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Chemistry

Nanothermit mit Baiser-ähnliche Morphologie: aus losen Puder auf Ultra-poröse Objekte

Published: December 24, 2017 doi: 10.3791/56479
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1NS3E Laboratory, UMR 3208 ISL-CNRS-UNISTRA, French-German Research Institute of Saint-Louis (ISL)

Summary

Dieses Manuskript beschreibt die Synthese von brennbaren Aluminophosphate Matrizen durch die Reaktion der Orthophosphorsäure Säure (H3PO4) mit Aluminium Nanopowder. Wenn diese Reaktion mit überschüssige Aluminium im Beisein von Wolfram Trioxid Nanopowder durchgeführt wird, führt dies zu einem festen, porösen Nanothermit-Schaum.

Abstract

Das Ziel des Protokolls, die in diesem Artikel beschriebenen soll aluminothermischen Kompositionen (Nanothermites) vorbereiten, in Form von porösen, monolithische Objekte. Nanothermites sind brennbare Materialien bestehend aus anorganischen Kraftstoff und ein Oxidationsmittel. Nanothermit Schäume ist Aluminium der Kraftstoff- und Aluminium Phosphat und Wolfram Trioxid sind oxidierende Moieties. Die höchste Flamme Ausbreitung Geschwindigkeiten (FPVs) in Nanothermites sind in loser Puder beobachtet und FPVs werden stark durch Granulierung Nanothermit Pulver verringert. Aus physikalischer Sicht sind Nanothermit loser Puder metastabile Systeme. Ihre Eigenschaften können durch unbeabsichtigte Verdichtung induziert durch Stöße oder Vibrationen oder durch die Trennung von Partikeln im Laufe der Zeit durch Absetzen Phänomene, stammt aus der Dichteunterschiede der Komponenten verändert werden. Aus einem Pulver auf ein Objekt bewegen, ist die Herausforderung, die überwunden werden muss, um Nanothermites in pyrotechnische Systeme zu integrieren. Nanothermit Objekte müssen eine hohe offene Porosität und gute mechanische Festigkeit haben. Nanothermit Schäume erfüllen beide Kriterien, und sie werden durch Dispergieren eine Nanogrösse aluminothermischen Mischung (Al/WO3) in Orthophosphorsäure Säure vorbereitet. Die Reaktion von Aluminium mit der sauren Lösung gibt die AlPO4 "Zement" in welche Al und WO3 Nanopartikel eingebettet sind. Aluminium-Phosphat spielt in Nanothermit Schäume die Doppelrolle von Bindemittel und Oxidationsmittel. Diese Methode kann mit Wolfram Trioxid verwendet werden, die nicht von der Vorbereitungsprozess geändert wird. Es könnte wahrscheinlich auf einige Oxide ausgedehnt werden, die häufig für die Herstellung von Hochleistungs-Nanothermites verwendet werden. WO3-basierte Nanothermit-Schaumstoffe, die in diesem Artikel beschriebenen sind besonders unempfindlich gegenüber Auswirkungen und Reibung, wodurch sie weit sicherer zu handhaben als loses Al/WO3 Pulver. Die schnelle Verbrennung dieser Materialien hat interessante Anwendungen in pyrotechnische Zünder. Ihre Verwendung in Sprengkapseln als Primer müsste die Aufnahme von einem sekundären Sprengstoff in ihrer Zusammensetzung.

Introduction

Dieser Artikel berichtet über eine Methode zur Umwandlung Nanogrösse aluminothermischen Mischungen (Al/WO3) aus einem losen Puder Zustand Schäume1. Nanothermites sind schnell brennen energische Kompositionen, die am häufigsten durch die physische Vermischung von metallischen Oxid/Salz mit einem reduzierenden Metall, in Form von Nanopulver2hergestellt werden. Die repräsentativsten Oxide benutzt, um Nanothermites vorzubereiten sind Cr2O33,4, Fe2O35, MnO26, WO37, MoO38 , CuO9 und Bi2O310,11, während die metallischen Salze verwendet werden Perchlorate12,13iodates14,15, periodates16,17 oder Persulfate18Sulfate. Aluminium-Nanopowder ist die beste Wahl als Brennstoff für Nanothermites aufgrund ihrer zahlreichen wünschenswerten Eigenschaften wie eine hohe Oxidation Hitze (10-25 kJ/g)19, schnelle Reaktionskinetik20, geringe Toxizität21, und eine faire Maß an Stabilität, sobald es genau passivierte22wurde.

In Al-basierte Nanothermites, breitet sich die Flammenfront bei hohen Geschwindigkeiten (0,1 - 2,5 km/s), aber dies kann jedoch, als Detonation23betrachtet werden. Der Reaktionsmechanismus ist tatsächlich durch die Konvektion der heißen Gase in die Porosität des nicht umgesetztes Material getrieben. Das heißt, ist die Porosität für das schnelle Brennen von Nanothermites. Lose Nanothermit Pulver ist jedoch nicht stabil aus physikalischer Sicht. Sie sind durch Stöße oder Vibrationen verdichtet, und ihre dichtesten Komponente (in der Regel das Oxid) trennt schrittweise aus der Zusammensetzung von der Wirkung der Schwerkraft. Die Stabilisierung von Nanothermit Porosität ist eine entscheidende Herausforderung für ihre Integration in zukünftige pyrotechnische Systeme.

Der Hauptvorteil des Vorbereitungsprozesses beschriebenen soll hochporöse, solide, Nanothermit Monolithen, die gestaltet werden kann, durch Formen der Paste, aus der sie sich bilden. Darüber hinaus sind Nanothermit Schäume ziemlich unempfindlich gegen Stoß, Reibung und elektrostatische Entladung, die im Vergleich zu Nanothermit loser Puder. Diese Unempfindlichkeit macht sie besonders sicher zu handhaben und Maschine, zum Beispiel durch Sägen oder bohren.

Wenn lose Nanothermit Pulver gepresst oder granuliert, deren Porosität verringert und Objekte entstehen. Der Zusammenhalt solcher Materialien stammt aus der Oberfläche Kräfte, die für die Aggregation von Nanopartikeln verantwortlich sind. Die mechanische Festigkeit von Nanothermit Pellets kann in Gegenwart von Kohlenstoff-Nano-Fasern, als einen Rahmen, um diese Objekte24verstärken fungierende verbessert werden. Leider verringert sich stark drücken die Reaktivität des Nanothermites. Nach Prentice Et Al.induziert die drängenden Nano-Al/Nano-WO3 Kompositionen einen Zusammenbruch ihrer Reaktion Geschwindigkeit um zwei Größenordnungen7. Zusammenfassend kann nicht im Gegensatz zu den meisten Sprengstoffe, Nanothermites durch Drücken der Taste geformt werden.

Bisher wurden nur wenige Methoden zur Strukturierung von Nanothermites in der wissenschaftlichen Literatur Umgang mit Nanothermites beschrieben. Nanothermites kann auf Substrate, entweder aus der Pulver verstreut in einem flüssigen Medium durch Elektrophorese25oder durch das Sputtern von deren Komponenten in aufeinanderfolgenden Schichten26Komponenten abgeschieden werden. Beide Ansätze führen zu dichten Ablagerungen, die sind weniger reaktiv als loser Puder und neigen dazu, vom Substrat Delaminieren auf denen sie zubereitet werden.

Die Vorbereitung von "dreidimensionalen" Objekten bestehend aus Nanothermit wurde von Tillotson Et Al. vorgeschlagen. 5, wer benutzt die Sol-Gel-Synthese entwickelt von Gash Et Al. , die Vergelung Lösungen der Metallsalze Epoxide27besteht. Nanothermit Monolithen werden durch Dispergieren Al Nanopowder in der Sol vor Gelier-vorbereitet. Die Gele werden anschließend in einer Wärmekammer Xerogels herstellen oder durch einen komplexen Prozess unter Verwendung von überkritischem CO2 , der Aerogele erhalten getrocknet. Nanothermit Aerogele haben starke Reaktivität nicht nur, sondern auch aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften bearbeitet werden können. Darüber hinaus erlaubt es die Sol-Gel-Verfahren, Mikro- und mesoporösen Materialien mit einem unvergleichlichen Maß an Homogenität zwischen dem Kraftstoff (Al) und das Oxid in der Mischung zu synthetisieren. Trotz dieser interessanten Features, wird durch die Verwendung von Sol-Gel-Verfahren beschränkt: (i) die Komplexität der Batch-Synthese, das hängt von vielen Parametern; (Ii) die unvermeidbare Anwesenheit von Synthese Nebenprodukte (Verunreinigungen) im Endmaterial, und (Iii) die sehr lange Zeit durch die verschiedenen Schritte des Prozesses benötigt.

Brennbare Matten von Nanothermit wurden durch Elektrospinnen Nitrocellulose (Binder) von Lösungen mit Al und CuO Nanopartikel28aufgeladen vorbereitet. Diese Nanothermit Filze bestehen aus Fasern mit Sub-Mikrometer Skala Durchmessern, die a priori nicht porös sind. In diesen Materialien wird die Porosität durch die Verschränkung von Fasern definiert. Die Proben von Nanothermit Matten brennen langsam (0,06 - 1,06 m/s) im Vergleich zu reinen Nanogrösse Al/CuO Mischungen in einem losen Puder Zustand, in dem die Flammenfront breitet sich mit einer Geschwindigkeit von mehreren hundert m/s29. Schließlich ist die Verwendung von Nitrozellulose als Bindemittel für Nanothermites nicht ideal, weil es wesentlich ihre thermische Empfindlichkeit erhöht und ihre chemische Langzeitstabilität ändert.

Membranen der Nanothermites wurden von Yang Et Al. von komplexen hierarchischen MnO2/SnO2 Heterostrukturen gemischt mit Al Nanopartikel6vorbereitet. In diesen Materialien hat die Oxid-Phase eine ganz bestimmte Morphologie, in der MnO2 Nano-Drähte SnO2 Zweige abgedeckt sind. Wegen seiner besonderen Struktur das Oxid nicht nur fallen Al Nanopartikel, sondern sorgt auch für die mechanische Festigkeit der Membran.Der Ausarbeitung der MnO2/SnO2/Al Membranen ist sehr einfach; Filterung der Nanothermit enthalten in der Flüssigkeit, in der es mit der Filtration Kuchen als Membran erstellt wurde, bestehend aus.

Zusammenfassen, die einzige Nanothermit sind Objekte, die in der wissenschaftlichen Literatur genannten Ablagerungen auf Substrate, der Aerogele oder Matten. Die Idee der Nanothermites in Form von festen Schäume Vorbereitung eröffnet neue Horizonte für die Integration dieser energetischen Materialien in funktionale Pyrotechnik-Systeme. Der Schäumprozess berichtet in diesem Artikel ist einfach durchzuführen und kann praktisch auf jedem Nanothermit aus Aluminium Nanopowder vorbereitet angewendet werden. Die Schaummittel ist Orthophosphorsäure Säure (H3PO4), eine gemeinsame, kostengünstige und ungiftig Chemikalie, die reagiert mit Nano-Al, geben den Zement (AlPO4) und die Gase (H2, H2O Dampf), die die Porosität des erstellen die Werkstoff-1. Aluminium-Phosphat ist besonders stabil bei hohen Temperaturen, im Gegensatz zu organischen Bindemitteln wie energetische Polymere (Nitrozellulose). Jedoch verhält sich AlPO4 als ein Oxidationsmittel in Richtung Nano-Al bei hohen Temperaturen nach dem Konzept der "negativen Sprengstoff" von Shimizu30vorgeschlagen.

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Protocol

Achtung: Führen Sie alle Reaktionen, die in diesem Artikel in einer Explosion bewährten Kammer mit einer gepanzerten Fenster, die visuelle Kontrolle und Beobachtung der Schaumbildung/Verbrennungsprozessen können, durch high-Speed-video beschrieben. Achten Sie darauf, über die experimentelle Risiken bei der möglichen Zündung des aluminothermischen Kompositionen und die Wasserstoffexplosion in der Luft. Arbeiten Sie aus diesem Grund immer in einer Explosion bewährten Kammer mit entsprechenden Absaugung ausgestattet. Denken Sie daran, dass Versuche auf energetische Materialien von erfahrenen Wissenschaftlern durchgeführt werden müssen, die pyrotechnische Gefahren voll bewusst sind, und dass alle Prüfungen in Übereinstimmung mit lokalen Gesetzen und Sicherheitsvorschriften durchgeführt werden müssen. Beachten Sie, dass die Autoren keine Verantwortung für unsachgemäßen Gebrauch dieser Ergebnisse zurückgehen.

1. Vorbereitung einer Aluminophosphate Matrix

Hinweis: Bei Raumtemperatur (15-25 ° C) werden Experimente durchgeführt.

  1. Wiegen Sie 3,00 g Aluminium Nanopowder.
  2. Eine kommerzielle Lösung (85 %) der Orthophosphorsäure Säure (H3PO4) in einem 150 mL Becherglas 4,00 g wiegen; die Säure tropfenweise mit einer 3 mL Polyethylen Pasteurpipette hinzufügen.
    1. Optional kann die Orthophosphorsäure Säure ein Volumen von 0 - 2 mL entionisiertem Wasser hinzugefügt werden.
    2. Die Lösung durch die Verlangsamung das Becherglas von hand mit ca. 100 u/min rotierende zu homogenisieren.
  3. Stellen Sie den Becher mit der Säure in die Explosionskammer.
  4. Gießen Sie die Aluminium-Nanopowder wog Schritt 1.1 in das Becherglas mit der H3PO4 Lösung.
  5. Mischen Sie schnell mit einem Edelstahl-Spatel; führen Sie diesen Schritt in weniger als einer Minute.
  6. Geschlossen Sie die Explosionskammer sofort.
  7. Warten Sie, bis die schäumende Reaktion auftritt.
  8. Danach warten Sie eine weitere 10 min für die Aluminophosphate-Matrix zu kühlen.
  9. Entfernen Sie den Becher aus der Explosionskammer über ein Labor Bogen Tong.
  10. Wiederherstellen Sie die Probe, die an der Wand Becher hält sich durch sorgfältig zu brechen. Hüten Sie sich vor das Vorhandensein von sauren Rückständen und berühren Sie nicht die Materialien ohne Handschuhe.

2. Synthese von Nanothermit Schäume

Hinweis: Bei Raumtemperatur (15-25 ° C) werden Experimente durchgeführt.

  1. Vorbereitung der Nanothermit Mischung
    1. Wiegen Sie in einem 100 mL Rundboden Kolben 3,00 g und 3,45 g Al und WO3 Nanopulver, beziehungsweise.
    2. Mischen Sie die Nanopulver mit einem Vortex-Mixer bei 2.500 u/min in Betrieb.
    3. Rühren Sie die Mischung vorsichtig mit einem Spatel aus rostfreiem Stahl, um es zu homogenisieren. Vermeiden Sie Reibungen zwischen der Glaswand des Kolbens Rundboden und dem Spatel während dieses Vorgangs.
      Hinweis: In diesem Schritt muss der Experimentator geerdet werden um eine elektrostatische Entladung zu vermeiden, der die Zündung des Gemisches führen könnte.
    4. Wiederholen Sie den Vorgang 2.1.2.
  2. Vorbereitung der H 3 PO 4 Lösungen
    1. Eine kommerzielle Lösung (85 %) der Orthophosphorsäure Säure (H3PO4) in einem 150 mL Becherglas 4,00 g wiegen; die Säure tropfenweise mit einer 3 mL Polyethylen Pasteurpipette hinzufügen.
    2. Vorbereitung des verdünnten H3PO4 Lösungen:
      1. Nehmen Sie das Beispiel in Schritt 2.2.1 vorbereitet und 0 bis 2 mL vollentsalztes Wasser mit einer 1-mL-Polyethylen Pasteurpipette.
      2. Die Lösung durch die langsame Drehbewegung des Bechers per hand aufgetragen, mit einer Geschwindigkeit von ca. 100 u/min zu homogenisieren.
  3. Vorbereitung von Nanothermit Schäumen
    1. Stellen Sie den Becher mit der Säure in Schritt 2.2 in die Explosionskammer vorbereitet.
    2. Gießen Sie das Nanothermit in Schritt 2.1 in das Becherglas mit der H3PO4 Lösung vorbereitet.
    3. Mischen Sie schnell mit einem Edelstahl-Spatel; führen Sie diesen Schritt in weniger als einer Minute.
    4. Geschlossen Sie die Explosionskammer sofort.
    5. Warten Sie, bis die schäumende Reaktion auftritt.
    6. Danach warten Sie eine weitere 10 min für die Abkühlung des Schaums Nanothermit.
    7. Entfernen Sie den Becher aus der Explosionskammer mit ein Labor Bogen Tong.
    8. Wiederherstellen Sie die Probe, die an der Wand Becher hält sich durch sorgfältig zu brechen. Achten Sie auf das Vorhandensein von sauren Rückständen und vermeiden Sie Umgang mit den Materialien ohne Handschuhe zu.

(3) Verbrennung von Nanothermit Schäume

  1. Legen Sie die Aluminophosphate-Matrix in Schritt 1.10 vorbereitet oder Nanothermit Schaum zubereitet im Schritt 2.3.8 in die Explosionskammer.
  2. Legen Sie eine pyrotechnische Zünder in der Nähe der Probe aus Schritt 3.1.
  3. Schließen Sie die Explosionskammer.
  4. Verbinden Sie der Zünder mit einem sicheren elektronischen Gerät.
  5. Feuer der pyrotechnischen Kette.
  6. Beobachten Sie die Verbrennung durch das gepanzerte Fenster mit eine ultraschnelle Kamera funktioniert bei 10.000 bis 30.000 Bilder/s.

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Representative Results

Die Aluminophosphate-Matrix enthält kristallisiertes Aluminium (Al) und Aluminium-Phosphat (AlPO4). Das Vorhandensein dieser Phasen bestätigte sich durch Röntgenbeugung (Abbildung 1). Darüber hinaus haben gravimetrische Experimente gezeigt, dass dieses Material auch einen nicht-kristallinen Teil enthält, der amorphem Aluminiumoxid ist. In diesen Materialien verhält sich Aluminium-Phosphat, sowohl als Bindemittel und Oxidationsmittel. Die oxidierenden Eigenschaften von AlPO4 wurden durch Messung der Explosion Hitze (3.340 J/g) einer 50/50 wt./wt.%-Nano-Al/AlPO4 -Mischung in eine Bombe Kalorimeter1belegt.

Das Wasser, das hinzugefügt wird, um die H3PO4 Lösungen zu verdünnen, bremst den Anstieg der Temperatur des Reaktionsmediums (Abbildung 2). Das Trocknen von H3PO4 durch Phosphor-Anhydrid (P4O10) oder durch eine starke Trockenmittel ist nicht empfohlen (Abbildung 2, linke Kurve). In Abwesenheit von Wasser durchläuft die Paste sehr schnelles Erhitzen, die Zündung des energetischen Schaums und eine Wasserstoffexplosion in Luft provoziert. Bitte beachten Sie, dass die Masse von Wasserstoff durch die Vorbereitung einer Nanothermit Schaum Stichprobe von 10 g veröffentlicht ca. 0,5 g und die Verbrennung von so viel dieses Gases in der Luft eine Energie von ca. 60 gibt kJ. Die Entflammbarkeit Grenzen der Wasserstoff reichen von 4 bis 75 vol.% in Luft und seine Zündtemperatur liegt zwischen 500 und 580 ° C31.

Die Systeme mit Wasser zubereitet sind leichter zu mischen, durch ein günstigeres Flüssigkeit/Pulver-Verhältnis. Wasser die schäumende Reaktion verzögert und progressive und sicherer macht. Nanothermit Schäume aus verdünnten Lösungen produziert bessere mechanischen Festigkeit haben aber weniger zu erweitern. Die Analyse durch Röntgenbeugung von Nanothermit Schäumen zeigt, dass sie kristallisierten Aluminium, Aluminium-Phosphat und Wolfram Trioxid (Abbildung 3) enthalten. Letzteres interagieren nicht chemisch mit der schäumenden Reaktion.

Die Zusammensetzung der Aluminophosphate Matrix (Nano-Al/AlPO4) und der Nanothermit Schaum (Nano-Al/AlPO4/nano-WO3) gemäß dem Protokoll vorbereitet sind in Tabelle 1angegeben. Die Dichte der Schäume hängt von den experimentellen Bedingungen, in denen sie, vor allem an der Konzentration der H3PO4 Lösung synthetisiert worden. Es reicht in der Regel von 5 bis 20 % der theoretischen Dichte entspricht eine hohe Porosität (80-95 %).

Wärme durch die Verbrennung von Aluminophosphate Matrix und der Nanothermit-Schaum, die nach dem experimentellen Protokoll vorbereitet wurden sind jeweils gleich 3.4 kJ/g und 2.5 kJ/g. Die Verbrennung von Schaumstoffen in die kalorimetrisch Bombe erzeugt Rückstände enthält Phosphor, deren Anwesenheit sich durch die kontinuierliche Emission von weißen Rauch in Kontakt mit Luftsauerstoff zeichnet. Phosphor wird durch die Reduktion von AlPO4 innerhalb der geschlossenen Kammer, in der Abwesenheit von Luft produziert.

Aluminophosphate Matrizen und Nanothermit Schäume sind nicht besonders empfindlich auf Reibung und Schock betont. Jedoch müssen sie aufgrund ihrer moderaten Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischen Entladungen und Wärmequellen, wie z. B. eine offene Flamme pfleglich behandelt werden. Ihre Verbrennung erzeugt große Feuerbälle mit Funkenflug geschmolzener Teilchen gemacht. Die Auswirkungen dieser Glühlampen Phasen verändert die Oberfläche des gepanzerten Fensters die Explosionskammer.

Qualitativ in der experimentellen Protokoll beschriebenen Verbrennung-Experiment veranschaulicht die schnelle Verbrennung des Aluminophosphate (oder Nanothermit) Schäume. Es kann nicht verwendet werden, um die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flamme in Nanothermit Monolithen zu messen, weil die reichlich Dämpfe freigesetzt durch die Reaktion die Flammenfront verstecken. Darüber hinaus die Verbrennung ergibt mehrere Pfade innerhalb der materiellen Porosität, wodurch es schwierig zu wissen, wo die Verbrennungfrontseite zu einem bestimmten Zeitpunkt und infolgedessen zu messen ist eine Ausbreitungsgeschwindigkeit.

Figure 1
Abbildung 1: x-ray Diffraction Muster einer Aluminophosphate Matrix. X-ray Diffraction Muster einer Aluminophosphate Matrix, zeigt das Vorhandensein von kristallisierten Al und AlPO4. Diese Zahl wurde von Komet Et Al. modifiziert 1 die Diffraktogramm erfolgte auf einem Schaum, der zuvor in feines Pulver mit einer Partikelgrößenverteilung unter 200 µm. zerquetscht worden war Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Entwicklung der Temperatur für Nanothermit Pasten, während ihre schäumende Reaktion. Entwicklung der Temperatur für Nanothermit Pasten während ihrer schäumende Reaktion, je nach der H-3PO4 Konzentration. Diese Zahl wurde von Komet Et Al. modifiziert 1 die Temperatur gemessen wurde mit einem Typ K Thermoelement in den Teig gelegt und mit einem Proportional-Integral-Derivat (PID) Controller verbunden. Der Ausreißer der schäumende Reaktion wird beobachtet, wenn Temperatur höher als 40 ° C ist. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: x-ray Diffraction Muster eines Schaums Nanothermit. X-ray Diffraction Muster eines Nanothermit-Schaums, zeigt das Vorhandensein von kristallisierten Al, AlPO4 und WO3. Diese Zahl wurde von Komet Et Al. modifiziert 1 wie für Aluminophosphate Schäume, die Diffraktogramm an einer Probe durchgeführt wurde, die zuvor in feines Pulver mit einer Partikelgrößenverteilung unter 200 µm. beachten Sie, dass Wolfram-Trioxid zerquetscht worden reagiert nicht mit Orthophosphorsäure Säure in den experimentellen Bedingungen verwendet.Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur.

Probe Al (wt.%) Al2O3 (wt.%) AlPO4 (wt.%) WO3 (wt.%) H2O (wt.%)
Al/H3PO4. H2O 21,8 9.4 68,8 0.0 0.0
Al/WO3/h3PO4. H2O 14.6 5.0 44.2 36,2 0.0

Tabelle 1: chemische Zusammensetzung des Aluminophosphate (Nano-Al/AlPO4) und Nanothermit (Nano-Al/Nano-WO3/AlPO4) Schäume gemäß dem Protokoll vorbereitet. Diese Werte wurden von thermogravimetrischen Daten berechnet.

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Discussion

Der Mischvorgang Nanopulver mit Säure und der Schließung der Explosionskammer müssen schnell, aus Gründen der Sicherheit durchgeführt werden. Die Verzögerung der Reaktion kann zu einem gewissen Grad (1-10 min), abhängig von den experimentellen Bedingungen variieren. Es wird verkürzt, wenn die Raumtemperatur zu hoch ist oder in Gegenwart von externen Wärmequellen wie ein Scheinwerfer, die frühzeitige Aktivierung der schäumende Reaktion hervorrufen können. Dagegen ist es erhöht, wenn die Raumtemperatur niedrig ist. Bei zu viel Schaumbildung Zahlungsverzug (> 15 min), die Reaktion kann durch Gießen schnell eine große Menge von Wasser in das Becherglas (100 mL) gestoppt werden. Die Vorbereitung des Aluminophosphate Matrix oder Nanothermit Schaums muss durchgeführt werden, bei Raumtemperatur (15-25 ° C), wohl wissend, dass die schäumende Reaktion aktiviert wird, wenn die Temperatur der Paste zwischen 40 bis 45 ° C (Abbildung 2). Die schäumende Reaktion ist ein Warnzeichen voraus, eine leichte Erweiterung der Paste mit Gasblasen seiner Oberfläche zu brechen ist. Der Reaktion-Ausreißer zeichnet sich durch eine schnelle und starke Expansion der Paste, begleitet von wichtigen gasförmige Freisetzung (H2 und H2O Dampf).

Die Menge der Nanopowder gemischt mit H3PO4 Lösung definiert die Konsistenz der Paste. Niedrige Quoten Pulver/Säure geben Flüssigkeit Pasten, während niedrige Verhältnisse der Säure/Pulver mischen erschweren. Das Oxid Nanothermit Vorbereitung zu Orthophosphorsäure Säure entsprechen. Die Aluminophosphate oder Nanothermit Schäume müssen immer in kleinen Mengen (in der Regel 10 g), vorbereitet werden, um die Explosionsgefahr infolge des Wasserstoffs in die Luft freigesetzt, während des Prozesses zu minimieren.

Der erste wichtige Schritt ist die Verwiegung von Nanopulver, die von einem Betreiber tragen entsprechende individuelle Schutzausrüstung (FFP3-Filter Patrone Maske) unter einem Abzug durchgeführt werden muss. Die Vermischung von Nanopowder(s) mit Orthophosphorsäure Säure muss schnell durchgeführt werden, um Zeit für die Explosion bewährten Kammer zu schließen, die schwieriger ist, wenn die Paste dick, zum Beispiel mit einem hohen Pulver/Säure-Verhältnis. Die Schäume müssen fern von Wärmequellen, durch die Bildung von Wasserstoff durch die Reaktion synthetisiert werden. Alle energetischen Proben müssen pfleglich behandelt werden; Nano-Al/Nano-WO3 loses Pulver hat eine besonders niedrige Sensibilitätsschwelle gegen elektrostatische Entladung (0,14 mJ). Schließlich muss der brennende Test von Schaumstoffen in einer Brennkammer durchgeführt werden, die mit einer entsprechenden Abluft ausgestattet ist.

Die Vorbereitung von Nanothermit-Objekten durch diesen Prozess ist einzigartig. Die nur andere Methode für die Zubereitung von großen Nanothermit Monolithen ist Sol-Gel-Methode. Diese Technik erfordert bestimmte Grundstoffe und sehr lange Synthese/Trocknung Schritte, wodurch es sehr teuer. Darüber hinaus enthalten die Materialien von der Sol-Gel-Technik immer Verunreinigungen aus dem Prozess. Schließlich ist Sol-Gel-Produkt-Porosität äußerst gering im Vergleich zu Nanothermit Schaumstoffe, die schränkt der Ausbreitung durch Konvektion Mechanismen (Druckverlust) und kann seine Reaktivität verändern.

Die künftige Integration von Nanothermit Schäumen in pyrotechnischen Systemen erfordert den Einsatz von anderen Oxiden (z.B. CuO und Bi2O3) um ihre reaktiven Eigenschaften zu verbessern. Darüber hinaus könnte das Hinzufügen von sekundären Sprengstoff in Nanothermit Schäume, in den Kompositionsprozess oder durch spätere Infiltration (aus einer Lösung) von einem bereits vorhandenen Schaum zu synthetisieren, Sprengschnüre energetische Nanokomposite32verwendet werden. Solche Materialien konnten interessante Anwendungen in bleifreien Primer finden. Das Gießen von Nanothermit Schaum in Objekte mit klar definierten Formen werden die nächste Herausforderung zu überwinden.

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Disclosures

Wir haben nichts zu veröffentlichen.

Acknowledgments

Die Autoren möchten die Fotografen der ISL, Yves Suma und Yannick Boehrer, für die Fotos von Proben und für die Beobachtung von high-Speed-Video von der Synthese und der Verbrennung von Nanothermit Schäume danken. Sie möchten auch ihre Dankbarkeit an ihre Kollegen Dr. Vincent Pichot aus NS3E Labor für die Charakterisierung der Materialien durch Röntgenbeugung auszudrücken.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Aluminum nanopowder Intrinsiq Materials - nanopowder, ≈ 100 nm particle size Al QNA891
Tungsten(VI) oxide Sigma-Aldrich 550086-25G nanopowder, <100 nm particle size (TEM) Lot# MKBR9903V
Orthophosphoric Acid Fisher Scientific - 85% solution
polyethylene Pasteur pipette 3 mL Th. Geyer 7691062 LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,50 ml, Length 145 mm
polyethylene Pasteur pipette 1 mL Th. Geyer 7691063 LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,25 ml, Length 150 mm
Test tube shaker Reax Control Heidolph 541-11000-00 Vortex mixer with strong 5 mm vibration orbit yields

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Comet, M., Martin, C., Schnell, F., Spitzer, D. Nanothermite foams: From nanopowder to object. Chem. Eng. J. 316, 807-812 (2017).
  2. Lafontaine, E., Comet, M. Nanothermites. , ISTE Editions Ltd. London. (2016).
  3. Comet, M., et al. Preparation of Cr2O3 nanoparticles for superthermites by the detonation of an explosive nanocomposite material. J. Nanopart. Res. 13 (5), 1961-1969 (2011).
  4. Gibot, P., et al. Highly Insensitive/Reactive Thermite Prepared from Cr2O3 Nanoparticles. Propell. Explos. Pyrot. 36 (1), 80-87 (2011).
  5. Tillotson, T. M., Gash, A. E., Simpson, R. L., Hrubesh, L. W., Satcher, J. H., Poco, J. F. Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies. J. Non-Cryst. Solids. 285 (1-3), 338-345 (2001).
  6. Yang, Y., et al. Hierarchical MnO2/SnO2 Heterostructures for a Novel Free-Standing Ternary Thermite Membrane. Inorg. Chem. 52 (16), 9449-9455 (2013).
  7. Prentice, D., Pantoya, M. L., Gash, A. E. Combustion Wave Speeds of Sol-Gel-Synthesized Tungsten Trioxide and Nano-Aluminum: The Effect of Impurities on Flame Propagation. Energ. Fuel. 20 (6), 2370-2376 (2006).
  8. Bockmon, B. S., Pantoya, M. L., Son, S. F., Asay, B. W., Mang, J. T. Combustion velocities and propagation mechanisms of metastable interstitial composites. Appl. Phys. Lett. 98, 064903 (2005).
  9. Apperson, S., et al. Generation of fast propagating combustion and shock waves with copper oxide/aluminum nanothermite composites. Appl. Phys. Lett. 91, 243109 (2007).
  10. Wang, L., Luss, D., Martirosyan, K. S. The behavior of nanothermite reaction based on Bi2O3/Al. J. Appl. Phys. 110, 074311 (2011).
  11. Martirosyan, K. S., Wang, L., Vicent, A., Luss, D. Synthesis and performances of bismuth trioxide nanoparticles for high energy gas generator use. Nanotechnology. 20 (8), 405609 (2009).
  12. Armstrong, R. W., Baschung, B., Booth, D. W., Samirant, M. Enhanced Propellant Combustion with Nanoparticles. Nano Lett. 3 (2), 253-255 (2003).
  13. Wu, C., Sullivan, K., Chowdhury, S., Jian, G., Zhou, L., Zachariah, M. R. Encapsulation of Perchlorate Salts within Metal Oxides for Application as Nanoenergetic Oxidizers. Adv. Funct. Mater. 22 (1), 78-85 (2012).
  14. Sullivan, K. T., Piekiel, N. W., Chowdhury, S., Wu, C., Zachariah, M. R., Johnson, C. E. Ignition and Combustion Characteristics of Nanoscale Al/AgIO3: A Potential Energetic Biocidal System. Combust. Sci. Technol. 183 (3), 285-302 (2010).
  15. Wang, H., Jian, G., Zhou, W., Delisio, J. B., Lee, V. T., Zachariah, M. R. Metal iodate-based energetic composites and their combustion and biocidal performances. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7 (31), 17363-17370 (2015).
  16. Jian, G., Feng, J., Jacob, R. J., Egan, G. C., Zachariah, M. R. Super-reactive Nanoenergetic Gas Generators Based on Periodate Salts. Angew. Chem. Int. Ed. 52 (37), 9743-9746 (2013).
  17. Comet, M., Vidick, G., Schnell, F., Suma, Y., Baps, B., Spitzer, D. Sulfates-Based Nanothermites: An Expanding Horizon for Metastable Interstitial Composites. Angew. Chem. Int. Ed. 54 (15), 4458-4462 (2015).
  18. Zhou, W., Delisio, J. B., Li, X., Liu, L., Zachariah, M. R. Persulfate salt as an oxidizer for biocidal energetic nano-thermites. J. Mater. Chem. A. 3 (22), 11838-11846 (2015).
  19. Sun, J., Pantoya, M. L., Simon, S. L. Dependence of size and size distribution on reactivity of aluminum nanoparticles in reactions with oxygen and MoO3. Thermochim. Acta. 444 (2), 117-127 (2006).
  20. Levitas, V. I., Asay, B. W., Son, S. F., Pantoya, M. Melt dispersion mechanism for fast reaction of nanothermites. Appl. Phys. Lett. 89, 071909 (2006).
  21. Park, E. -J., Kim, H., Kim, Y., Choi, K. Repeated-dose toxicity attributed to aluminum nanoparticles following 28-day oral administration, particularly on gene expression in mouse brain. Toxicol. Environ. Chem. 93 (1), 120-133 (2011).
  22. Walter, K. C., Aumann, C. E., Carpenter, R. D., O'Neill, E. H., Pesiri, D. R. Energetic materials development at technanogy materials development. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 800, 27-37 (2004).
  23. Khasainov, B., Comet, M., Veyssière, B., Spiter, D. Comparison of performance of fast–reacting nanothermites and primary explosives. Propell. Explos. Pyrot. , (2017).
  24. Siegert, B., Comet, M., Spitzer, D. Safer energetic materials by a nanotechnological approach. Nanoscale. 3, 3534-3544 (2011).
  25. Sullivan, K. T., Kuntz, J. D., Gash, A. E. Electrophoretic deposition and mechanistic studies of nano-Al/CuO thermites. J. Appl. Phys. 112, 024316 (2012).
  26. Blobaum, K. J., Reiss, M. E., Plitzko, J. M., Weihs, T. P. Deposition and characterization of a self-propagating CuOx/Al thermite reaction in a multilayer foil geometry. J. Appl. Phys. 94 (5), 2915-2922 (2003).
  27. Gash, A. E., Tillotson, T. M., Satcher, J. H., Poco, J. F., Hrubesh, L. W., Simpson, R. L. Use of epoxides in the sol-gel synthesis of porous iron (III) oxide monoliths from Fe(III) salts. Chem. Mater. 13 (3), 999-1007 (2001).
  28. Yan, S., Jian, G., Zachariah, M. R. Electrospun nanofiber-based thermite textiles and their reactive properties. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4, 6432-6435 (2012).
  29. Puszynski, J. A., Groven, L. J. Formation of nanosized aluminum and its applications in condensed phase reactions. Inorganic nanoparticles. Synthesis, applications and perspectives. Altavilla, C., Ciliberto, E. , CRC Press. Boca Raton, Florida. (2011).
  30. Shimizu, T. A. Concept and the use of negative explosives. Proceedings of the 11th International Pyrotechnics Seminar, Vail, Colorado, July 7-11. , (1986).
  31. Molkov, V. Fundamentals of Hydrogen Safety Engineering. 1, Ventus Publishing ApS. (2012).
  32. Comet, M., Martin, C., Klaumünzer, M., Schnell, F., Spitzer, D. Energetic nanocomposites for detonation initiation in high explosives without primary explosives. Appl. Phys. Lett. 107, 243108 (2015).

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Nanothermit mit Baiser-ähnliche Morphologie: aus losen Puder auf Ultra-poröse Objekte
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Martin, C., Comet, M., Schnell, F.,… More

Martin, C., Comet, M., Schnell, F., Spitzer, D. Nanothermite with Meringue-like Morphology: From Loose Powder to Ultra-porous Objects. J. Vis. Exp. (130), e56479, doi:10.3791/56479 (2017).

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