Forberedelse og reaktivitet af Gasless nanostrukturerede energimaterialer

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"
Published 4/02/2015
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering

You must be subscribed to JoVE to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit," you agree to our policies.

 

Summary

Denne protokol beskriver fremstillingen af ​​gasless nanostrukturerede energimaterialer (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) ved hjælp af den kortsigtede højenergi-bold fræsning (HEBM) teknik. Det beskriver også en high-speed termografi metode til at undersøge reaktiviteten af ​​mekanisk fremstillede nanokompositter. Disse protokoller kan udvides til andre reaktive nanostrukturerede energimaterialer.

Cite this Article

Copy Citation

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).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

High-Energy Ball Milling (HEBM) er en kugle fræsning proces, hvor en pulverblanding placeret i kuglemølle underkastes højenergi kollisioner fra kuglerne. Blandt andre anvendelser er det en alsidig teknik, der giver mulighed for en effektiv fremstilling af gasless reaktive nanostrukturerede materialer med høj energitæthed per volumen (Ni + Al, Ta + C, Ti + C). De strukturelle transformationer af reaktive medier, som finder sted i løbet af HEBM, definerer reaktionsmekanisme i de producerede energiske kompositter. Varierende forarbejdningsbetingelserne tillader finjustering af fræsning-inducerede mikrostrukturer af de fremstillede sammensatte partikler. Til gengæld reaktiviteten, dvs. selvantændelse temperatur, tænding tidsforsinkelse, samt reaktionskinetik, af høj energitæthed materialer afhænger af dens mikrostruktur. Analyse af fræsning-inducerede mikrostrukturer tyder på, at dannelsen af ​​friske iltfri intime stort overfladeareal kontakter mellem reagenserne iS med ansvar for forbedring af deres reaktionsevne. Dette manifesterer sig i en reduktion af antændelsestemperatur og forsinkelse, en øget hyppighed af kemisk reaktion, og et generelt fald i den effektive aktivering energi af reaktionen. Protokollen giver en detaljeret beskrivelse af fremstillingen af ​​reaktive nanokompositter med skræddersyet mikrostruktur med korte HEBM metoden. Det beskriver også en high-speed termografi teknik til at bestemme tænding / forbrænding egenskaber energiske materialer. Protokollen kan tilpasses til fremstilling og karakterisering af en række nanostrukturerede energiske kompositter.

Introduction

Klassiske energiske materialer, dvs., sprængstoffer, drivmidler og fyrværkeri er en klasse af materiale med en stor mængde af lagret kemisk energi, der kan frigives under hurtig exoterm reaktion 1-5. For eksempel er sprængstoffer normalt genereres ved at kombinere brændstof og oxidizer grupper i et molekyle. Energitætheden af ​​sådanne materialer er meget høj. For eksempel ved nedbrydning trinitrotoluen (TNT) frigiver 7,22 kJ / cm 3 og danner 8.36 mol gas pr 100 g (tabel 1) i en meget kort periode. Disse materialer er sammensat af mikrometer skala organiske og uorganiske arter (brændstoffer og iltningsmidler).

Thermite systemer, hvor reaktionerne finder sted mellem uorganiske forbindelse, dvs, reducerende metaller (fx Al) og oxider (Fe 2 O 3, CuO, Bi 2 O 3), hører til en anden type energimaterialer. Energitætheden(15-21 kJ / cm3) af sådanne systemer overstiger værdien af TNT, men mængden af gas produkter (0,15-0,6 mol pr 100 g) er typisk meget mindre end for sprængstoffer (tabel 1). Ligeledes kan nano-thermites viser ekstremt høj hastighed af forbrænding bølgeudbredelse (> 1,000 m / sek) 2 -5.

Det blev for nylig vist, 6-12, at en række gasless heterogene reaktive systemer (Ni + Al, Ti + C, Ti + B), der danner intermetalliske eller ildfaste forbindelser kunne også betragtes som energimaterialer. De energitætheder (kJ / cm3) i disse systemer er tættere på eller højere end TNT (tabel 1). Samtidig, fraværet af gasprodukter under reaktionen Denne type materiale fremragende kandidater til en lang række applikationer, herunder syntese af nanomaterialer, reaktiv binding af refraktær og ulige dele, gasless micro generatorer mv 11-17. Imidlertid reltivt høj temperatur af disse systemer (900-3,000 K, se tabel 1) sammenlignet med thermites (~ 1.000 K) tænding hindrer deres ansøgninger. Fremstillingen af manipuleret nanostrukturerede kompositter i væsentlig grad kan forbedre tænding og forbrænding karakteristika gasless heterogene systemer 12-14, 17.

Der er blevet udviklet mange metoder til at fremstille de konstruerede energiske nanokompositter, såsom ultralyd blande 18,19, selvsamling nærmer 5, sol-gel 20-22, dampaflejringsteknikker 16,17,23,24 samt højenergi bold fræsning (HEBM) 1,5. Ulempen ved ultralyd blanding af nano-pulver er, at et tykt (5-10 nm) oxid shell på metalnanopartikler reducerer energitæthed og nedbryder forbrænding ydeevne reaktive blandinger. Også fordelingen af ​​brændsel og oxidationsmiddel er ikke ensartet, og grænsefladespændingen kontakt mellem reaktanterne er ikke intimt. Sol-gel-end selvsamlende strategier blev udviklet til fremstilling af specifikke thermite nanokompositter. Trods billige teknikker, disse strategier er ikke grønt fra et miljømæssigt synspunkt. Desuden introduceres i forberedt kompositter store mængder urenheder. Pådampning eller sputtering anvendes til at fremstille reaktive flerlagede folier og kerne-skal energiske materialer. Det giver en porefri og veldefineret geometri af kompositmaterialer, der forenkler teoretisk modellering og forbedrer nøjagtigheden. Men denne teknologi er dyr og vanskelig at skalere op. Endvidere fremstilles lagdelte nanokompositter er ustabile under visse betingelser.

High-Energy Ball Milling (HEBM) er en miljøvenlig, let skalerbar tilgang, der tillader effektiv fremstilling af nanostrukturerede energiske kompositter 5, 9 -14. HEBM er billig og kan anvendes med forskellige reaktive materialesammensætninger (fx denrmites, reaktioner, der danner intermetalliske, carbider, borider etc.).

Protokollen giver en detaljeret beskrivelse af fremstilling af reaktive energiske (Ni + Al, Ti + C, Ta + C) nanokompositter med skræddersyet mikrostruktur ved hjælp af kortsigtede HEBM metoden. Det beskriver også en high-speed termografi teknik til at bestemme tænding / forbrænding egenskaber som konfektionerede energiske materialer. Endelig viser analysen af ​​mikrostrukturen af ​​nanokompositter hjælp Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM) Udstyret af fokuseret ionstråle (FIB). Protokollen er en vigtig vejledning for udarbejdelse af forskellige energiske nanomaterialer (gasless og thermite systemer), der kan bruges som enten høj energitæthed kilder eller til syntese og forarbejdning af avancerede nanomaterialer ved forbrændingsprocesser tilgange.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Høj-energi Ball Milling

  1. Forbered 35 g af den oprindelige 1: 1 molforhold Ni + Al blanding. I dette tilfælde vejer 11.02 g Al og 23,98 g Ni pulvere.
  2. Brug en stålfræsning krukke til HEBM af dette system. Kontroller, at krukken har en højere hårdhed end de pulvere, der skal lægges, ellers pulverne vil beskadige krukken og forurening vil opstå. Bemærk: Typiske jar valg omfatter stål, zirconiumoxid eller wolframcarbid.
  3. Brug en 5: 1 bold: pulver (opladning ratio) for dette system, det vil sige, 175 g 10 mm stålkugler. Kontroller, at kuglerne er fremstillet af det samme materiale som krukken ellers enten kugler eller krukken vil blive beskadiget.
    Bemærk: ladningsforhold definerer intensiteten af ​​interaktionen mellem pulver og fræsning midler.
  4. Tilføj bolde og pulvere til krukken.
  5. Seal krukken og pumpe den atmosfæriske gas fra krukken med mekanisk pumpe og udrensning af argon. Gennemføre fire cykler af fyldning og skylning med Ar gas(Dette sikrer, at der ikke er nogen ilt tilbage i jar). Endelig fylder krukken med argongas lidt over (0,13 MPa) atmosfærisk tryk.
  6. Sæt krukken i en planetarisk kuglemølle.
  7. Vælg 650 revolution per minut (rpm) for hastigheden af ​​revolutionen af ​​krukken og 1.400 rpm i den interne rotation (solhjul).
    Bemærk: I nogle tilfælde blev rotation ratio (k) hjul sum (1.400 rpm) og formaling jar (fra 700 til 1.300 rpm) varieres for at regulere mikrostrukturen af sammensatte partikler.
  8. Kør HEBM procedure for 15 min. Bemærk: Systems har et kritisk tidspunkt, som for de beskrevne betingelser, er lig med 17 minutter. Der er en endelig mængde formaling, som kan udføres på systemet, før omsætningen sker i krukken. Hvis HEBM gennemføres længere end den kritiske tid, vil en reaktion forekomme i kuglemølleformaling krukke, ødelægger eksperimentet.
  9. Efter afslutning af malevarighed afkøl krukke til stuetemperatur, og derefter flytte glasset til et stinkskab.
    1. Udluft krukken for at fjerne overskydende gastryk fra indledende tryksætning og eventuel gas, der frigives under formaling.
    2. Fjern låget fra krukken under stinkskabet. Tage forsigtighed, når du åbner krukken, da pulveret dannede er meget reaktive. Åbn krukke iført varmebestandige handsker og beskyttelsesbriller.
    3. Før opsamling pulver, udsættes for luft i mindst 5 min for "passivering".
      Bemærk: Dette forhindrer spontan reaktion, der kan opstå ved håndtering af blandingen.

2. Reaktivitet Karakterisering af energimaterialer

  1. Saml pulveret fra krukken. Brug ikke en metallisk spatel til denne procedure.
    1. Hvis der ønskes klassificering og separation af partiklerne, udnytte sigter. For at sikre, at passende adskillelse sker, anvendes en sigte shaker for en udvidet tidsperiode (12+ timer). Klassificere pulveret i forskellige størrelse beholdere (under 10 um, 10-20 um, 20-53 um, enBove 53 um). Fra dette tidspunkt, brug 20-53 um størrelse partikler.
  2. Tryk den sigtede pulvere i en pellet ved hjælp af en uniaksial presse indstillet på 1.100 kg på en 5 mm rustfrit stål tryk die (1.360 MPa) for en opholdstid på 2,0 minutter. Optag højden (h) og diameteren (d) af pelleten med et mikrometer. Noter vægten af ​​prøven (m) med en skala. Herfra bestemme densiteten af ​​pelleten. Beregn den teoretiske max tæthed procent (TMD%) ved følgende formel:
    Ligning 1
    hvor A Al, A Ni - atom vægt Al og Ni; ρ Al og ρ Ni - densitet Al og Ni. Antag, at det støkiometriske forhold mellem pulverne bevarer forholdet mellem de oprindelige pulvere tilføjet.
    1. Hvis den cylindriske pellet bliver brugt til at bestemme en forbrænding foran udbredelseshastighed og temperaturprofil i reaktionen front,sikre, at den er høj nok, bestemt ved forholdet mellem højde og diameter, som skal være ≥2 (f.eks, d = 5 mm, h ≥ 10 mm).
    2. Hvis pellet bliver brugt til at definere tænding parametre bruge en tynd skive (f.eks diameter = 5 mm, tykkelse = 1 mm).
  3. For at definere forbrændingsprodukter egenskaber, placere prøven på en grafit plade.
  4. Lav en sammenrullet wolframtråd fastgjort til en variabel transformer.
  5. Placer W spole, således at den oprullede del af wiren hviler på toppen af ​​pellet. Hvis det reaktive system er oxygen følsomme, gøre dette i en oxygenfri reaktionskammer, ellers udføre reaktionen i fri luft.
  6. For at bestemme forbrændingen bølgehastighed Brug optagelse fra high-speed kamera. Position og fokus højhastighedstog termisk kamera på den testede prøve og starte optagelsen. Dette vil sætte præcise temperatur og forbrænding hastighed oplysninger, der skal indsamles.
  7. For at opnå de ønskede parametre i forbrændingsprocessen, foretage ramme for ramme-analyse af den indspillede IR film.
    1. Afbildes position af reaktionen foran formering vs. tid. Få den gennemsnitlige forbrænding hastighed fra hældningen af ​​plottet.
    2. Plot temperaturændringerne i en plet i midten af ​​prøven. Brug den opnåede grafen for at få oplysninger om temperaturen tidsprofil for reaktionen bølge.
  8. At definere tænding egenskaber (antændelsestemperatur og tændingsforsinkelsestiden) sætte tynd skive på en varmeplade forvarmet til den ønskede temperatur (fx 800 K). Bemærk, at de nøjagtige værdier fra dette eksperiment vil variere betydeligt, hvis parametrene ændres, uanset om de er størrelse pillen, temperatur kogepladen, eller TMD. Denne analyse er nyttig til BESTEMMELSion af tendenser.
    1. For at bestemme de tænding parametre anvender high-speed kamera. Position og fokus højhastighedstog termisk kamera på det område, hvor prøven vil blive placeret på den varme plade og start optagelsen.
      Bemærk: Dette vil muliggøre nøjagtig information temperatur under processen.
      1. Hvis reaktionen er oxygen følsomme, udføre dette i en oxygenfri reaktionskammeret. VIGTIGT: Kør dette eksperiment flere gange for at få en god statistisk datasæt.
    2. Sæt pillen ind i zonen af ​​fokus. Gøre dette på en måde, at partiklen kunne ses på hver ramme - det er vigtigt at se den første ramme, pelleten rører varmeplade.
    3. For at opnå de ønskede tænding parametre, foretage billede for billede analyse af den indspillede IR film.
    4. For at bestemme tændingsforsinkelsestiden, bestemme tiden mellem den første ramme, når pelleten rører overfladen af ​​varmepladen, til reaktionsblandingen indledning. For at bestemme temperaturen tænding, plotte den højeste temperatur plet på partiklen. Når tiden temperatur profil skifter fra at være en Forvarmningstemperaturen profil som en termisk eksplosiv regime, det vendepunkt matcher antændelsestemperatur.

3. Mikrostruktur analyse ved hjælp Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM) Udstyret med Focus Ion Beam (FIB)

  1. Suspender 0,1 g af de fremstillede partikler i 10 ml ethanol og deponering en dråbe af suspensionen på en overflade af scanningselektronmikroskopi (SEM) prøveholder.
  2. Tør holder prøven ved 90 ° C i 5 minutter.
  3. Sæt prøven i en dobbelt stråle FIB / SEM-systemet.
  4. Udføre prøve plasma rengøring i 5 min. Bemærk: Dette reducerer mængden af ​​skader, som prøven vil opleve eksponering for elektronstråle (e-stråle).
  5. Tænd E-bjælke (5 kV, 3,5 na) og fokusere på en enkelt partikel. Link tHan z-højde til arbejdsafstand, så hæve prøven til eucentric højde.
  6. Brug af E-stråle med gassen injektionsnål deponere et indledende lag af platin (70 nm) på prøven for at beskytte mod nedbrydning fra brugen af ​​gallium ion-beam (I-stråle).
  7. Vip prøven til 52 °, og tænd derefter I-bjælke. Brug af I-bjælke (5 kV, 0,28 nA), igen med gassen injektionsnål deponere et ekstra lag af platin (0,5 um) på prøven til beskyttelse.
  8. Skær betroede mærker på prøven. Mill partiklen i en rektangulær form. Denne langt øger chancen for, at der vil være en tilstrækkelig betroet, da der vil være flere nedskæringer og hjørner til at bruge.
  9. Ved hjælp af et program, slice partiklen med I-bjælke.
    1. Vælg "File" og derefter "Billede Gem placering" for at vælge en mappe, hvor billederne skal gemmes.
    2. Afhængig af den enkelte partikel, vælg den rigtige bredde, LENGTH, og dybde; vælge disse til helt mølle gennem hele volumen af ​​partiklen. Derudover vælge antallet af skiver, såvel som antallet af skiver pr billede. Disse muligheder kan findes i "Slice" fanen.
    3. Indstil strålestrømmen ved at vælge "Utilities" og derefter "Foreslå strømforhold". Bemærk: Dette vil gøre det muligt for programmet at vælge den passende stråle strøm til mølle prøven i en rimelig tid, mens bevogtning mod skader prøve.
    4. Klik på "Show" og softwaren vil give en visuel fræsning gitter, der viser, hvilken del af partiklen bliver fræset; sikre, at formaling gitteret placeres nøjagtigt over partikel i den del, der skal fræses.
    5. Efter hver skive tage en høj kvalitet e-beam billede til senere genopbygning. For at vælge de relevante e-beam parametre, skal du vælge "Setup" og vælg "eBeam Billede Scan parametre".
      Bemærk: Dette vil give et gitterfor at vælge opløsning og dvæle tid. Jo højere opholdstid, desto mere tid, det tager at indsamle billedet.
  10. Ved hjælp af en 3D-rekonstruktion softwarepakke, rekonstruere sæt billeder indsamlet fra FIB / SEM som beskrevet tidligere 25. Bemærk: Dette giver en komplet 3D virtuel kopi af partiklen, som derefter kan anvendes til at beregne overfladearealet kontakt porøsitet af de enkelte partikler, diffusive lagtykkelse, samt utallige andre nyttige parametre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For at forberede nanostrukturerede energiske kompositter, er en blanding af ønskede pulveriserede komponenter (typisk mikrometer størrelse) mekanisk behandlet under forudindstillede formalingsbetingelser. Behandling tid (typisk minutter) styres præcist at generere de sammensætningsmæssigt homogeniserede nanocomposite partikler, men ikke tillader selvbærende kemisk reaktion at indlede under formaling.

Figur 1 og Video 1 viser, at overfladekontaktareal mellem reaktanterne i sammensatte partikler stiger med størrelsesordener sammenlignet med det oprindelige blanding. Efter HEBM hver komponent er inkorporeret i matrixen i en anden komponent. I de fleste tilfælde opnås nanostrukturerede energiske kompositter er fuldt tæt med høj kontaktarealet mellem reaktanter (figur 2). Desuden kan reaktanterne blandes på en skala på mindre end 100 nm. Det er også vigtigt, at tuning HEBM betingelser tillader regulation indre mikrostruktur kompositter. Det ses i figur 2, at forskellige blandings- grader mellem reaktanten kan opnås i det samme system. Desuden HEBM danner frisk (oxygen-fri) kontakter mellem reaktanterne. Figur 3 illustrerer, at HEBM fjerner effektivt beskyttende oxidlag på den oprindelige metal (f.eks Al) partikler. Mørk felt (DF) billede af transmission elektron mikroskopi (TEM) analyse kombineret med energi-dispersive røntgen spektroskopi (EDX) i Ni / Al sammensatte partikler tydeligt angive nye grænser mellem reaktanterne, der er ilt-fri.

Trods tuning af det indre mikrostruktur sammensatte partikler HEBM muliggør regulering af størrelsen af ​​partiklerne. For eksempel kan dette opnås ved at ændre rotation ratio (k) solhjul (1.400 rpm) og formaling jar (fra 700 til 1.300 omdrejninger i minuttet). Video imaging viser, at der kan forekomme flere HEBM regimerafhængigt af K-forholdet. Blandingen af kugler og pulver k ≤ 1.5 "glidende" på overfladen af krukken (Video 2). I 1,85 ≤ k <1,5 interval intensive kollisioner af bolde tage steder (Video 3). Figur 4 viser, at så forskellige HEBM regimer væsentlig indflydelse på størrelsen af partikler, dvs. grove partikler (100-150 um) er udformet i "glidende" regime, mens mange fine partikler (10-50 um) kunne fremstilles i kollisionen regime.

Sammen med forberedelse af energiske sammensatte partikler, protokollen beskriver deres karakteriseringsteknikker. En sådan fremgangsmåde afslører vigtige forbindelser mellem fremstillingen af ​​materialer, deres mikrostruktur og reaktivitet af sammensatte partikler. For eksempel detaljeret mikrostrukturelle undersøgelse af Ti / C sammensatte partikler viste thpå, efter 3 min af HEBM, en carbon-rig lag dannet mellem den udfladede titanium lag 11 på grund af den kolde svejsning. TEM billeder i figur 5 viser, at carbon lag indeholder ensartet fordelte titanium nanopartikler og titancarbid (TiC) kerner.

Temperatur-tidsprofiler optaget af infrarød billeddannelse til Ti / C sammensatte partikler er vist i figur 5C .De partikler blev placeret på en varmeplade med en temperatur på ~ 600 K. et High Speed ​​Thermo-Vision-systemet blev anvendt til at overvåge tids- temperatur historie af partiklen. Den valgte måling temperaturområde var 600-1,200 K. Det kan ses, at de materialer, efter 2 min af mekanisk behandling, kan ikke være selv-antændt under de undersøgte betingelser. Temperaturen selvantændelse efter 3 min af HEBM er omkring 600 K, mens efter 5 og 7,5 min for behandling Tig er langt under 600 K. Det er interessant, at temperaturen tændingen er igen over 600 Kfor en formaling på 9 min. Denne virkning kan forklares ved dannelse af en mængde af TiC fase i fræsning krukken. Det skal bemærkes, at der ved forbrænding af en konventionel Ti + C blanding mikrostrukturen af ​​reaktionsmediet forbliver uændret ved udseendet af en flydende metal fase (1.941 K) og den exoterme reaktion initierer ved ~ 2.000 K. Disse resultater viser, at en direkte sammenhæng mellem den mikrostruktur dannet under HEBM og antændelsestemperatur. Dannelse af intime iltfrie kontakter mellem reaktanter og produkt- kerner gør Ti / C kompositter yderst reaktive, da temperaturen tænding falder fra 2.000 til 600 K. HEBM også betydeligt påvirker tændingen forsinkelse, dvs tid efter nedsænkning partiklen i en ovnen og indtil reaktionen indledning, samt forbrænding foran udbredelseshastighed. Temperatur-tidsprofiler i figur 5C viser, at tændingsforsinkelsestiden også aftager med en forøgelse afmalevarighed.

Det er værd at bemærke, at forbrænding af mekanisk fremstillet komposit viser store fordele for syntese af nanostrukturerede materialer. Ved forbrænding af konventionelle medier, er yderst vanskeligt kontrol over mikrostrukturen af ​​produktet. For eksempel reaktion starttemperatur konventionel Ni + Al falder sammen med den laveste eutektiske temperatur af systemet (~ 910 K). Den flydende fase dannet under reaktionen væsentligt ændrer mikrostrukturen af den oprindelige blanding (figur 6). I mekanisk fremstillede kompositter, reaktionerne fortsætte under den eutektiske temperatur af systemet, som fuldstændigt eliminerer dannelsen af væskefaser, dvs. en ægte solid-state forbrænding, såkaldt fast flamme, finder sted. Dette fremgår af en debut reaktionstemperatur så lav som 470 K, mens den laveste eutektiske temperatur i dette system sker ved 910 K; dette indebærer, at en betydelig con version skal forekomme på grund af en rent solid-state reaktion. Prøver fremstillet ud fra sådanne sammensatte partikler bevarer deres form og mikrostruktur (figur 6).

Figur 1
Figur 1. Omdannelsen af heterogene reaktive medier mikrostruktur under højenergi-bold fræsning: Skematisk fremstilling af omdannelsen af mikrometer størrelse partikler af de enkelte reaktanter til en lagdelt sammensatte partikler (A), og dannelsen af Ni / Al sammensatte partikler ved hjælp af HEBM af nikkel og aluminium reaktanter (B). Klik her for at se en større udgave af dette tal.

fig2.jpg "/>
Figur 2. Tuning kontaktområdet mellem reaktanterne ved at variere HEBM vilkår for forskellige systemer:. Ni / Al (A - C), Ti / C (D, E) og Ta / C (F) Klik her for at se et større version af denne figur.

Figur 3
Figur 3. Dannelse af syrefrit kontakter mellem reaktanterne: Skematisk repræsentation (A) Bright felt billede af en Ni / Al grænse dannes af HEBM (B) og Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) profiler af nikkel, aluminium og oxygen (C). Venligstklik her for en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Fremstilling af sammensatte partikler med forskellige størrelser ved tuning forholdet (k), solhjul og fræsning jar rotationshastigheder:. K ≤ 1.5 (A) og 1,8 ≤ k <1,5 (B) Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. Forholdet mellem mikrostruktur og reaktiviteten af sammensatte partikler: en TEM billede af Ti / C sammensatte partikel (A), høj opløsning TEM image TiC nanopartikler (B (C), i Ti / C sammensatte partikler forskellige fræsning gange (2, 3, 5, 7,5, 9 min). Klik her for at se en større udgave af dette tal.

Figur 6
Figur 6. Syntese af materialer med pre-designede mikrostruktur ved hjælp af forbrænding af nanostrukturerede sammensatte partikler:. Mikrostrukturer af Nial intermetaller hjælp af konventionelle medier (A) og mekanisk fremstillet sammensatte partikler (B) Klik her for at se en større udgave af dette figur.

Tabel 1. Nogle karakteristika for energimaterialer.

Video 1. "Udsnit og visning" afbildning af en Ni / Al sammensatte partikel.

Video 2. "glidende" regime HEBM på k ≤ 1.5.

Video 3. Intensive kollisioner af kugler i 1,85 ≤ k <1,5 interval.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen giver en detaljeret beskrivelse af fremstilling af reaktive energiske (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) nanokompositter med skræddersyet mikrostruktur ved hjælp af kortsigtede HEBM metoden. HEBM af gasless heterogene blandinger involverer forarbejdning i en high-speed planetarisk kuglemølle, hvor partiklerne i blandingen udsættes for mekanisk påvirkning med en kraft tilstrækkelig til fordeling af sprøde bestanddele (f.eks grafit) og deformation af plastkomponenter (f.eks Al , Ti, Ta, Ni). Sprøde reaktanter formales til finere partikler og kan blive amorf, mens plast metaller udsættes for flere deformationer og kold svejsning og danner kompositter partikler. Små fragmenter af sprøde komponenter findes ofte inde i partiklerne af plast reaktanter. Finjustering af HEBM tillader til styring af de sammensatte partikelstørrelser og deres indre mikrostruktur. Det skal bemærkes, at en sådan grad af kontrol i microstructure kan ikke opnås i de fleste andre teknikker i øjeblikket er tilgængelige til fremstilling af nanostrukturerede energiske kompositter. Således energi udgivet i mekanisk fremstillet energiske kompositter kan styres præcist ved deres mikrostruktur gennem finjustering af HEBM forhold.

De unikke HEBM betingelser også tillader en at producere de metastabile ikke-ligevægts overmættede opløsninger, som giver reaktioner forekommer ved betydeligt lavere temperaturer end konventionelle pulverblandinger. I nogle tilfælde reaktionerne fortsætte under den eutektiske temperatur af systemet, som fuldstændigt eliminerer dannelsen af ​​flydende faser. Prøver fremstillet ud fra sådanne sammensatte partikler bevarer deres form og mikrostruktur.

En anvendelse af HEBM er i produktion af højt reaktive, energiske nanokompositter. Denne proces er simpel, meget økonomisk, og let skaleres. Der er to store problemer med denne proces, dog. Den første ersikkerhedsspørgsmål; denne proces skaber nanokompositter, som er meget reaktive, og som sådan, skal operatøren følge alle sikkerhedsprocedurer. Dette omfatter generelle sikkerhedsprocedurer i forbindelse med driften af ​​selve maskinen og mere specifikke sikkerhedsprocedurer vedrørende forbindelserne udnyttes. På grund af den meget reaktive beskaffenhed af disse nanokompositter; en begrænset mængde af dette materiale skal produceres indtil viden om sikkerheden af ​​det konkrete system konstateres. Endelig kan indføres urenheder vedrørende fartøjet. Dette kan føre til simpel forurening eller endda uønskede sidereaktioner. For det tredje, udarbejdelse af pore-fri kompositter (fx belægninger, film) er vanskelig og kræver yderligere trin (kold sprøjtning eller rulning) 26.

Protokollen giver også detaljerede oplysninger om karakteriseringen af ​​mekanisk fremstillet nanostrukturerede energiske kompositter. Brugen af ​​high-speed infrarød teknik allows til præcis rumlig (2 um), termisk (5 K), og tidsmæssig opløsning (15.000 fps). Dette muliggør nøjagtig karakterisering af sammensatte partikler, herunder deres tid og temperatur historie, antændelsestemperatur, forsinkelse, og udbredelseshastighed.

Protokollen er en vigtig vejledning for udarbejdelse af forskellige energiske nanomaterialer (gasless), der kan anvendes som enten høj energitæthed kilder eller til syntese og forarbejdning af avancerede nanomaterialer ved forbrændingsprocesser tilgange. Det kan let modificeres til anvendelse på thermite systemer og andre energetiske materialer, såsom metal-polymer-kompositter.

Kritiske trin i protokollen omfatter den indledende forberedelse af nanokompositter, startende fra vejning af pulvere og vælge den passende afgift ratio. Desuden er det af afgørende betydning at sikre, at den interne atmosfære af krukken er inaktiv gennem Ar udrensning. Udvælgelse af boldenfræsning parametre, herunder omdrejningshastighed og den samlede malevarighed er nødvendige for at skræddersy mikrostrukturen. Endelig eksponeringen, indsamling og klassificering af pulveret med en sikker procedure er vigtige, for at eksperimentet er ødelagt. Fremstilling af pulvere til eksperimenter ved at trykke bestemmer data, der kan indsamles, efterfulgt af nøjagtig analyse af dataene. Anvendelse af FIB S & V program til at generere en 3D datasæt for analyse er også af betydning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ikke noget at afsløre.

Materials

Mole gas frigivet pr 100 g Energitætheder per volumen, kJ / cm3 Tænding temperatur, K
Trinitrotoluen (TNT) 8.36 -7,22 510
Termitter
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
Gasless Systems
Al + Ni 0 -7,13 910/520
Ta + C 0 -10,9 3.000 / 1.500
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

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats