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Engineering

Vorbereitung und Reaktivität von Gaslose Nanostrukturierte Energetische Materialien

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

Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung von nanostrukturierten gasless energetische Materialien (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) unter Verwendung des Kurzzeit-Hochenergie-Kugelmühle (HEBM) -Technik. Es beschreibt auch eine Hochgeschwindigkeits-Wärmeabbildungsverfahren, um die Reaktivität von mechanisch hergestellten Nanokomposite studieren. Diese Protokolle können andere reaktive nanostrukturierten energetischen Materialien erweitert werden.

Abstract

Hochenergie-Kugelmahlen (HEBM) ein Kugelmahlverfahren wobei ein Pulvergemisch in der Kugelmühle gegeben wird, um hochenergetische Kollisionen von den Kugeln unterzogen. Neben anderen Anwendungen ist es eine vielseitige Technik, die für die effektive Herstellung von gasfreien reaktiven nanostrukturierten Materialien mit hoher Energiedichte pro Volumen (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) ermöglicht. Die strukturellen Veränderungen der reaktiven Medien, die während HEBM stattfinden wird, definieren die Reaktionsmechanismus in den erzeugten energetischen Verbundwerkstoffen. Variieren der Verarbeitungsbedingungen ermöglicht eine Feinabstimmung der Fräs- induzierten Mikrostrukturen der hergestellten Verbundteilchen. Wiederum der Reaktivität, also Selbstzündungstemperatur, Zündverzögerungszeit sowie Reaktionskinetiken mit hoher Energiedichte Materialien hängt von ihrer Mikrostruktur. Analyse der Fräs-induzierten Mikrostrukturen zeigt, dass die Bildung von frischem sauerstofffreie innige hoher Oberfläche Kontakte zwischen den Reagenzien is für die Verbesserung ihrer Reaktionsfähigkeit verantwortlich. Dies äußert sich in einer Verringerung der Zündtemperatur und Verzögerungszeit, einer erhöhten Geschwindigkeit der chemischen Reaktion und eine allgemeine Abnahme der effektiven Aktivierungsenergie der Reaktion. Das Protokoll enthält eine detaillierte Beschreibung zur Herstellung von reaktiven Nanoverbundstoffe mit maßgeschneiderten Mikrostruktur mit kurzfristigen HEBM Verfahren. Es beschreibt auch eine Hochgeschwindigkeits-Wärmebildtechnik, um die Zündung / Verbrennung Eigenschaften der energetischen Materialien zu bestimmen. Das Protokoll kann auf die Herstellung und Charakterisierung einer Vielzahl von nanostrukturierten energetischen Verbundstoffe angepasst werden.

Introduction

Klassische energetische Materialien, dh, Explosivstoffe, Treibstoffe und Pyrotechnik sind eine Klasse von Material mit einer hohen Menge an gespeicherte chemische Energie, die bei schnellen exothermen Reaktion 1-5 freigegeben werden kann. So werden beispielsweise Sprengstoff in der Regel durch die Kombination von Brennstoff und Oxidationsmittel in Gruppen erzeugt einem Molekül. Die Energiedichte dieser Materialien ist sehr hoch. Zum Beispiel bei der Zersetzung Trinitrotoluol (TNT) löst 7,22 kJ / cm 3 und bildet 8,36 Mol Gase pro 100 g (Tabelle 1) in einer sehr kurzen Zeitspanne. Diese Materialien werden von mikrometergroßen organische und anorganische Spezies (Brennstoffe und Oxidationsmittel) zusammen.

Thermit Systemen, in denen Reaktionen zwischen der anorganischen Verbindung stattfinden, dh, reduzierenden Metallen (zB Al) und Oxide (Fe 2 O 3, CuO, Bi 2 O 3), gehören zu einer anderen Art von energetischer Materialien. Die Energiedichte(15-21 kJ / cm 3) solcher Systeme übertrifft die von TNT, aber die Menge der Gasprodukte (0,15-0,6 Mol pro 100 g) ist in der Regel viel geringer als für Sprengstoffe (Tabelle 1). Auch können die Nano thermites extrem hohe Geschwindigkeit der Verbrennungswellenausbreitung (> 1000 m / s) 2 -5 zeigen.

Es wurde kürzlich gezeigt, 6-12 dass eine Anzahl von heterogenen gasless Reaktivsysteme (Ni + Al, Ti + C, Ti + B), die intermetallische oder feuerfeste Verbindungen bilden könnten auch als energetische Materialien berücksichtigt werden. Die Energiedichten (kJ / cm 3) dieser Systeme sind näher oder höher als die von TNT (Tabelle 1). Zur gleichen Zeit wird die Abwesenheit von Gasprodukten während der Reaktion macht solche Materialien zu ausgezeichneten Kandidaten für eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich der Synthese von Nanomaterialien, reaktive Bindung von feuerfesten und unterschiedliche Teile, gaslosen Mikro-Stromgeneratoren usw. 11-17. Jedoch ist die relgleichsweise hohe Zündtemperatur dieser Systeme (900-3,000 K, siehe Tabelle 1) im Vergleich zu thermites (~ 1.000 K) ein Hindernis für die Anwendungen. Die Aufstellung von engineered nanostrukturierte Komposite deutlich verbessern konnte die Zünd- und Verbrennungseigenschaften der gaslosen heterogenen Systemen 12-14, 17.

Viele Verfahren sind entwickelt worden, um die Werk energetischen Nanokompositen wie Ultraschall fertigen Misch 18,19, self-assembly nähert 5, Sol-Gel 20-22 Aufdampftechniken 16,17,23,24 sowie hochenergetische Kugelmühle (HEBM) 1,5. Der Nachteil der Ultraschallmischen von Nano-Pulver ist, dass eine dicke (5-10 nm) -oxid-Shell auf Metall-Nanopartikel reduziert die Energiedichte und vermindert die Verbrennungsleistung von reaktiven Mischungen. Auch wurde die Verteilung von Brennstoff und Oxidationsmittel ist nicht einheitlich, und der Grenzflächenkontakt zwischen den Reaktionspartnern nicht vertraut. Sol-Gel eind Selbstorganisationsstrategien für die Herstellung spezieller Thermit Nanokomposite entwickelt. Trotz der Low-Cost-Techniken, sind diese Strategien nicht grün aus ökologischer Sicht. Außerdem werden große Mengen an Verunreinigungen in Komposite eingeführt. Aufdampfen oder Magnetronsputtern wird zur reaktiven Mehrschichtfolien und Kern-Schale-energetischen Materialien herzustellen. Es bietet eine porenfreie und gut definierten Geometrie der Verbundwerkstoffe, die theoretische Modellierung vereinfacht und verbessert die Genauigkeit. Jedoch ist diese Technik teuer und schwierig zu skalieren. Darüber hinaus sind die hergestellten geschichteten Nanokomposite instabil unter bestimmten Bedingungen.

Hochenergie-Kugelmühle (HEBM) ist eine umweltfreundliche, leicht skalierbaren Ansatz, der effektive Herstellung von nanostrukturierten energetischen Verbundwerkstoffe 5, 9 -14 ermöglicht. HEBM ist kostengünstig und kann mit verschiedenen reaktiven Materialzusammensetzungen verwendet werden (beispielsweise diermites Reaktionen, die intermetallischen Verbindungen, Carbiden, Boriden, etc.) zu bilden.

Das Protokoll stellt eine ausführliche Beschreibung zur Herstellung von reaktiven energetischen (Ni + Al, Ti + C, Ta + C) Nanokomposite maßgeschneiderte Mikrostruktur durch Verwendung des kurzfristigen HEBM Methode. Es beschreibt auch eine Hochgeschwindigkeits-Wärmebildtechnik, um die Zündung / Verbrennung Merkmale fabrik energetischen Materialien zu bestimmen. Schließlich zeigt es die Analyse der Mikrostruktur der Nanocomposites mit Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM) Ausgestattet mit Focused Ion Beam (FIB). Das Protokoll ist eine wichtige Führung für die Herstellung verschiedener energetischer Nanomaterialien (gasless und Thermit-Systeme), die entweder eine hohe Energiedichte Quellen oder zur Synthese und Verarbeitung von erweiterten Nanomaterialien durch Verbrennung basierte Ansätze verwendet werden konnte.

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Protocol

1. Hochenergie-Kugelmahlen

  1. Vorbereitung 35 g der anfänglichen Molverhältnis von 1: 1 Ni + Al-Gemisch. In diesem Fall wiegen 11,02 g Al und 23,98 g Ni-Pulver.
  2. Verwenden Sie einen Stahlfräsen Glas für HEBM dieses Systems. Sicherstellen, dass das Glas eine höhere Härte als die Pulver, die zugegeben werden, da sonst das Pulver wird das Gefäß beschädigen und Verunreinigungen entstehen. Hinweis: Typische jar Auswahl umfasst Stahl, Zirkonoxid oder Hartmetall.
  3. Verwenden Sie ein 5: 1 Ball: Pulver (Ladungsverhältnis) für dieses System, das heißt, 175 g 10 mm Stahlkugeln. Sicherzustellen, dass die Kugeln aus dem gleichen Material wie das Glas sonst entweder die Kugeln oder das Glas beschädigt wird hergestellt.
    Hinweis: Die Ladungs-Verhältnis definiert die Intensität der Interaktion zwischen Pulver und die Fräsen Mittel.
  4. Fügen Kugeln und Pulver in das Gefäß.
  5. Verschließen Sie das Gefäß und pumpen das atmosphärische Gas aus dem Glas durch mechanische Pumpe und Säuberung von Argon. Führen Sie vier Zyklen Füllen und Spülen mit Ar-Gas(Dies stellt sicher, dass es in dem Behälter verbleibenden kein Sauerstoff). Schließlich füllen das Glas mit Argongas leicht über (0,13 MPa) Atmosphärendruck.
  6. Legen Sie das Glas in einer Planetenkugelmühle.
  7. Wählen Sie 650 Umdrehungen pro Minute (rpm) für die Umdrehungsgeschwindigkeit von Glas und 1400 Umdrehungen pro Minute für die Innenrotation (Sonnenrad).
    Anmerkung: In einigen Fällen wurde das Rotationsverhältnis (k) der Summenrades (1.400 rpm) und Mahlgefäß (von 700 bis 1300 Umdrehungen pro Minute) variiert wird, um die Mikrostruktur des Verbundpartikel regulieren.
  8. Führen Sie das HEBM Verfahren für 15 min. Hinweis: Die Systeme haben eine kritische Zeit, die für den beschriebenen Bedingungen beträgt 17 min. Es gibt eine begrenzte Menge an Fräsen, die auf dem System durchgeführt werden kann, bevor in das Glas die Reaktion stattfindet. Wenn HEBM länger als die kritische Zeit durchgeführt wurde, wird eine Reaktion in der Kugelmühle Glas auftreten, ruinieren das Experiment.
  9. Nach Abschluss der Mahlzeit, kühlen Sie das Glas auf RT, und verschieben Sie das Glas zu einem Abzug.
    1. Entlüften Sie das Glas, um überschüssige Gasdruck von der ersten Druckaufbau und mögliche Gas beim Fräsen freigesetzt entfernen.
    2. Nehmen Sie den Deckel vom Glas im Abzug. Seien Sie vorsichtig beim Öffnen des Glases, da das gebildete Pulver ist sehr reaktiv. Öffnen Sie das Glas trägt hitzebeständige Handschuhe und eine Schutzbrille.
    3. Vor dem Sammeln Pulver, setzen Sie es an der Luft für mindestens 5 min für "Passivierung".
      Hinweis: Dadurch wird verhindert, spontane Reaktion, die beim Umgang mit dem Gemisch auftreten können.

2. Reaktivität Charakterisierung Energetische Materialien

  1. Sammeln Sie das Pulver aus dem Glas. Verwenden Sie keine metallischen Spatel für dieses Verfahren.
    1. Wenn Klassifizierung und Trennung der Teilchen erwünscht ist, zu nutzen Siebe. Um sicherzustellen, dass korrekte Trennung abgeschlossen ist, verwenden Sie eine Siebmaschine für eine längere Zeit (ab 12 h). Bewerte das Pulver in verschiedenen Größen Tonnen (unter 10 um, 10 bis 20 & mgr; m von 20 bis 53 um, einebove 53 um). Von diesem Punkt an, verwenden Sie 20 bis 53 & mgr; m große Partikel.
  2. Drücken Sie die gesiebte Pulver zu einem Pellet mit einem uniaxialen Presse bis zu 1.100 kg auf einem 5 mm Edelstahl-Pressform (1360 MPa) für eine Verweilzeit von 2,0 min eingestellt. Nehmen die Höhe (h) und der Durchmesser (d) des Pellets mit einem Mikrometer. Das Gewicht der Probe (m) mit einer Skala. Von hier bestimmen die Dichte des Pellets. Berechnen der theoretischen Dichte max Prozent (TMD%) durch die folgende Formel:
    Gleichung 1
    wobei A Al, A Ni - Atom Gewicht von Al und Ni; ρ ρ Al und Ni - Dichte von Al und Ni. Angenommen, dass das stöchiometrische Verhältnis der Pulver bleibt das Verhältnis der Ausgangspulver zugegeben.
    1. Wenn die zylindrischen Pellets verwendet wird, um eine Verbrennungsfrontausbreitungsgeschwindigkeit und Temperaturprofil in der Reaktionsfront zu bestimmen,sicherzustellen, dass sie groß genug, um das Verhältnis zwischen Höhe und Durchmesser bestimmt wird, ist es sein sollte, ≥2 (zB d = 5 mm; h ≥ 10 mm).
    2. Wenn das Pellet verwendet wird, um die Zündung Parameter zu definieren, verwenden eine dünne Scheibe (zB Durchmesser = 5 mm, Dicke = 1 mm).
  3. Um Verbrennungseigenschaften zu definieren, legen Sie die Probe auf eine Graphitplatte.
  4. Machen Sie eine Spiralwolframdraht mit einem variablen Transformator angeschlossen ist.
  5. Positionieren der Spule W, so dass der gewickelte Abschnitt des Drahtes an der Oberseite des Pellets liegt. Wenn das reaktive System sauerstoffempfindlich, tun dies in einer sauerstofffreien Reaktionskammer, da sonst die Reaktion im Freien durchzuführen.
  6. Um die Verbrennungswellengeschwindigkeit bestimmen, verwenden Sie die Aufnahme von der Hochgeschwindigkeitskamera. Position und den Schwerpunkt der thermischen Hochgeschwindigkeitskamera auf der untersuchten Probe und starten Sie die Aufnahme. Dadurch wird eine präzise Temperatur und Verbrennungsgeschwindigkeitsinformationen einzuholen.
  7. Um die gewünschten Parameter des Verbrennungsprozesses zu erhalten, führen Frame für Frame-Analyse der aufgezeichneten IR-Film.
    1. Zeichnen Sie die Position des Reaktionsfrontausbreitung über der Zeit. Besorgen Sie sich die durchschnittliche Brenngeschwindigkeit von der Steigung der Kurve.
    2. Zeichnen Sie die Temperaturänderungen in einem Punkt in der Mitte der Probe. Verwenden Sie die Grafik erhalten, Informationen über die Temperatur-Zeit-Profil des Reaktionswelle zu gewinnen.
  8. Um Zündeigenschaften (Zündtemperatur und Zündverzögerungszeit) definieren setzen die dünne Platte auf einer heißen Platte auf die gewünschte Temperatur vorgewärmt wird (beispielsweise 800 K). Beachte, dass die aus diesem Versuch erhaltenen genauen Werte erheblich variieren, wenn irgendwelche Parameter geändert werden, ob sie eine Größe der Pellets, die Temperatur der Heizplatte oder TMD sind. Diese Analyse ist nützlich BESTIMMUNGIon von Trends.
    1. Um festzustellen, die Zündung Parameter verwenden Sie den High-Speed-Kamera. Position und den Schwerpunkt der thermischen Hochgeschwindigkeitskamera auf dem Gebiet, in dem die Probe auf der Heizplatte platziert werden und starten Sie die Aufnahme.
      Hinweis: Dadurch wird eine exakte Temperaturinformationen während des Prozesses zu ermöglichen.
      1. Wenn die Reaktion sauerstoffempfindliche, führen diese in einer sauerstofffreien Reaktionskammer. WICHTIG: Führen Sie dieses Experiment mehrmals, um eine gute statistische Datensatz zu gewinnen.
    2. Legen Sie die Tablette in die Zone der Fokus. Tun Sie dies in einer Weise, die das Teilchen könnte auf jedem Bild zu sehen - es ist wichtig, um das erste Bild, dass das Pellet die Kochplatte berührt sehen.
    3. Um die gewünschten Zündungsparameter zu erhalten, führen Frame für Frame-Analyse der aufgezeichneten IR-Film.
    4. Zur Bestimmung der Zündverzugszeit, bestimmen die Zeit zwischen dem ersten Rahmen, wenn die Pellets der Oberfläche der Kochplatte berührt, um die Reaktionsauslösung. Um die Entzündungstemperatur bestimmen, zeichnen Sie die höchste Temperatur Fleck auf der Partikel. Wenn die Zeit-Temperatur-Profil schaltet von der einer Vorwärmtemperatur Profil zu dem eines thermischen explosive Regime, dem Wendepunkt entspricht die Zündtemperatur.

3. Mikrostrukturanalyse mit Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop (FESEM) ausgestattet von Focus Ion Beam (FIB)

  1. Suspend 0,1 g der hergestellten Partikel werden in 10 ml Ethanol und Ablagerung ein Tropfen der Suspension auf eine Oberfläche der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Probenhalter.
  2. Trocknen des Probenhalters bei 90º C für 5 min.
  3. Legen Sie die Probe in einen Zweistrahl FIB / SEM-System.
  4. Führen Probe Plasmareinigung für 5 min. Anmerkung: Dies reduziert die Menge an Schaden, dass die Probe vor der Exposition durch den Elektronenstrahl (E-Strahl) zu erfahren.
  5. Einschalten des E-Strahl (5 kV, 3,5 nA) und sich auf einem einzelnen Teilchen. Link-ter z-Höhe auf den Arbeitsabstand, dann erhöhen Sie die Probe auf euzentrischen Höhe.
  6. Unter Verwendung des E-Strahls mit der Gasinjektionsnadel, abzuscheiden eine erste Platinschicht (70 nm) auf die Probe, um von Abbau durch Verwendung von Gallium-Ionenstrahl (I-beam) zu schützen.
  7. Kippen die Probe auf 52 °, und dann auf der I-Träger drehen. Verwendung der I-Balken (5 kV, 0,28 nA), wiederum mit dem Gasinjektionsnadel, abzuscheiden eine zusätzliche Schicht aus Platin (0,5 um) auf die Probe für den Schutz.
  8. Schneiden Bezugsmarkierungen auf der Probe. Mühle das Teilchen in eine rechteckige Form. Dies erhöht erheblich die Chance, dass es eine ausreichende Treuhänder sein, da es mehrere Schnitte und Ecken zu bedienen sein.
  9. Mit Hilfe eines Programms, schneiden die Teilchen mit dem I-Träger.
    1. Wählen Sie "Datei" und dann "Bild speichern Location", um ein Verzeichnis, in dem die Bilder gespeichert werden wählen.
    2. Abhängig von der individuellen Teilchen, wählen Sie die entsprechende Breite, length und Tiefe; wählen diese vollständig Mühle durch das gesamte Volumen des Partikels. Zusätzlich wählen Sie die Anzahl der Schichten, sowie die Anzahl der Schichten pro Bild. Diese Optionen können auf der Registerkarte "Scheibe" zu finden.
    3. Stellen Sie den Strahlstrom, indem Sie "Dienstprogramme" und dann "vorschlagen Strom". Hinweis: Dies ermöglicht das Programm die entsprechenden Strahlstrom zum Mahlen der Probe in einer angemessenen Zeit zu wählen, während Schutz vor Probenschäden.
    4. Klicken Sie auf "Show" und die Software wird eine visuelle Fräsen Raster, was Teil des Partikels wird gefräst werden zeigt, bereitzustellen; sicherzustellen, dass die Schleifgitter genau auf die Teilchen in dem Abschnitt, der zu fräsenden platziert.
    5. Nach jedem Schnitt ein hochwertiges Bild Elektronenstrahl nehmen für eine spätere Rekonstruktion. Um die entsprechenden E-Beam-Parameter auswählen, wählen Sie das Menü "Einstellungen" und wählen Sie "EBeam Image Scan-Parameter".
      Hinweis: Dadurch wird ein Raster gebenum die Auflösung zu wählen und Verweilzeit. Je höher die Verweilzeit, desto länger dauert es, um das Bild zu sammeln.
  10. Verwendung einer 3D-Rekonstruktion Softwarepaket zu rekonstruieren des Satzes von Bildern aus dem FIB / SEM gesammelt, wie zuvor beschrieben 25. Hinweis: Dies ergibt eine komplette 3D virtuelle Kopie des Teilchens, die dann verwendet werden, um Oberflächenkontakt, Porosität der einzelnen Teilchen, diffusive Schichtdicke, sowie zahlreiche andere nützliche Parameter berechnen.

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Representative Results

Um nanostrukturierten energetischen Verbundwerkstoffe herzustellen, wird eine Mischung aus gewünschten pulverförmigen Komponenten (typischerweise mikrometergroßen) mechanisch unter voreingestellten Mahlbedingungen behandelt. Bearbeitungszeit (in der Regel Minuten) genau gesteuert wird, die in der Zusammensetzung homogenisiert Nanokompositpartikel erzeugen, aber nicht erlauben die selbsterhaltende chemische Reaktion beim Fräsen zu initiieren.

Abbildung 1 und Video 1 zeigen, daß Kontaktfläche zwischen den Reaktionspartnern in Verbundteilchen steigt um Größenordnungen im Vergleich zu der Ausgangsmischung. Nach HEBM jede Komponente wird in der Matrix der anderen Komponente eingearbeitet. In den meisten Fällen sind die erhaltenen nanostrukturierten energetischen Verbundstoffe vollständig dicht mit hohem Kontaktbereich zwischen Reaktanten (Abbildung 2). Außerdem können die Reaktanten auf einer Skala von weniger als 100 nm gemischt werden. Es ist auch wichtig, dass Tuning HEBM Bedingungen ermöglicht regulatIonen des internen Mikrostruktur der Verbundwerkstoffe. Es ist in 2 zu sehen, dass unterschiedliche Mischungsgrade zwischen der Reaktant kann im gleichen System erfolgen. Außerdem bildet HEBM frisch (sauerstofffrei) Kontakte zwischen Reaktanden, Fig. 3 zeigt, daß HEBM die schützende Oxidschicht auf der Anfangsmetall (zB Al) Partikel effektiv entfernt. Dunkelfeld (DF) Bild der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Analyse, gekoppelt mit energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) in Ni / Al-Verbundpartikel deutlich, neue Grenzen zwischen den Reaktionspartnern, die sauerstofffrei sind.

Trotz Abstimmung der internen Mikrostruktur der Verbundteilchen ermöglicht HEBM die Regulierung der Größe der Teilchen. Beispielsweise könnte dies durch eine Änderung des Rotationsverhältnisses (k) des Sonnenrades (1.400 rpm) und Mahlgefäß (von 700 bis 1300 Umdrehungen pro Minute) erreicht werden. Video-Bildgebung zeigen, dass mehrere HEBM Regime auftretenje nach k-Verhältnis. Die Mischung von Kugeln und Pulver k ≤ 1,5 ist "gleitenden" auf der Oberfläche des Glases (Video 2). In 1,85 ≤ k <1,5 Intervall intensive Stöße von Kugeln nehmen Plätze (Video 3). Abbildung 4 zeigen, dass so unterschiedliche HEBM Regime die Größe der Partikel, dh grobe Partikel (100-150 um) wesentlich beeinflussen werden in der "gleitenden" gebildet Regime, während viele feine Partikel (10-50 um) konnte bei der Kollision Regime vorbereitet werden.

Zusammen mit der Herstellung des energetischen Verbundteilchen beschreibt das Protokoll ihrer Charakterisierungstechniken. Eine solche Vorgehensweise zeigt die wichtigsten Verbindungen zwischen Vorbereitung von Materialien, deren Mikrostruktur und Reaktivität von zusammengesetzten Teilchen. B. Detaillierte Gefügeuntersuchung von Ti / C-Verbundpartikel ergab than, nach 3 min der HEBM, einer kohlenstoffreichen Schicht zwischen den abgeflachten Titanschichten 11 gebildet durch die Kaltschweißen. TEM-Aufnahmen der Figur 5 zeigen, daß die Kohlenstoffschicht gleichmäßig verteilt Titan Nanopartikel und Titancarbid (TiC) Kerne enthält.

Temperatur-Zeit-Profile von Infrarot-Abbildungs ​​für Ti / C-Verbundpartikel sind in Abbildung 5C gezeigt .Die Teilchen wurden auf einer heißen Platte mit einer Temperatur von ca. 600 K. Ein Hochgeschwindigkeits Thermo-Vision-System platziert wurde verwendet, um die Zeit- überwachen Temperaturgeschichte des Teilchens. Die gewählte Temperaturmessbereich betrug 600-1200 K. Man kann sehen, daß die Materialien nach 2 min der mechanischen Bearbeitung kann nicht selbstgezündeten unter den untersuchten Bedingungen angesehen werden. Die Selbstentzündungstemperatur nach 3 min der HEBM etwa 600 K, und nach 5 und 7,5 min Behandlungs Tig deutlich unter 600 K. Es ist interessant, dass die Entzündungstemperatur wieder über 600 Kfür eine Mahldauer von 9 min. Dieser Effekt wird durch die Bildung einer Menge der TiC-Phase in dem Mahlgefäß erläutert. Es sollte angemerkt werden, dass die bei der Verbrennung eines herkömmlichen Ti + C Mischung bleibt die Mikrostruktur des Reaktionsmediums unverändert bei Auftreten einer flüssigen Metallphase (1.941 K) und die exotherme Reaktion initiiert bei ~ 2.000 K. Diese Ergebnisse zeigen, daß eine direkte Verbindung besteht zwischen dem während des HEBM und Zündtemperatur gebildeten Mikrostruktur. Bildung der innigen sauerstofffreien Kontakt zwischen Edukten und Produkt Kerne macht die Ti / C Verbundmaterialien äußerst reaktiv als die Zündtemperatur fällt von 2.000 bis 600 K. HEBM ebenfalls deutlich nach Eintauchen der Teilchen in ein beeinflusst die Zündungsverzögerungszeit, also die Zeit, Ofen und bis Reaktionsauslösung sowie Verbrennungsfrontausbreitungsgeschwindigkeit. Temperatur-Zeit-Profile in Figur 5C zeigt, daß die Zündungsverzögerungszeit mit einem Anstieg von ebenfalls abnimmtMahlzeit.

Es ist erwähnenswert, dass die Verbrennung von mechanisch hergestellten Verbund zeigt große Vorteile für die Synthese von nanostrukturierten Materialien. Bei der Verbrennung von herkömmlichen Medien, ist die Kontrolle über die Mikrostruktur des Produktes sehr schwierig. Zum Beispiel kann die Reaktionsanfangstemperatur herkömmlichen Ni + Al zusammenfällt mit der niedrigsten eutektische Temperatur des Systems (~ 910 K). Das während der Reaktion gebildete flüssige Phase signifikant ändert die Mikrostruktur der Ausgangsmischung (Abbildung 6). In der mechanisch hergestellten Verbundwerkstoffen, die Reaktionen unter die eutektische Temperatur des Systems, das vollständig eliminiert die Bildung von flüssigen Phasen, also eine echte Festkörper-Verbrennung, sogenannte feste Flamme erfolgt. Dies wird durch einen Ausbruch Reaktionstemperatur so niedrig wie 470 K nachgewiesen, während die niedrigsten eutektischen Temperatur in diesem System bei 910 K auftritt; dies bedeutet, dass eine signifikante con Version muss aufgrund eines rein Festkörperreaktion auftreten. Proben aus solchen Kompositteilchen hergestellt behalten ihre Form und Mikrostruktur (Figur 6).

Figur 1
Abbildung 1. Die Umwandlung der heterogenen reaktiven Medien Gefüge während einer Hochenergie-Kugelmahlen: Schematische Darstellung der Transformation von mikrometergroßen Teilchen der einzelnen Reaktionspartner, um eine geschichtete Verbundpartikel (A), und die Bildung der Ni / Al-Verbundpartikel unter Verwendung von HEBM von Nickel und Aluminium Reaktanden (B). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

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Abbildung 2. Tuning die Kontaktfläche zwischen der Reaktionspartner durch Variation HEBM Bedingungen für verschiedene Systeme. Ni / Al (A - C), Ti / C (D, E) und Ta / C (F) Bitte klicken Sie hier, um eine größere Ansicht Version dieser Figur.

Figur 3
Abbildung 3. Bildung von sauerstofffreien Kontakte zwischen den Reaktionspartnern: Schematische Darstellung (A), Hellfeld Bild eines Ni / Al Grenze von HEBM (B) gebildet und Energie Röntgenspektroskopie (EDS) Profile von Nickel, Aluminium und Sauerstoff (C). BitteKlicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

4
Abbildung 4. Herstellung von zusammengesetzten Teilchen mit verschiedenen Größen durch Abstimmen des Verhältnisses (k) des Sonnenrades und Fräsen jar Drehzahlen:. K ≤ 1,5 (A) und 1,8 ≤ k <1,5 (B) Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version zu sehen dieser Zahl.

Abbildung 5
Abbildung 5 Die Beziehung zwischen der Mikrostruktur und der Reaktivität der Verbundteilchen: Ein TEM-Bild von Ti / C-Verbundpartikel (A), hochauflösende TEM-Aufnahme der TiC-Nanopartikel (B (C) von Ti / C-Verbundpartikel verschiedenen Fräszeiten (2, 3, 5, 7,5, 9 min). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.

Figur 6
Abbildung 6. Synthese von Materialien mit vorgefertigten Mikrostruktur mit Hilfe der Verbrennung von nanostrukturierten Kompositpartikel:. Mikrostrukturen von NiAl intermetallische Verbindungen mit herkömmlichen Medien (A) und mechanisch hergestellte Verbundstoffpartikel (B) Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version davon zu sehen Figur.

Tabelle 1: Einige Merkmale von energetischen Materialien.

Video 1. "Slice and view" Abbildung eines Ni / Al-Verbundpartikel.

Video 2. "Sliding" Regime der HEBM bei k ≤ 1,5.

Video 3. Intensive Kollisionen von Kugeln in 1,85 ≤ k <1,5 Intervall.

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Discussion

Das Protokoll stellt eine ausführliche Beschreibung zur Herstellung von reaktiven energetischen (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) Nanokomposite maßgeschneiderte Mikrostruktur durch Verwendung des kurzfristigen HEBM Methode. HEBM der gasfreien heterogenen Gemische beinhalten deren Verarbeitung in einer Hochgeschwindigkeits-Planetenmühle, wobei die Partikel des Gemisches auf mechanische Einwirkung mit einer Kraft ausreicht, um Abbau von spröden Komponenten (zB Graphit) und die Verformung der Kunststoffkomponenten (zB Al unterworfen , Ti, Ta, Ni). Spröde Reaktanden zu feineren Teilchen vermahlen und können amorph zu werden, während Kunststoff Metalle, mehrere Verformungen und Kaltschweißen, Verbundwerkstoffe bilden Partikel unterzogen. Kleine Fragmente von spröden Komponenten oft im Inneren der Teilchen des Kunststoff Reaktanten gefunden. Feinabstimmung der HEBM Bedingungen erlauben die Kontrolle der Verbund Teilchengrößen und ihrer intrinsischen Mikrostruktur. Es sollte angemerkt werden, dass eine solche Kontrolle im Hinblick microstructure kann nicht in den meisten anderen Techniken, die derzeit zur Herstellung von nanostrukturierten energetischen Verbundwerkstoffe zur Verfügung erreicht werden. Somit ist die Energie mechanisch hergestellt energetischen Komposite Freigabe könnte gerade durch ihre Mikrostruktur durch eine Feinabstimmung der HEBM Bedingungen gesteuert werden.

Die einzigartigen HEBM Bedingungen erlauben es auch, die metastabilen Nicht-Gleichgewichtsübersättigte Lösungen, die Reaktionen zu ermöglichen, bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als herkömmliche Pulvermischungen auftreten herzustellen. Ferner wird in einigen Fällen die Reaktionen unter die eutektische Temperatur des Systems, das vollständig eliminiert die Bildung von flüssigen Phasen. Proben aus solchen Kompositteilchen hergestellt behalten ihre Form und Mikrostruktur.

Eine Verwendung HEBM ist in der Herstellung von hochreaktiven, energiegeladen Nanokomposite. Dieser Prozess ist einfach, sehr wirtschaftlich und einfach skaliert. Es gibt zwei große Probleme mit diesem Verfahren jedoch. Die erste ist,Sicherheitsfragen; Dieser Prozess schafft Nanocomposites, die hoch reaktiv sind, und als solche muss der Bediener alle Sicherheitsverfahren folgen. Dazu gehören allgemeine Sicherheitsmaßnahmen im Zusammenhang mit dem Betrieb der Maschine selbst und weitere besondere Sicherheitsvorkehrungen in Bezug auf die Verbindungen ausgelastet. Wegen des stark reaktiven Beschaffenheit dieser Nanocomposites; eine begrenzte Menge des Materials erzeugt werden soll, bis das Wissen über die Sicherheit des spezifischen Systems ermittelt wird. Schließlich können Verunreinigungen in Bezug auf das Gefäß eingeführt werden. Dies kann zu einer einfachen Kontamination oder sogar unerwünschte Nebenreaktionen führen. Drittens Herstellung von porenfreien Verbundstoffen (zB Beschichtungen, Filme) ist schwierig und erfordert zusätzliche Schritte (Kaltspritzen oder Walzen) 26.

Das Protokoll sieht auch ausführliche Informationen über die Charakterisierung der mechanisch hergestellten nanostrukturierten energetischen Verbundwerkstoffen. Die Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Infrarot-Techniken einllows für die genaue räumliche (2 um), thermisch (5 K), und zeitlicher Auflösung (15.000 fps). Dies ermöglicht eine genaue Charakterisierung der Verbundpartikel, einschließlich ihrer Zeit-Temperatur-Verlauf, Zündtemperatur, Verzögerungszeit und der Ausbreitungsgeschwindigkeit.

Das Protokoll ist eine wichtige Führung für die Herstellung verschiedener energetischer Nanomaterialien (gasless), die entweder eine hohe Energiedichte Quellen oder zur Synthese und Verarbeitung von erweiterten Nanomaterialien durch Verbrennung basierte Ansätze verwendet werden konnte. Es kann leicht modifiziert werden, um Thermit-Systeme und andere energiereiche Materialien wie beispielsweise Metall-Polymer-Verbundwerkstoffe aufzubringen.

Kritische Schritte innerhalb des Protokolls sind zunächst die Herstellung der Nanokomposite, beginnend mit dem Gewicht von der Pulver und der Auswahl der geeigneten Ladungs-Verhältnis. Darüber hinaus ist es von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass die innere Atmosphäre des Glas ist inert durch Ar Spülung. Auswahl des KugelMahlparameter, einschließlich der Drehzahl und die Gesamtwalzzeit sind für das Herstellen der Mikrostruktur notwendig. Schließlich ist die Exposition, Sammlung und Klassifizierung des Pulvers mit einem sicheren Verfahren sind wichtig, damit das Experiment ist ruiniert. Herstellung der Pulver für die Erprobung durch Drücken ermittelt die Daten, die gesammelt werden können, gefolgt von genaue Analyse der Daten. Verwendung des FIB S & V-Programm, um einen 3D-Datensatz für die Analyse ist auch von Bedeutung, zu erzeugen.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Materials

Mole gas pro 100 g veröffentlicht Energiedichten pro Volumen, kJ / cm 3 Zündtemperatur, K
Trinitrotoluol (TNT) 8,36 -7,22 510
Termiten
2Al + 3CuO 0.54 -20,8 900-1100
2Al + Fe 2 O 3 0,14 -16,4
2Al + Bi 2 O 3 0.47 -15,2
Gaslose Systeme
Al + Ni 0 -7,13 910/520
Ta + C 0 -10,9 3000/1500
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

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References

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Vorbereitung und Reaktivität von Gaslose Nanostrukturierte Energetische Materialien
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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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