Waiting
Login processing...

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

Engineering

Подготовка и реактивность безгазовых наноструктурных энергетических материалов

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

Этот протокол описывает получение безгазовых наноструктурированных энергетических материалов (Ni + Al, Ta + C, Ti + C), используя краткосрочные высокой энергии в шаровой мельнице (HEBM) технику. Он также описывает высокоскоростной тепловизионного метода для изучения реакционной способности механически изготовленных нанокомпозитов. Эти протоколы могут быть распространены на другие реактивные наноструктурированных энергетических материалов.

Abstract

Высоких энергий в шаровой мельнице (HEBM) является фрезерные процесс шарика, где порошковую смесь помещают в шаровой мельнице, подвергают высокой энергии столкновений с шариками. Среди других приложений, это универсальный метод, который позволяет для эффективного получения без газа реактивными наноструктурных материалов с высокой плотностью энергии на единицу объема (Ni + Al, Ta + C, Ti + C). Структурные преобразования реактивной массовой информации, которые происходят во время HEBM, определить механизм реакции в полученных энергетических композитов. Изменение условий обработки позволяет произвести тонкую настройку фрезерных-индуцированной микроструктур изготовленных составных частиц. В свою очередь, реактивности, т.е. температура самовоспламенения, время задержки воспламенения, а также кинетика реакции, из плотности материалов высокой энергии зависит от его микроструктуры. Анализ фрезерных индуцированных микроструктуры показывает, что образование свежей тесных контактов с высокой площадью поверхности бескислородных между реагентами яš ответственность за повышение их реактивности. Это проявляется в снижении температуры воспламенения и время задержки, увеличение скорости химической реакции, и с общим уменьшением эффективной энергии активации реакции. Протокол содержит подробное описание по подготовке активных нанокомпозитов с заданными микроструктурой, используя краткосрочные метод HEBM. Он также описывает высокоскоростной технику тепловизионная для определения характеристик зажигания / сгорания энергетических материалов. Протокол может быть адаптирован к подготовке и характеризации различных наноструктурированных энергетических композитов.

Introduction

Классические энергетические материалы, то есть, взрывчатые вещества, ракетное топливо и пиротехнические представляют собой класс материалов с высоким содержанием химической энергии, хранящейся, которые могут быть выпущен в течение быстрой экзотермической реакции 1-5. Например, взрывчатые вещества, как правило, генерируется путем объединения топлива и окислителя группы в одна молекула. Плотность энергии этих материалов является очень высокой. Например, при разложении тринитротолуола (TNT) выпускает 7,22 кДж / см 3, и образует 8,36 молей газов на 100 г (таблица 1) в течение очень короткого периода времени. Эти материалы состоят из микронных органических и неорганических соединений (топлив и окислителей).

Thermite системы, в которых протекают реакции между неорганическим соединением, т.е., снижение металлы (например, Al) и оксидов (Fe 2 O 3, CuO, Bi 2 O 3), относятся к другому типу энергетических материалов. Плотность энергии(15-21 кДж / см 3) таких систем превышает TNT, однако количество газообразных продуктов (0.15-0.6 моль на 100 г), как правило, значительно меньше, чем на наличие взрывчатых веществ (Таблица 1). Кроме того, нано-термиты могут показать очень высокую скорость распространения волны горения (> 1000 м / сек) 2 -5.

Недавно было показано, что 6-12 число без газа гетерогенных реагирующих систем (Ni + Al, Ti + C, Ti + B), которые образуют интерметаллические или тугоплавкие соединения также можно рассматривать как энергетических материалов. Плотности энергии (кДж / см 3) этих систем ближе или выше, чем у тротила (таблица 1). В то же время, отсутствие газообразных продуктов в ходе реакции делает такие материалы отличные кандидатов для различных применений, включая синтез наноматериалов, реактивной связи из огнеупорного материала и разнородных частей, без газа микро генераторам и т.д. 11-17. Тем не менее, отнтельно высокая температура воспламенения этих систем (900-3,000 К, см таблицу 1) по сравнению с термиты (~ 1000 К) препятствует их применения. Подготовка инженерных наноструктурированных композитов может существенно повысить воспламенение и горение характеристики безгазовых гетерогенных систем 12-14, 17.

Многие методы были разработаны для изготовления конструктивных энергетические нанокомпозитов, таких как ультразвуковая смешивания 18,19, самосборка подходы 5, золь-гель 20-22 пар методы осаждения 16,17,23,24, а также высоких энергий шаровой мельнице (HEBM) 1,5. Недостатком ультразвукового смешивания нанопорошка в том, что толстый (5-10 нм) оксида оболочки на металлических наночастиц уменьшает плотность энергии и снижает эффективность сгорания реактивных смесей. Кроме того, распределение топлива и окислителя не является равномерным, а межфазное контакт между реагентами не близкими. Соль-гельD стратегии для самостоятельной сборки были разработаны для подготовки конкретных термитных нанокомпозитов. Несмотря на то, приемы недорогие, эти стратегии не являются зеленый с экологической точки зрения. Кроме того, большое количество примесей, вводят в приготовленных композитов. Осаждения из паровой или магнетронного распыления используется для подготовки реактивные фольги многослойных и ядро-оболочка энергетических материалов. Она обеспечивает беспористую четко определены геометрию композитов, что упрощает теоретическое моделирование и повышает точность. Тем не менее, эта технология является дорогостоящей и трудно расширить. Кроме того, приготовленных слоистых нанокомпозитов нестабильны в определенных условиях.

High-Energy в шаровой мельнице (HEBM) является экологически чистым, легко масштабируемый подход, что позволяет эффективно изготовление наноструктурных энергетических композитов 5, 9 -14. HEBM недорог и может быть использован с различными реактивного материала композиций (например,rmites, реакции, которые образуют интерметаллические, карбиды, бориды и т.д.).

Протокол содержит подробное описание для приготовления активных энергичных (Ni + Al, Ti + C, Ta + C) нанокомпозитов с заданными микроструктурой, используя краткосрочные метод HEBM. Он также описывает высокоскоростной технику тепловизионная для определения характеристик зажигания / сгорания как быстровозводимых энергетических материалов. Наконец он показывает анализ микроструктуры нанокомпозитов с использованием поля излучения сканирующего электронного микроскопа (FESEM), оборудованный сфокусированным ионным пучком (FIB). Протокол является важным руководством для приготовления различных энергетических наноматериалов (без газа и термитных систем), которые могут быть использованы в качестве источников плотности либо высокой энергии или для синтеза и обработки современных наноматериалов по подходы на основе сгорания.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Высокая энергия шаровой мельнице

  1. Подготовка 35 г исходного 1: 1 мольное отношение Ni + Al смеси. В этом случае, вес 11,02 г Al и 23,98 г порошка Ni.
  2. Используйте стальных мелющих банку для HEBM этой системы. Убедитесь, что сосуд имеет более высокую твердость, чем порошки, которые будут добавлены, в противном случае порошки могут повредить банку и загрязнения будут возникать. Примечание: Типичные варианты банок включает сталь, оксид циркония, или карбида вольфрама.
  3. Используйте 5: 1 мяч: порошок (отношение заряда) для этой системы, то есть, 175 г 10 мм стальными шариками. Убедитесь, что шарики выполнены из того же материала, что и банку иным либо шарики или баночка будет поврежден.
    Примечание: удельный заряд определяет интенсивность взаимодействия между порошком и фрезерных агентов.
  4. Добавить яйца и порошки в банку.
  5. Уплотнение банку и насос атмосферного газа из банки с помощью механического насоса и продувки аргоном. Провести четыре цикла наполнения и продувки Ar газа(Это гарантирует, что нет кислорода, оставшийся в банке). Наконец, заполните банку с газом аргоном чуть выше (0,13 МПа) атмосферного давления.
  6. Вставьте банку в планетарной шаровой мельнице.
  7. Выберите 650 оборот в минуту (RPM) для скорости вращения банку и 1400 оборотов в минуту для внутреннего вращения (ВС колесо).
    Примечание: В некоторых случаях, отношение вращения (к) сумма колеса (1400 оборотов в минуту) и фрезерной банку (от 700 до 1300 оборотов в минуту) варьировалась, чтобы регулировать микроструктуру композитных частиц.
  8. Запустите процедуру HEBM в течение 15 мин. Примечание: Системы имеют критическое время, которое, для указанных условий, равняется 17 мин. Существует ограниченное количество фрезерования, которые могут быть проведены на системе, прежде чем реакция происходит в банке. Если HEBM проводится дольше, чем критическое время, реакция будет происходить в шаровые мельницы банку, разрушая эксперимент.
  9. После завершения времени измельчения, охладить банку до комнатной температуры, а затем переместите банку в вытяжном шкафу.
    1. Vent банку, чтобы удалить избыточное давление газа из начальной давления и возможного газа, выделяющегося при фрезерования.
    2. Снимите крышку с баночки под вытяжкой. Будьте осторожны при открытии банку, как порошок образуется очень реактивным. Откройте банку носить жаропрочных перчатки и защитные очки.
    3. Перед сбором порошок, подвергать его воздействию воздуха в течение по крайней мере 5 мин для "пассивации".
      Примечание: Это предотвращает спонтанную реакцию, которая может возникнуть при обращении с смеси.

2. Реакционная Характеристика энергетических материалов

  1. Сбор порошка из кувшина. Не используйте металлического шпателя для этой процедуры.
    1. Если классификация и разделение частиц желательно, используют сита. Чтобы гарантировать, что надлежащее разделение будет сделано, использовать просеивающей машины в течение длительного периода времени (12+ ч). Оцените порошок в различных бункеров размера (под 10 мкм, 10-20 мкм, 20-53 мкм,Бове 53 мкм). С этого момента, используйте размеров частиц 20-53 мкм.
  2. Пресс просеянной порошки в гранулы с помощью одноосного пресса установлен в 1100 кг на 5 мм из нержавеющей стали пресс-штампа (1360 МПа) в течение времени выдержки, равного 2,0 мин. Запишите высоту (H) и диаметром (D) гранулы с помощью микрометра. Запишите вес образца (м) со шкалой. Отсюда, определить плотность гранул. Рассчитать плотность процентов теоретическое максимальное (TMD%) по следующей формуле:
    Уравнение 1
    где Al, Ni - атом вес Al и Ni; ρ Аль и ρ Ni - плотность алюминия и никеля. Предположим, что стехиометрическое соотношение порошков сохраняет соотношение исходных порошков, добавленных.
    1. Если цилиндрический осадок используется для определения скорости распространения фронта горения и температурный профиль в реакции спереди,убедитесь, что он достаточно высок, определяется соотношением между высотой и диаметром, который должен быть ≥2 (например, d = 5 мм; ч ≥ 10 мм).
    2. Если осадок используется для определения параметров зажигания, используйте тонкий диск (например, диаметр = 5 мм, толщина = 1 мм).
  3. Чтобы определить характеристики горения, поместите образец на графитовой пластины.
  4. Сделать витым проводом вольфрама к переменной трансформатора.
  5. Поместите катушку W таким образом, что спиральный участок проволоки лежит на верхней части осадка. Если реактивная система чувствительный к кислороду, этого в реакционную камеру бескислородной, в противном случае проводить реакцию в открытом воздухе.
  6. Для того, чтобы определить скорость волны горения, используйте запись с высокоскоростной камерой. Положение и сосредоточиться на высокой скорости тепловизионной камеры на тестируемом образце и начать запись. Это позволит точную температуру и скорость горения информации, которая будет собрана.
  7. Для получения требуемых параметров процесса сгорания, проводить кадр за кадром анализа записанной ИК фильма.
    1. Участок положение фронта реакции в зависимости от времени распространения. Получите среднюю скорость горения из наклона кривой.
    2. Участок изменения температуры в месте в середине образца. Используйте полученную диаграмму, чтобы получить информацию о времени температура профиль волны реакции.
  8. Чтобы определить характеристики воспламенения (зажигания температура и задержки воспламенения времени) положить тонкий диск на горячей плите, предварительно нагретую до требуемой температуры (например, 800 K). Следует отметить, что точные значения, полученные из этого эксперимента будет существенно отличаться, если какие-либо параметры изменяются, являются ли они размер гранул, температура плиты или TMD. Этот анализ является полезным для ОПРЕДЕЛЕНИЕион тенденций.
    1. Для того, чтобы определить параметры зажигания использовать высокоскоростной камеры. Положение и сосредоточиться на высокой скорости тепловизионной камеры на площади, где образец будет помещен на горячей плите и начать запись.
      Примечание: Это позволит точную информацию о температуре в процессе.
      1. Если реакция является чувствительный к кислороду, выполнить это в свободное реакционной камере кислорода. ВАЖНО: Запустите этот эксперимент несколько раз, чтобы получить хорошую статистическую набор данных.
    2. Поместите таблетку в зону фокуса. Сделайте это таким образом, что частицы можно было увидеть на каждом кадре - важно, чтобы увидеть первый кадр, который осадок прикасается горячей плиты.
    3. Для получения желаемых параметров зажигания, проводить кадр за кадром анализа записанной ИК фильма.
    4. Для определения времени задержки воспламенения, определения времени между первым кадром, когда осадок касается поверхности конфорки, чтобы начала реакции. Для определения температуры воспламенения, построить самую высокую температуру пятно на частицы. Когда временной профиль температуры переключается от температурного профиля подогрева того теплового взрывном режиме, точка перегиба соответствует температуру воспламенения.

3. Микроструктура анализ с помощью поля излучения сканирующего электронного микроскопа (FESEM), оборудованных Фокус ионного пучка (FIB)

  1. Приостановка 0,1 г изготовленных частиц в 10 мл этанола и депозита одну каплю суспензии на поверхность сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) держатель образца.
  2. Сушат держатель образца при 90 ° С в течение 5 мин.
  3. Вставьте образец в двойной луч FIB системы / SEM.
  4. Провести очистку образца плазмы в течение 5 мин. Примечание: Это уменьшает количество повреждений, которые образец будет испытывать от воздействия электронного пучка (E-луч).
  5. Включите электронным пучком (5 кВ, 3,5 нА) и сосредоточиться на одной частицы. Ссылка тон г-высота рабочей дистанции, затем поднимите образца до eucentric высоте.
  6. Использование электронно-лучевой с введением газовой иглы, депозиты первичного слоя платины (70 нм) на образец, чтобы защитить от деградации от использования галлия ионно-лучевого (I-балки).
  7. Наклоните образца до 52 °, а затем включите двутавровой балки. Использование двутавровой балки (5 кВ, 0,28 NA), опять же с закачки газа иглы, депозиты дополнительный слой платины (0,5 мкм) на образец для защиты.
  8. Вырезать фидуциарных следы на образце. Мельница частиц в прямоугольной форме. Это значительно увеличивает вероятность того, что будет адекватным доверенное лицо, так как будет несколько порезов и углы для использования.
  9. С помощью программы, нарежьте частицы с I-балки.
    1. Выберите "Файл", затем "сохранения изображения места», чтобы выбрать директорию, где будут сохранены картинки.
    2. В зависимости от отдельной частицы, выберите соответствующий ширину, ЛенГТГ, и глубины; выбор них полностью мельницы по всему объему частицы. Кроме того, выбрать количество срезов, а также количество ломтиков в изображении. Эти параметры можно найти на вкладке «Разрез».
    3. Установите ток пучка, выбрав пункт "Утилиты", затем "Предлагать токов». Примечание: Это позволит программе выберите соответствующий ток пучка на мельницу образец в разумное время, охраняя от повреждений образца.
    4. Нажмите кнопку "Показать" и программное обеспечение будет обеспечить визуальный фрезерный сетку, которая показывает, как будет измельчают часть частицы; гарантировать, что измельчение сетки точно помещается на частицы в части, которая должна быть измельчен.
    5. После каждого среза принимать высококачественные электронно-лучевой изображения для последующего восстановления. Чтобы выбрать соответствующие параметры электронного пучка, выберите в меню "Setup" и выберите "EBeam отсканированное изображение Параметры".
      Примечание: Это даст сеткудля выбора разрешения и времени выдержки. Выше время задержки, тем больше времени требуется, чтобы собрать изображение.
  10. Использование 3D-пакета программного обеспечения реконструкция, реконструкция набор изображений, собранных из FIB / SEM, как описано выше 25. Примечание: Это дает полное 3D виртуальную копию частицы, которые затем могут быть использованы для вычисления площади поверхности контакта, пористость отдельных частиц, толщина слоя диффузионного, а также множество других полезных параметров.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Для приготовления наноструктурированных энергетические композиты, смесь требуемых порошкообразных компонентов (обычно мкм-размера) механически обрабатывают в заданных условиях фрезерования. Время обработки (обычно минут) точно управляется, чтобы формировать композиционно гомогенизированные частицы нанокомпозитных но не позволяя самоподдерживающейся химической реакции возбуждать в течение фрезерования.

На рисунке 1 и видео 1, показывают, что площадь поверхности контакта между реагентами в композитных частиц увеличивается на порядки по сравнению с исходной смеси. После HEBM каждый компонент включены в матрице другого компонента. В большинстве случаев, получены энергетические наноструктурные композиты полностью плотной с высокой площади контакта между реагентами (рисунок 2). Кроме того, реагенты можно смешивать по шкале от менее 100 нм. Важно также, что условия тюнинг HEBM позволяет регламентациюион внутренней микроструктуры композитов. Как видно на фиг.2, что различные степени смешения реагента может быть достигнуто в той же системе. Кроме того, HEBM формирует новые контакты (бескислородных) между реагентами. Рисунок 3 показывает, что HEBM эффективно удаляет защитный слой оксида на начальном металлов (например, Al) частиц. Темные поля (DF) изображение анализа просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) в сочетании с энергетической дисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDX) в Ni / Al композиционных частиц ясно показывают новые границы между реагентами, которые бескислородной.

Несмотря настройки внутренней микроструктуры композитных частиц HEBM обеспечивает регулирование размера частиц. Например, это может быть достигнуто путем изменения соотношения вращения (к) шестерни (1400 оборотов в минуту) и фрезерования банку (с 700 до 1300 оборотов в минуту). Изображения Видео показывают, что может произойти несколько режимов HEBMв зависимости от соотношения K. Смесь шариков и порошка к ≤ 1,5 в "скользящий" на поверхности банке (Видео 2). В 1,85 ≤ K <1,5 интервала интенсивные столкновения шаров занять места (ВИДЕО 3). Рисунок 4 показывает, что такие разные режимы HEBM значительно влияют на размеры частиц, т.е., крупных частиц (100-150 мкм) образуются в "скользящий" Режим, в то время как многие мелкие частицы (10-50 мкм) может быть получена в режиме столкновений.

Наряду с подготовкой энергетических составных частиц, протокол описывает свои методы характеризации. Такой подход раскрывает важные связи между подготовкой материалов, их микроструктуры и реактивности композитных частиц. Например, детальная Микроструктурное исследование Ti / C составных частиц показало, ена, через 3 мин HEBM, слой богатых углеродом, образованного между плоскими слоями титана 11 из-за холодной сварки. ПЭМ-изображения на рисунке 5, показывают, что слой углерода содержит равномерно распределенные титана наночастиц и карбида титана (TiC) ядра.

Температурные профили-времени, записанные с помощью инфракрасной съемки для Ti / C составных частиц показаны на рис 5C .The частиц были размещены на горячей плите при температуре высокоскоростная система ~ 600 К. термо-Vision был использован для контроля временных История температура частицы. Выбранный диапазон измерения температуры был 600-1200 К. Видно, что материалы, через 2 мин механической обработки, не может быть само-воспламеняться при исследованных условиях. Температура самовоспламенения после 3 мин HEBM составляет около 600 К, а после 5 и 7,5 мин лечения Тиг ниже 600 К. Интересно, что температура воспламенения снова выше 600 Кдля фрезерования время 9 мин. Этот эффект объясняется образованием на величину ской фазы во фрезерном банку. Следует отметить, что, что при сжигании в обычных Ti + C смеси, микроструктура реакционной среды остается неизменной при появлении жидкой фазы металла (1941 К) и экзотермической реакции инициирует при ~ 2000 К. Эти результаты показывают, что Прямая связь существует между микроструктурой, образованной при температуре HEBM и зажигания. Формирование интимных бескислородных контактов между реагентами и ядер-продуктов делает композиты Ti / C чрезвычайно химически, как температура воспламенения снижается с 2000 до 600 К. HEBM также существенно влияет на время задержки зажигания, т.е. время, после погружения частицы в Печь и до начала реакции, а также скорости распространения фронта горения. Температурно-временных профилей на рисунке 5С показывает, что время задержки воспламенения уменьшается с увеличениемфрезерный время.

Стоит отметить, что сжигание механически сфабрикованного композита показывает большие преимущества для синтеза наноструктурированных материалов. При сгорании обычных средств массовой информации, контроль за микроструктуры продукта чрезвычайно трудно. Например, температура реакции начало обычного Ni + Al совпадает с самой низкой температуре эвтектической системы (~ 910 K). Жидкая фаза образуется в течение реакции существенно изменяется микроструктура исходной смеси (фиг.6). В механически изготовленных композитов, реакции протекают ниже эвтектической температуре системы, что полностью исключает образование жидких фаз, т.е. истинно твердотельных сгорания, так называемой твердой пламени, происходит. Об этом свидетельствует в температура начала реакции столь низкой, как 470 К, в то время как низкая температура эвтектической в ​​этой системе происходит при 910 К; это означает, что в значительной Con версия должна произойти из-за чисто твердофазной реакции. Образцы, полученные от таких композитных частиц сохраняют свою форму и микроструктуру (рисунок 6).

Фигура 1
Рисунок 1. Превращение гетерогенной микроструктурой реактивной медиа во высоких энергий в шаровой мельнице: Схематическое представление преобразования размера частиц микрометра отдельных реагентов к слоистых композитных частиц (А), и формирование Ni / Al композитных частиц с помощью HEBM никеля и алюминия реагентов (B). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

fig2.jpg "/>
Рисунок 2. Настройка площадь контакта между реагентами, изменяя HEBM условия для различных систем:. Ni / Al (- C), Ti / C (D, E) и Ta / C (F) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть больше версия этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3. Формирование бескислородной контактов между реагентами: Схематическое представление (), яркий поля изображения границе Ni / Al, образованной HEBM (б) и энергии рентгеновской спектроскопии (EDS) Профили никеля, алюминия и кислорода (С). Пожалуйста,Нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой цифры.

Рисунок 4
Рисунок 4. Подготовка составных частиц с различными размерами, настраивая соотношение (к) вс колеса и скорости вращения фрезерной архива:. К ≤ 1,5 (А) и 1,8 ≤ K <1,5 (B) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию из этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5. Соотношение между микроструктуры и реакционной способности композитных частиц: с помощью ТЭМ изображении Ti / C составной частицы (А), с высокой разрешающей способностью ТЭМ изображении наночастиц TiC (В (с) Ti / C составных частиц разное время фрезерования (2, 3, 5, 7.5, 9 мин). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 6
Рисунок 6. Синтез материалов с заранее разработанных микроструктуры с помощью сжигания наноструктурированных композитных частиц:. Микроструктуры NiAl интерметаллидов с использованием традиционных средств массовой информации (А) и механически изготовленные составные частицы (B) Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенное фигура.

Таблица 1. Некоторые характеристики энергетических материалов.

Видео 1. "Часть и вид" изображения из Ni / Al составной частицы.

Видео 2. "Раздвижные" режим HEBM при к ≤ 1,5.

Видео 3. Интенсивные столкновения шаров в 1,85 ≤ K <1,5 интервала.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Протокол содержит подробное описание для приготовления активных энергичных (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) нанокомпозитов с заданными микроструктурой, используя краткосрочные метод HEBM. HEBM безгазовых гетерогенных смесей включают их обработку в высокоскоростной планетарной шаровой мельнице, где частицы смеси подвергаются механическому воздействию с силой, достаточной для пробоя хрупких компонентов (например, графита) и деформации пластиковых компонентов (например, Al , Ti, Та, никель). Хрупкие реагенты измельчают до более мелких частиц и может стать аморфным, в то время как пластиковые металлы подвергают нескольким деформаций и холодной сварки, образуя композитов частиц. Небольшие фрагменты хрупких компонентов часто встречаются внутри частиц пластиковых реагентов. Точная настройка условий HEBM предназначены для управления композитных размеров частиц и их внутренней микроструктуры. Следует отметить, что такой степени контроля в microstructurе не могут быть достигнуты в большинстве других методов в настоящее время для получения наноструктурированных энергетических композитов. Таким образом, энергия, выделяемая в механически изготовленных энергетических композитов может быть точно контролируется их микроструктуры с помощью тонкой настройки условий HEBM.

Уникальные условия HEBM также позволяют получать метастабильные неравновесных пересыщенных растворов, которые позволяют реакции происходят при значительно более низких температурах, чем обычные порошковых смесей. Кроме того, в некоторых случаях эти реакции протекают ниже эвтектической температуре системы, что полностью исключает образование жидких фаз. Образцы, полученные из таких композитных частиц сохраняют свою форму и микроструктуру.

Один из вариантов использования HEBM находится в производстве высоко химически активных, энергичных нанокомпозитов. Этот процесс прост, высокой экономичностью и легко масштабировать. Есть две основные проблемы в этом процессе, однако. Во-первых,вопросы безопасности; Этот процесс создает нанокомпозитов, которые очень реактивные, и, таким образом, оператор должен соблюдать все правила техники безопасности. Это включает в себя общие правила техники безопасности, относящиеся к эксплуатации самой машины и более конкретных процедур безопасности, связанным с эти соединения используются. Из-за высокой реакционной способности этих нанокомпозитов; ограниченное количество этого материала должно быть произведено до знания о безопасности конкретной системы не установлено. Наконец, примеси, связанные с судна может быть введен. Это может привести к загрязнению простой или даже нежелательных побочных реакций. В-третьих, подготовка пор без композитов (например, покрытия, пленки) является сложным и требует дополнительных шагов (холодный распыления или прокатки) 26.

Протокол также предусматривает подробную информацию о характеристике механически изготовлены наноструктурированных энергетических композитов. Использование высокоскоростной инфракрасной техники аllows для точного пространственного (2 мкм), теплового (5 К), и временным разрешением (15000 кадров в секунду). Это позволяет точную характеристику композитных частиц, в том числе их истории времени температуры, температуры воспламенения, время задержки и скорости распространения.

Протокол является важным руководством для приготовления различных энергетических наноматериалов (без газа), которые могут быть использованы в качестве источников плотности либо высокой энергии или для синтеза и обработки современных наноматериалов по подходы на основе сгорания. Это может быть легко модифицирован для применения к термитных систем и других энергетических материалов, таких как металл-полимерных композитов.

Основные этапы в протоколе включают первоначальную подготовку нанокомпозитов, начиная с взвешивания порошков и выбор соответствующего соотношения заряда. Кроме того, она имеет ключевое значение для того, чтобы внутренняя атмосфера в банке является инертным по Ar продувки. Отбор мячаПараметры фрезерные, в том числе скорости вращения и общее время фрезерования необходимо для пошива микроструктуру. Наконец, экспозиции, коллекции, а также классификация порошка с безопасной процедурой важны, чтобы эксперимент разрушена. Получение порошков для экспериментов, нажав определяет данные, которые могут быть собраны, а затем с помощью точного анализа данных. Использование программы FIB S & V, чтобы создать 3D набор данных для анализа также важно.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Materials

Мол гаы выпущен на 100 г Плотность энергии в единице объема, кДж / см 3 Температура воспламенения, K
Тринитротолуол (TNT) 8,36 -7,22 510
Термиты
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
Безгазовых системы
Al + Ni 0 -7,13 910/520
Та + 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

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

Инженерные выпуск 98 реактивные композиты энергетических материалов высоких энергий в шаровой мельнице безгазовую сгорания зажигание реактивность аксессуаров
Подготовка и реактивность безгазовых наноструктурных энергетических материалов
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