكال) الضغط الجوي.
  6. أدخل جرة في طاحونة الكرة الكواكب.
  7. اختيار 650 الثورة في الدقيقة (دورة في الدقيقة) لمعدل ثورة جرة و1،400 دورة في الدقيقة لتناوب الداخلي (عجلة الشمس).
    ملاحظة: في بعض الحالات، قد تختلف نسبة دوران (ك) من عجلة مبلغ (1،400 دورة في الدقيقة) وجرة الطحن (من 700 إلى 1،300 دورة في الدقيقة) لتنظيم المجهرية من الجزيئات المركبة.
  8. تشغيل الإجراء HEBM لمدة 15 دقيقة. ملاحظة: أنظمة لديها وقت حرج، والتي، لظروف وصفها، يساوي 17 دقيقة. هناك كمية محدودة من الطحن التي يمكن أن تتم على النظام قبل حدوث رد الفعل في جرة. إذا تم إجراء HEBM أطول من الوقت الحرج، وسوف يحدث رد فعل في جرة الكرة الطحن، وتخريب التجربة.
  9. بعد الانتهاء من الوقت الطحن، وتبريد جرة لRT، ثم نقل إلى جرة غطاء الدخان.
    1. تنفيس جرة لإزالة ضغط الغاز الزائد من الضغط الأولي والغاز الممكن صدر خلال الطحن.
    2. إزالة الغطاء من جرة تحت غطاء الدخان. أخذ الحيطة والحذر عند فتح الجرة، ومسحوق المتكون هو رد الفعل للغاية. فتح جرة ارتداء قفازات مقاومة للحرارة ونظارات السلامة.
    3. قبل جمع مسحوق، وتعريضها للهواء لمدة 5 دقائق على الأقل ل "التخميل".
      ملاحظة: هذا يمنع رد فعل عفوي التي قد تحدث أثناء التعامل مع الخليط.

2. التفاعلية توصيف المواد الطاقوية

  1. جمع المسحوق من الجرة. لا تستخدم ملعقة معدنية لهذا الإجراء.
    1. إذا كان المطلوب تصنيف وفصل الجسيمات، والاستفادة من المناخل. لضمان أن يتم الفصل السليم، استخدم شاكر غربال لفترة طويلة من الزمن (12+ ساعة). تصنيف مسحوق في صناديق حجم مختلف (تحت 10 ميكرون، 10-20 ميكرومتر، 20-53 ميكرومتر، وهوبوف 53 ميكرون). من هذه النقطة فصاعدا، استخدم 20-53 ميكرومتر الجسيمات الحجم.
  2. اضغط على مساحيق منخول إلى بيليه باستخدام الصحافة ذو محورين المقرر أن 1،100 كلغ على بعد 5 ملم يموت الصحافة الفولاذ المقاوم للصدأ (1،360 ميجا باسكال) لمدة انتظار 2.0 دقيقة. تسجيل ارتفاع (ح) وقطر (د) من بيليه مع ميكرومتر. سجل وزن العينة (م) مع مقياس. من هنا، وتحديد كثافة بيليه. حساب الحد الأقصى النظري كثافة في المئة (TMD٪) من خلال المعادلة التالية:
    المعادلة 1
    حيث A القاعدة، وني - وزن ذرة من القاعدة وني. ρ القاعدة وρ ني - كثافة القاعدة والنيكل. نفترض أن نسبة متكافئة من مساحيق تحتفظ نسبة من مساحيق الأولية المضافة.
    1. في حالة استخدام بيليه أسطواني لتحديد الاحتراق أمام انتشار سرعة ودرجة حرارة الشخصية في الجبهة رد فعل،ضمان أن يكون طويل القامة بما فيه الكفاية، والتي تحددها النسبة بين الطول والقطر التي ينبغي أن تكون ≥2 (على سبيل المثال، د = 5 مم؛ ح ≥ 10 مم).
    2. في حالة استخدام بيليه لتعريف المعلمات الإشعال، استخدام قرص رقيق (على سبيل المثال، قطرها = 5 مم، سماكة = 1 ملم).
  3. لتحديد خصائص الاحتراق، ضع العينة على لوحة الجرافيت.
  4. جعل سلك التنغستن ملفوف تعلق على محول متغير.
  5. وضع لفائف W مثل أن الجزء ملفوف من السلك تقع على الجزء العلوي من بيليه. إذا كان النظام هو رد الفعل الأوكسجين حساسة، القيام بذلك في دائرة رد الفعل خالية من الأكسجين، نفذ وإلا فإن رد الفعل في الهواء الطلق.
  6. من أجل تحديد سرعة موجة الاحتراق، استخدم تسجيل من كاميرا عالية السرعة. موقف وتركز الكاميرا الحرارية العالية السرعة على العينة المختبرة وبدء التسجيل. وهذا سيمكن درجة الحرارة والاحتراق سرعة معلومات دقيقة ليتم جمعها.
  7. للحصول على المعلمات المرجوة من عملية الاحتراق، وإجراء تحليل الإطار من جانب الإطار من فيلم IR المسجلة.
    1. رسم موقف للاكثار أمام رد فعل مقابل الوقت. الحصول على متوسط ​​سرعة الاحتراق من المنحدر من هذه المؤامرة.
    2. رسم التغيرات في درجات الحرارة في بقعة في منتصف العينة. استخدام الرسم البياني التي تم الحصول عليها للحصول على معلومات حول الملف الشخصى الوقت درجة حرارة موجة التفاعل.
  8. لتحديد الخصائص الإشعال (اشتعال درجة الحرارة وتأخير الاشتعال الوقت) وضع قرص رقيق على طبق ساخن مسخن إلى درجة الحرارة المطلوبة (على سبيل المثال، 800 K). لاحظ أن القيم بالضبط تم الحصول عليها من هذه التجربة سوف تختلف بشكل كبير إذا تم تغيير أية معلمات، سواء كانوا من حجم بيليه، ودرجة الحرارة من موقد أو TMD. هذا التحليل هو مفيد لdeterminatأيون الاتجاهات.
    1. من أجل تحديد استخدام المعلمات اشتعال الكاميرا عالية السرعة. موقف وتركز الكاميرا الحرارية عالية السرعة على المنطقة حيث سيتم وضع العينة على صفيحة ساخنة وبدء التسجيل.
      ملاحظة: وهذا سيمكن معلومات دقيقة لدرجات الحرارة خلال هذه العملية.
      1. إذا كان رد الفعل هو الأكسجين حساسة، نفذ هذا في الأكسجين دائرة رد الفعل مجانا. هام: تشغيل هذه التجربة عدة مرات للحصول على مجموعة البيانات الإحصائية جيد.
    2. وضع بيليه في منطقة التركيز. القيام بذلك في هذه الطريقة أن الجسيمات يمكن أن ينظر إليه على كل إطار - من المهم أن نرى الإطار الأول أن بيليه اللمسات طبق ساخن.
    3. للحصول على المعلمات اشتعال المطلوبة، وإجراء تحليل الإطار من جانب الإطار من فيلم IR المسجلة.
    4. لتحديد الوقت تأخير الاشتعال، وتحديد الوقت بين الإطار الأول، عندما يلمس بيليه سطح موقد، لبدء التفاعل. لتحديد درجة حرارة الاشتعال، رسم على أعلى بقعة درجة الحرارة على الجسيمات. عند تبديل الملف الشخصى الوقت درجات الحرارة عن ذلك من التشكيل الجانبي درجة حرارة التسخين إلى أن نظام ناسفة الحراري، نقطة انعطاف أن تصل درجة حرارة الاشتعال.

3. تحليل المجهرية عن طريق حقل الانبعاث الضوئي المجهر الإلكتروني (FESEM) مجهزة من قبل التركيز ايون الشعاع (فيبوناتشي)

  1. تعليق 0.1 غرام من الجسيمات ملفقة في الإيثانول 10 مل وديعة قطرة واحدة من تعليق على سطح المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) صاحب العينة.
  2. تجفيف صاحب العينة على 90 درجة مئوية لمدة 5 دقائق.
  3. إدراج العينة إلى شعاع الاكذوبه نظام / SEM المزدوج.
  4. إجراء عينة التنظيف البلازما لمدة 5 دقائق. ملاحظة: هذا يقلل من مقدار الضرر الذي العينة سوف تشهد من التعرض لشعاع الالكترون (شعاع E).
  5. بدوره على شعاع E (5 كيلو فولت، 3.5 غ) والتركيز على جسيم واحد. رابط رانه ض الارتفاع إلى مسافة العمل، ثم رفع العينة إلى ارتفاع eucentric.
  6. باستخدام شعاع E مع إبرة حقن الغاز، إيداع طبقة أولية من البلاتين (70 نانومتر) على عينة للحماية من التدهور من استخدام الغاليوم الأيوني شعاع (I-شعاع).
  7. إمالة العينة إلى 52 درجة مئوية، ثم تتحول على I-شعاع. باستخدام I-شعاع (5 كيلو فولت، 0.28 غ)، ومرة ​​أخرى مع إبرة حقن الغاز، إيداع طبقة إضافية من البلاتين (0.5 ميكرون) على عينة للحماية.
  8. قطع علامات الائتمانية على العينة. مطحنة الجسيم في شكل مستطيل. وهذا يزيد بشكل كبير من احتمال أن يكون هناك الائتمانية الكافية، حيث سيكون هناك تخفيضات وزوايا للاستخدام متعددة.
  9. مع المعونة من البرنامج، شريحة الجسيمات مع I-شعاع.
    1. حدد "ملف" ثم "صورة حفظ الموقع" لاختيار دليل حيث سيتم تخزين الصور.
    2. اعتمادا على الجسيمات الفردية، حدد العرض المناسب، ليونGTH، وعمق. اختيار هذه إلى طاحونة تماما من خلال وحدة التخزين بالكامل من الجسيمات. بالإضافة إلى ذلك، حدد عدد من شرائح، فضلا عن عدد من شرائح لكل صورة. هذه الخيارات يمكن العثور عليها في "شريحة" علامة التبويب.
    3. تعيين شعاع الحالية عن طريق اختيار "المرافق" ثم "اقتراح التيارات". ملاحظة: سيسمح هذا البرنامج لتحديد شعاع التيار المناسب لطاحونة العينة في فترة زمنية معقولة بينما يحرس ضد الضرر العينة.
    4. انقر فوق "إظهار" ويقوم البرنامج بتوفير شبكة الطحن البصرية التي تظهر ما سيتم المضروب جزء من الجسيمات. ضمان أن يتم وضع شبكة الطحن بدقة على مدى الجسيمات في الجزء الذي سيتم المضروب.
    5. بعد كل شريحة اتخاذ عالية الجودة صورة البريد شعاع لإعادة الإعمار في وقت لاحق. لتحديد المعلمات البريد شعاع المناسبة، حدد القائمة "الإعداد" واختيار "EBeam صورة المسح معلمات".
      ملاحظة: هذا سيعطي شبكةلتحديد القرار، ويسكن الوقت. وكلما زاد زمن السكون، والمزيد من الوقت الذي يستغرقه لجمع الصور.
  10. باستخدام حزمة برامج إعادة الإعمار 3D، وإعادة بناء مجموعة من الصور التي تم جمعها من الاكذوبه / SEM كما هو موضح سابقا 25. ملاحظة: هذا ينتج نسخة افتراضية 3D كاملة من الجسيمات، التي يمكن استخدامها بعد ذلك لحساب مساحة سطح الاتصال، والمسامية من الجزيئات الفردية، وسمك طبقة ناشر، فضلا عن عدد لا يحصى من المعالم الأخرى المفيدة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

لإعداد المركبة حيوية ذات البنية النانومترية، يتم التعامل خليط من مكونات مسحوق المطلوب (عادة-ميكرومتر الحجم) ميكانيكيا في ظل ظروف طحن مسبقا. زمن التحميل (دقيقة عادة) يتم التحكم بدقة لتوليد الجسيمات بمركب متناهي في الصغر متجانسة بشكل إنشائي ولكن لا يسمح التفاعل الكيميائي الاكتفاء الذاتي لبدء أثناء الطحن.

الشكل 1 و فيديو 1 تبين أن مساحة الاتصال بين المواد المتفاعلة في الجسيمات زيادات المركبة من حيث الحجم مقارنة مع الخليط الأولي. بعد HEBM أدرج كل عنصر في مصفوفة من مكون آخر. في معظم الحالات، وذات البنية النانومترية التي تم الحصول عليها المركبة حيوية كثيفة بالكامل مع منطقة اتصال عالية بين الكواشف (الشكل 2). وعلاوة على ذلك، والكواشف يمكن أن تكون مختلطة على مقياس من أقل من 100 نانومتر. ومن المهم أيضا أن الظروف ضبط HEBM تسمح regulatأيون من المجهرية الداخلية من المواد المركبة. ومن ينظر في الشكل 2 أن درجة المزج بين مختلف المتفاعلة يمكن تحقيقها في نفس النظام. وعلاوة على ذلك، يشكل HEBM جديدة اتصالات (خالية من الأوكسجين) بين الكواشف الشكل 3 يوضح أن HEBM فعال يزيل طبقة واقية أكسيد على المعدن الأولي (على سبيل المثال، آل) الجسيمات. الظلام الميدان (DF) صورة المجهر الإلكتروني انتقال (تيم) تحليل جانب التشتت الطاقة التحليل الطيفي للأشعة السينية (EDX) في ني / آل جزيئات مركب تشير بوضوح إلى حدود جديدة بين الكواشف التي هي خالية من الأوكسجين.

وعلى الرغم من ضبط للالمجهرية الداخلية للجزيئات مركب HEBM تمكن التنظيم من حجم الجسيمات. على سبيل المثال، يمكن تحقيق هذا عن طريق تغيير نسبة دوران (ك) من عجلة الشمس (1،400 دورة في الدقيقة) وجرة الطحن (من 700 إلى 1،300 دورة في الدقيقة). عرض التصوير الفيديو أن العديد من الأنظمة HEBM قد تحدثاعتمادا على نسبة ك. خليط من الكرات ومسحوق ك ≤ 1.5 هو "انزلاق" على سطح جرة (فيديو 2). في 1.85 ≤ ك <1.5 الاصطدامات مكثفة الفاصلة من الكرات تأخذ الأماكن (فيديو 3). الشكل 4 تشير إلى أن هذه الأنظمة HEBM مختلفة تؤثر بشكل كبير على أحجام الجزيئات، أي الجسيمات الخشنة (100-150 ميكرون) تتشكل في "انزلاق" النظام، في حين أن العديد من الجسيمات الدقيقة (10-50 ميكرون) يمكن أن تكون على استعداد في النظام الاصطدام.

جنبا إلى جنب مع إعداد الجسيمات المركبة حيوية، يصف بروتوكول تقنيات توصيف بهم. هذا النهج يكشف عن صلات هامة بين إعداد المواد والمجهرية والتفاعل من الجسيمات المركبة. على سبيل المثال، والتحقيق المجهرية مفصل لتي / C الجسيمات المركبة وكشف عشرفي، وبعد 3 دقائق من HEBM، طبقة غنية بالكربون تشكلت بين الطبقات التيتانيوم بالارض 11 بسبب اللحام البارد. الصور TEM في الشكل 5 تشير إلى أن طبقة الكربون النانوية تحتوي التيتانيوم موزعة بشكل متجانس وكربيد التيتانيوم (التشنج) نوى.

وتظهر ملامح درجة الحرارة في الوقت التي سجلتها التصوير بالأشعة تحت الحمراء لتي / C الجسيمات المركبة في الجسيمات الشكل 5C. وكانت توضع على طبق ساخن مع درجة حرارة ~ 600 K. A عالية السرعة نظام الرؤية الحرارية كانت تستخدم لمراقبة زمنيا التاريخ درجة الحرارة من الجسيمات. وكان نطاق قياس درجة الحرارة المختارة 600-1،200 K. ويمكن أن يرى أن المواد، وبعد 2 دقيقة من العلاج الميكانيكية، لا يمكن أن تكون وفقا للشروط التحقيق-أشعلت ذاتيا. درجة حرارة الاشتعال الذاتي بعد 3 دقائق من HEBM حوالي 600 K، بينما بعد 5 و 7.5 دقيقة من العلاج تيج هو أقل بكثير من 600 K. ومن المثير للاهتمام أن درجة حرارة الاشتعال هي مرة أخرى فوق 600 Kلفترة طحن 9 دقيقة. ويفسر هذا التأثير عن طريق تشكيل مبلغ للمرحلة TIC في جرة الطحن. وتجدر الإشارة إلى أن هذا أثناء احتراق تقليدي تي + C الخليط، والمجهرية من وسط التفاعل دون تغيير عند ظهور الطور السائل المعدنية (1،941 K) وتفاعل طارد للحرارة يبدأ في ~ 2،000 K. هذه النتائج تشير إلى أن وجود صلة مباشرة بين المجهرية شكلت خلال HEBM واشتعال درجة الحرارة. تشكيل الحميمة الاتصالات الأكسجين خالية من بين المواد المتفاعلة ونوى المنتج يجعل المركبة تي / C رد الفعل للغاية حيث تنخفض درجة حرارة الاشتعال من 2،000 إلى 600 K. HEBM أيضا يؤثر بشكل كبير من الوقت تأخير الاشتعال، أي وقت بعد غمر الجسيم في الفرن وحتى بدء رد فعل، وكذلك انتشار جبهة الاحتراق السرعة. ملامح درجة الحرارة الوقت في الشكل 5C يدل على أن تأخير الوقت اشتعال يقلل أيضا بزيادةالوقت الطحن.

ومن الجدير بالذكر أن احتراق مركب ملفقة ميكانيكيا يظهر مزايا كبيرة لتخليق المواد ذات البنية النانومترية. أثناء الاحتراق وسائل الإعلام التقليدية، والسيطرة على المجهرية من الناتج صعبة للغاية. على سبيل المثال، ودرجة الحرارة بداية رد فعل التقليدي ني + آل تتزامن مع أدنى درجة حرارة سهل الانصهار للنظام (~ 910 K). الطور السائل تشكلت خلال رد الفعل بشكل ملحوظ تغيير المجهرية من الخليط الأولي (الشكل 6). في المركبة ملفقة ميكانيكيا، فإن التفاعلات تتم تحت درجة حرارة سهل الانصهار للنظام، الذي يلغي تماما تشكيل مراحل السائلة، أي الاحتراق الحالة الصلبة صحيحا، يسمى اللهب الصلبة، ويأخذ مكان. ويتضح هذا من قبل درجة حرارة التفاعل الظهور منخفضة تصل إلى 470 K، في حين أن أدنى درجة حرارة سهل الانصهار في هذا النظام يحدث في 910 K. وهذا يعني أن يخدع كبير يجب أن يحدث نسخة بسبب رد فعل محض الحالة الصلبة. عينات المحضرة من هذه الجسيمات المركبة تحتفظ شكلها والمجهرية (الشكل 6).

الشكل (1)
الشكل 1. التحول من غير متجانسة المجهرية وسائل الإعلام التفاعلية خلال الطاقة العالية الكرة طحن: تمثيل تخطيطي للتحول من جسيمات حجم ميكرون من الكواشف الفردية إلى جزيئات مركب الطبقات (A)، وتشكيل ني / آل الجسيمات المركبة باستخدام HEBM من النيكل والألمنيوم الكواشف (B). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

fig2.jpg "/>
الشكل 2. ضبط منطقة التماس بين المواد المتفاعلة بسبب ظروف HEBM لأنظمة مختلفة متفاوتة: ني / ص (A - C)، تي / C (D، E) وتا / C (F) الرجاء انقر هنا لعرض أكبر نسخة من هذا الرقم.

الشكل (3)
الشكل 3. تشكيل الاتصالات الأكسجين خالية من بين المواد المتفاعلة: تمثيل تخطيطي (A)، صورة حقل مشرق من الحدود ني / آل شكلتها HEBM (B) ومتبدد الطاقة X-راي الطيفي (EDS) لمحات من النيكل والألمنيوم و الأكسجين (C). من فضلكانقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (4)
الشكل 4. إعداد الجسيمات المركبة مع أحجام مختلفة من قبل ضبط نسبة (ك) من عجلة الشمس وسرعات الدوران جرة الطحن: K ≤ 1.5 (A) و 1.8 ≤ ك <1.5 (B) يرجى النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5
الشكل 5. العلاقة بين المجهرية للتفاعل الجسيمات المركبة: صورة TEM من تي / C الجسيمات المركب (A)، وصورة عالية الدقة TEM النانوية التشنج (B (C) من تي / C جزيئات مركب مختلف الأوقات الطحن (2، 3، 5، 7.5، 9 دقيقة). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل (6)
الشكل 6. تجميع المواد مع ما قبل تصميم المجهرية باستخدام احتراق جزيئات نانو منظم المركبة: المجهرية من intermetallics نيال باستخدام وسائل الإعلام التقليدية (A) والجسيمات المركبة ملفقة ميكانيكيا (B) الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الجدول 1. بعض خصائص المواد النشطة.

فيديو 1. "شريحة وعرض" التصوير من الجسيمات مركب ني / آل.

فيديو 2. "انزلاق" نظام HEBM في ك ≤ 1.5.

فيديو 3. الاصطدامات مكثفة من الكرات في 1.85 ≤ ك <1.5 الفاصلة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وينص البروتوكول على وصف مفصل لإعداد رد الفعل حيوية (تي + C، C + تا، ني + آل) nanocomposites مع المجهرية مصممة باستخدام أسلوب HEBM على المدى القصير. HEBM مخاليط متجانسة gasless إشراك معالجتها في عالية السرعة طاحونة الكرة الكواكب، حيث تتعرض الجزيئات من الخليط إلى تأثير الميكانيكية مع قوة كافية لانهيار مكونات هشة (مثل الجرافيت) وتشوه من المكونات البلاستيكية (على سبيل المثال، شركة ، تي، تا، ني). تطحن الكواشف هشة للجسيمات الدقيقة وربما تصبح غير متبلور، في حين تتعرض المعادن بلاستيكية لتشوهات متعددة واللحام البارد، وتشكيل المركبة الجسيمات. وغالبا ما توجد شظايا صغيرة من مكونات هشة داخل جزيئات المواد المتفاعلة البلاستيكية. ضبط الشروط HEBM تسمح للسيطرة على أحجام الجسيمات المركبة والمجهرية الكامنة. وتجدر الإشارة إلى أن هذه الدرجة من السيطرة في microstructurلا يمكن أن يتحقق الإلكترونية في معظم غيرها من التقنيات المتاحة حاليا لإعداد المركبة حيوية ذات البنية النانومترية. وهكذا فإن الطاقة المنطلقة في المركبة حيوية ملفقة ميكانيكيا يمكن أن تسيطر على وجه التحديد من قبل المجهرية من خلال ضبط الأوضاع HEBM.

شروط HEBM فريدة من نوعها تسمح أيضا واحدة لإنتاج الحلول فوق إشباع عدم التوازن متبدل الاستقرار، والتي تتيح ردود الفعل أن تحدث في درجات حرارة أقل بكثير من خليط مسحوق التقليدية. وعلاوة على ذلك، في بعض الحالات فإن التفاعلات تتم تحت درجة حرارة سهل الانصهار للنظام، الذي يلغي تماما تشكيل مراحل السائلة. عينات المحضرة من هذه الجسيمات المركبة تحتفظ شكلها والمجهرية.

واحد استخدام HEBM في إنتاج شديدة التفاعل، nanocomposites حيوية. هذه العملية بسيطة واقتصادية للغاية، وتحجيمها بسهولة. هناك نوعان من القضايا الرئيسية في هذه العملية، ولكن. الأول هوقضايا السلامة؛ هذه العملية تخلق nanocomposites التي هي شديدة التفاعل، وعلى هذا النحو، يجب على المشغل متابعة كافة إجراءات السلامة. وهذا يشمل إجراءات السلامة العامة المتعلقة تشغيل الجهاز نفسه وإلى إجراءات أكثر تحديدا السلامة المتعلقة مركبات يجري استخدامها. بسبب طبيعة رد الفعل للغاية من هذه nanocomposites. يجب أن تنتج كمية محدودة من هذه المواد حتى يتم التأكد من المعرفة حول سلامة نظام محدد. وأخيرا، يمكن إدخال الشوائب المتعلقة السفينة. هذا يمكن أن يؤدي إلى تلوث بسيط أو التفاعلات الجانبية حتى غير مرغوب فيها. الثالث، وإعداد المركبة خالية من المسام (على سبيل المثال، والطلاء، والأفلام) صعب ويتطلب خطوات إضافية (الرش البارد أو المتداول) 26.

وينص البروتوكول أيضا معلومات متعمقة حول توصيف ذات البنية النانومترية ملفقة ميكانيكيا المركبات النشطة. استخدام عالية السرعة تقنيات الأشعة تحت الحمراء لllows لالمكانية دقيق (2 ميكرون)، والحرارية (5 K)، والقرار الزماني (15،000 إطارا في الثانية). وهذا يمكن توصيف دقيق للجسيمات مركبة، بما في ذلك تاريخهم الوقت ودرجة الحرارة، درجة حرارة الاشتعال، تأخير الوقت، وانتشار السرعة.

بروتوكول هو دليل مهم لإعداد المواد النانوية حيوية مختلفة (gasless) التي يمكن استخدامها كمصادر الكثافة إما عالية الطاقة أو لتخليق وتجهيز المواد النانوية المتقدمة التي كتبها النهج القائم على الاحتراق. ويمكن تعديلها بسهولة لتطبيقها على أنظمة الثيرمايت، وغيرها من المواد الحيوية مثل مركبات المعادن البوليمر.

وتشمل الخطوات الحاسمة ضمن بروتوكول إعداد الأولي للnanocomposites، بدءا من وزنها من مساحيق واختيار نسبة تهمة المناسبة. بالإضافة إلى ذلك، فإنه من الأهمية الرئيسية لضمان أن الجو الداخلي للجرة هو خامل من خلال سورة تطهير. اختيار الكرةالمعلمات طحن، بما في ذلك سرعة الثورة ومجموع وقت الطحن ضرورية لتفصيل المجهرية. وأخيرا، فإن التعرض، وجمع، وتصنيف من المسحوق مع إجراء آمن مهمة، لئلا خرب التجربة. إعداد مساحيق للالتجريب عن طريق الضغط يحدد البيانات التي يمكن جمعها، تليها تحليل دقيق للبيانات. استخدام S & V برنامج FIB لتوليد مجموعة بيانات 3D للتحليل هو أيضا من أهمية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Materials

الخلد الجاق سراح لكل 100 غرام كثافة الطاقة لكل وحدة التخزين، كج / سم 3 درجة حرارة الاشتعال، K
التراينيتروتولوين (TNT) 8.36 -7.22 510
النمل الأبيض
2AL + 3CuO 0.54 -20.8 900-1،100
2AL + الحديد 2 O 3 0.14 -16.4
2AL + بي 2 O 3 0.47 -15.2
نظم Gasless
آل + ني 0 -7.13 910/520
تا + C 0 -10.9 3،000 / 1،500
تي + 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

الهندسة، العدد 98، المركبة على رد الفعل، والمواد الطاقوية،-عالية الطاقة الكرة طحن، Gasless الاحتراق، الإشعال، تعزيز التفاعلية
إعداد والتفاعلية من Gasless ذات البنية النانومترية المواد الطاقوية
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