Forberedelse og reaktivitet av Gass- nanostrukturert Energisk Materials

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 protokollen beskriver fremstillingen av gassløs nanostrukturerte energiske materialer (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) ved hjelp av kortsiktig høy energi ball fresing (HEBM) teknikk. Den beskriver også en høyhastighets termografi metode for å studere reaktiviteten av mekanisk fabrikkert nanocomposites. Disse protokollene kan bli utvidet til andre reaktive nanostrukturerte energetiske materialer.

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

Høy energi Ball Milling (HEBM) er en kulemaleprosess hvor en pulverblanding plasseres i kulemøllen er utsatt for høy-energi kollisjoner fra ballene. Blant andre anvendelser er det en allsidig teknikk som muliggjør effektiv fremstilling av gassløs reaktive nanostrukturerte materialer med høy energitetthet per volum (Ni + Al, Ta + C, Ti + C). De strukturelle transformasjoner av reaktive media, som finner sted i løpet av HEBM, definerer reaksjonsmekanisme i de produserte energisk kompositter. Varierende behandlingsforhold tillater finjustering av frese-indusert mikrostrukturer av de fabrikkerte sammensatte partikler. I sin tur, reaktivitet, dvs. selvantennelsestemperaturen, tenningsforsinkelse, samt reaksjonskinetikk, med høy energitetthet materialer avhenger av dets mikrostruktur. Analyse av frese-indusert mikro tyder på at dannelsen av friske oksygenfrie intime høyt overflateareal kontakter mellom reagensene ier ansvarlig for forbedring av deres reaktivitet. Dette gir seg utslag i en reduksjon av tenningstemperatur og tidsforsinkelse, en økt forekomst av kjemisk reaksjon, og en samlet reduksjon av den effektive aktiveringsenergi av reaksjonen. Protokollen gir en detaljert beskrivelse for utarbeidelse av reaktive nanocomposites med skreddersydd mikro hjelp kortsiktig HEBM metoden. Den beskriver også et høyhastighets termisk avbildningsteknikk for å bestemme de tenning / forbrenningsegenskapene av de energetiske materialer. Protokollen kan tilpasses fremstillingen og karakteriseringen av en rekke av nanostrukturerte energetiske kompositter.

Introduction

Klassiske energetiske materialer, dvs. sprengstoff, drivmidler og pyroteknikk er en klasse av materiale med en høy mengde av lagret kjemisk energi som kan frigjøres under hurtig eksoterm reaksjon 1-5. For eksempel er sprengstoffer vanligvis generert ved å kombinere brensel og oksidant i grupper ett molekyl. Energitettheten av disse materialer er svært høy. For eksempel, ved spaltning trinitrotoluen (TNT) frigjør 7,22 kJ / cm 3 og danner 8,36 mol gasser per 100 g (tabell 1) i en meget kort tidsperiode. Disse materialene er sammensatt av mikrometerskala organiske og uorganiske arter (Brensel og oksidasjonsmidler).

Termitt-systemer, hvor reaksjoner finner sted mellom den uorganiske forbindelse, det vil si, reduserende metaller (for eksempel Al) og oksyder (Fe 2O 3, CuO, Bi 2 O 3), tilhører en annen type energetiske materialer. Energitettheten(15 til 21 kJ / cm 3) av slike systemer er høyere enn for TNT, men mengden av gassprodukter (0,15 til 0,6 mol pr 100 g) er vanligvis mye mindre enn for sprengstoff (tabell 1). Dessuten kan de nano-thermites viser ekstremt høy hastighet av forbrenningsbølgeutbredelse (> 1000 m / sek) 2 -5.

Det ble nylig vist 6-12 at en rekke heterogene gassløs reaktive systemer (Ni + Al, Ti + C, Ti + B) som danner intermetalliske eller ildfaste forbindelser kan også anses som energirike materialer. Energitettheter (kJ / cm 3) av disse systemer er nærmere eller høyere enn den for TNT (tabell 1). Samtidig gjør fravær av gassprodukter under reaksjonen slike materialer gode kandidater for en rekke applikasjoner, inkludert syntese av nanomaterialer, reaktiv binding av ildfaste og ulike deler, gassløs mikrostrømgeneratorer, etc. 11-17. Imidlertid relatively høy antennelsestemperaturen for disse systemene (900-3,000 K, se tabell 1) i forhold til thermites (~ 1000 K) hindrer sine søknader. Utarbeidelse av konstruerte nanostrukturerte kompositter kan betydelig forbedre tenning og forbrenning kjennetegn ved gassløs heterogene systemer 12-14, 17.

Mange metoder har blitt utviklet for å fremstille de konstruerte energetiske nanokompositter, slik som ultrasonisk blanding 18,19, nærmer seg selv-sammenstillingen 5, sol-gel 20-22, dampavsetningsteknikker 16,17,23,24, så vel som høy-energi ball fresing (HEBM) 1,5. Ulempen ved ultralydblanding av nano-pulver er at en tykk (5-10 nm) oksyd skall på metallnanopartikler reduserer energitetthet og forringer forbrenningsytelse av reaktive blandinger. Dessuten er fordelingen av brensel og oksidant ikke er ensartet, og grenseflatekontakt mellom reaktantene ikke er intimt. Sol-gel end selvmonterings strategier ble utviklet for utarbeidelse av konkrete termitt-nanocomposites. Til tross for at lavkost teknikker, disse strategiene er ikke grønt fra et miljøsynspunkt. Dessuten blir store mengder av urenheter som innføres i stilles kompositter. Dampavsetning eller sputtering blir brukt til å fremstille reaktive flerlags folier og kjerne-skall energisk materialer. Det gir en porefri og veldefinert geometri av kompositter som forenkler teoretisk modellering og forbedrer nøyaktighet. Imidlertid er denne teknologi dyrt og vanskelig å skalere opp. Videre er fremstilt lagdelte nanokompositter er ustabile under visse betingelser.

Høy Energy Ball Fresing (HEBM) er en miljøvennlig, lett skalerbar tilnærming som gjør effektiv fabrikasjon av nanostrukturerte energisk kompositter 5, 9 -14. HEBM er billig og kan brukes sammen med forskjellige reaktive materialsammensetninger (f.eksrmites, reaksjoner som danner inter, karbider, borider, etc.).

Protokollen gir en detaljert beskrivelse for utarbeidelse av reaktive energiske (Ni + Al, Ti + C, Ta + C) nanocomposites med skreddersydd mikrostruktur ved hjelp av kortsiktige HEBM metoden. Den beskriver også et høyhastighets termisk avbildningsteknikk for å bestemme de tenning / forbrennings karakteristika som kerte energirike materialer. Til slutt viser det analyse av mikrostrukturen av nanocomposites bruker Feltet Emission Scanning Electron Microscope (FESEM) Utstyrt med Fokusert Ion Beam (FIB). Protokollen er en viktig rettesnor for utarbeidelse av ulike energiske nanomaterialer (gassløs og termitt-systemer) som kan brukes som enten høy energitetthet kilder eller for syntese og bearbeiding av avanserte nanomaterialer ved forbrenningsbaserte tilnærminger.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Høy energi Ball Fresing

  1. Forbered 35 g av den første 1: 1 molart forhold Ni + Al-blandingen. I dette tilfellet, veier 11,02 g Al og 23,98 g Ni pulvere.
  2. Bruke en stålfrese krukke for HEBM av dette systemet. Sikre at glasset har en høyere hardhet enn pulverne som skal tilsettes, ellers pulverne vil skade glasset og forurensning vil oppstå. Merk: Typiske jar valgene inkluderer stål, zirkoniumoksid, eller wolframkarbid.
  3. Bruke en 5: 1 ball: pulver (charge-forhold) for dette systemet, dvs. 175 g 10 mm stålkuler. Sikre at kulene er laget av det samme materiale som glasset ellers enten kuler eller glasset vil bli skadet.
    Merk: Lade forholdet definerer intensiteten i samspillet mellom pulver og frese agenter.
  4. Legg baller og pulver til glasset.
  5. Forsegle glasset og pumpe atmosfærisk gass fra glasset med mekanisk pumpe og utrenskning av argon. Gjennomføre fire sykluser av fylling og spyling med Ar gass(Dette sikrer at det ikke er noe gjenværende oksygen i glasset). Til slutt, fylle glasset med argongass litt over (0,13 MPa) atmosfærisk trykk.
  6. Sett glasset i en planet ball mill.
  7. Velg 650 revolusjon per minutt (rpm) for frekvensen av revolusjonen i krukke og 1400 rpm for den interne rotasjon (solhjulet).
    NB: I noen tilfeller, ble rotasjonsrate (k) av beløp hjulet (1400 rpm) og frese jar (fra 700 til 1300 rpm) varieres for å regulere mikrostrukturen av komposittpartikler.
  8. Kjør HEBM prosedyren i 15 min. Merk: Systemer har en kritisk tid, som, for de beskrevne betingelser, er lik 17 min. Det er en begrenset mengde av fresing som kan bli utført på systemet før reaksjonen finner sted i glasset. Hvis HEBM utføres lenger enn den kritiske tid, vil en reaksjon finne sted i kulemølle krukke, ødelegger forsøket.
  9. Etter gjennomføring av fresing tid, kjøle glasset til RT, og deretter flytte glasset til en avtrekkshette.
    1. Vent glasset for å fjerne overflødig gass press fra første trykksetting og mulig gass frigjøres under fresing.
    2. Fjern lokket fra glasset under avtrekkshette. Ta forsiktig når du åpner glasset, som pulver dannet er svært reaktivt. Åpne glasset iført varmebestandige hansker og vernebriller.
    3. Før samle pulver, utsettes for luft i minst 5 min for "passivisering".
      Merk: Dette hindrer spontan reaksjon som kan oppstå ved håndtering av blandingen.

2. Reaktivitet Karakterisering av Energisk Materials

  1. Samle pulveret fra glasset. Ikke bruk en metallisk slikkepott for denne prosedyren.
    1. Ved klassifisering og separering av partiklene er ønskelig, anvende siler. For å sikre at riktig atskillelse er gjort ved å bruke en sil rister i en lengre tidsperiode (12 + hr). Klassifisere pulveret inn i ulike størrelse binger (under 10 mikrometer, 10-20 mikrometer, 20-53 mikrometer, enBove 53 mikrometer). Fra dette punktet og fremover, bruker 20-53 mikrometer store partikler.
  2. Trykker de siktede pulver i en pellet ved hjelp av en uniaksial trykk satt til 1100 kg på en 5 mm rustfritt stål trykk die (1360 MPa) for en oppholdstid på 2,0 min. Registrere høyden (h) og diameteren (d) av pelleten med et mikrometer. Noter vekten av prøven (m) med en skala. Herfra bestemme tettheten av pelleten. Beregn teoretisk maksimal tetthet prosent (% TMD) ved den følgende formel:
    Ligning 1
    hvor A Al, A Ni - atom vekt av Al og Ni; ρ Al og ρ Ni - tetthet av Al og Ni. Anta at det støkiometriske forhold av pulverne beholder forholdet mellom de første pulvere tilsatt.
    1. Hvis den sylindriske pellets blir brukt til å bestemme en forbrenningsfront forplantningshastighet og temperaturprofilen i reaksjonsfronten,at den er høy nok, bestemmes av forholdet mellom høyde og diameter som bør ≥2 (f.eks, d = 5 mm, h ≥ 10 mm).
    2. Dersom pelleten blir brukt til å definere tenn parametrene bruker en tynn disk (f.eks, diameter = 5 mm, tykkelse = 1 mm).
  3. Å definere forbrenningsegenskaper, plasser prøven på en grafitt plate.
  4. Lag en kveilet wolfram ledning festet til en variabel transformator.
  5. Plasser W spolen slik at den sammenrullede parti av ledningen hviler på toppen av pelleten. Hvis det reaktive systemet er oksygensensitiv, gjør dette i et oksygenfritt reaksjonskammeret, ellers utføre reaksjonen i friluft.
  6. For å bestemme forbrenningsbølgehastighet, bruke opptaket fra høyhastighetskamera. Posisjon og fokusere høyhastighets termisk kamera på testet prøve og starte innspillingen. Dette vil muliggjøre nøyaktig temperatur og forbrenning hastighetsinformasjon samles.
  7. For å oppnå de ønskede parametre for forbrenningsprosessen, gjennomfører bilde for bilde-analyse av den registrerte IR-film.
    1. Plotte posisjonen til reaksjonsfronten forplantning i forhold til tiden. Innhente gjennomsnittlig forbrenning hastighet fra skråningen av tomten.
    2. Plotte temperaturendringer i et sted i midten av prøven. Bruk erholdt diagrammet til å få informasjon om temperaturen tidsprofilen for reaksjonsbølgen.
  8. Å definere tenningsegenskaper (antennelsestemperaturen og tenningsforsinkelse tid) satte tynn disk på en varm plate forvarmet til ønsket temperatur (f.eks 800 K). Legg merke til at de nøyaktige verdiene oppnådd fra dette forsøk vil variere i betydelig grad, om noen parametre er endret, enten de er størrelsen av pelleten, temperaturen på kokeplaten, eller TMD. Denne analysen er nyttig for bestemmelseion av trender.
    1. For å bestemme tennings parametrene bruker høyhastighetskamera. Posisjon og fokusere høyhastighets termisk kamera på området der prøven vil bli plassert på den varme platen og starte innspillingen.
      Merk: Dette vil gjøre det mulig nøyaktig temperatur informasjon under prosessen.
      1. Hvis reaksjonen er oksygensensitiv, utfører dette i et oksygenfritt reaksjonskammeret. VIKTIG: Kjør dette eksperimentet flere ganger for å få en god statistisk datasett.
    2. Sett kulene inn i sonen av fokus. Gjøre dette på en slik måte at partikkelen kan sees på hver ramme - er det viktig å se den første rammen som pelleten berører den varme platen.
    3. Å oppnå de ønskede tennings parametre, gjennomføre bilde for bilde-analyse av den innspilte IR-film.
    4. For å bestemme tenningsforsinkelsestiden, bestemme tiden mellom den første ramme, når pelleten berører overflaten av kokeplaten, til reaksjonsstart. Å bestemme antennelsestemperaturen, plotte den høyeste temperaturen flekk på partikkelen. Når tidstemperaturprofilen brytere fra at en forvarming temperaturprofil som i en termisk eksplosiv regime, matcher infleksjonspunkt tenningstemperatur.

3. Microstructure analyse ved hjelp Feltet Emission Scanning Electron Microscope (FESEM) Utstyrt med Focus Ion Beam (FIB)

  1. Suspender 0,1 g av de fabrikerte partiklene i 10 ml etanol og innskudd en dråpe av suspensjonen på en overflate av scanning elektronmikroskopi (SEM) prøveholder.
  2. Tørk prøveholderen ved 90 ° C i 5 min.
  3. Sett prøven i to stråler FIB / SEM-systemet.
  4. Gjennomføre prøve plasma rengjøring for 5 min. Merk: Dette reduserer mengden av skader som utvalget vil oppleve fra eksponering for elektronstråle (E-stråle).
  5. Slå på E-bjelke (5 kV, 3,5 nA) og fokusere på en enkelt partikkel. Link than z-høyde til arbeidsavstanden, deretter heve prøven til eucentric høyde.
  6. Ved hjelp av E-stråle med gassen injeksjonskanyle, avsette et første lag av platina (70 nm) på prøven for å beskytte mot nedbrytning ved bruk av gallium-ion-bjelke (I-bjelke).
  7. Vipp prøven til 52 °, og slå deretter på I-bjelke. Ved hjelp av I-bjelken (5 kV, 0,28 nA), igjen med gassen injeksjonskanyle, deponere et ytterligere lag av platina (0,5 um) på prøven for beskyttelse.
  8. Skjær tillits merker på prøven. Mill partikkelen inn i en rektangulær form. Dette øker kraftig sjansen for at det vil være en tilstrekkelig tillitsforhold, siden det vil være flere kutt og hjørner for å bruke.
  9. Ved hjelp av et program, skjær partikkel med I-bjelken.
    1. Velg "File" og deretter "Image Lagre posisjon" for å velge en mappe hvor bildene skal lagres.
    2. Avhengig av den enkelte partikkel, velg riktig bredde, lenGTH, og dybde; velge disse til helt møllen gjennom hele volumet av partikkelen. I tillegg velge antall skiver, samt antall skiver per bilde. Disse alternativene kan bli funnet i "Slice" -kategorien.
    3. Still strålestrømmen ved å velge "Verktøy" og deretter "Foreslå Currents". Merk: Dette vil tillate programmet å velge riktig strålestrømmen til møllen prøven i rimelig tid mens vokter mot prøven skade.
    4. Klikk "Show" og programvaren vil gi en visuell fresing rutenett som viser hvor stor del av partikkelen vil bli frest; sørge for at frese gitteret er plassert nøyaktig over partikkel i den del som skal freses.
    5. Etter hver skive ta en høy kvalitet e-bjelke bilde for senere gjenoppbygging. Å velge de riktige e-bjelke parametre, velge "Setup" -menyen og velg "eBeam Bildeskanneparametere".
      Merk: Dette vil gi et rutenettfor å velge oppløsning og holdetid. Jo høyere holdetid, jo mer tid det tar å samle bildet.
  10. Benytte en 3D rekonstruksjon programvarepakke, rekonstruere sett med bilder hentet fra FIB / SEM som beskrevet tidligere 25. Merk: Det oppnås en fullstendig 3D virtuell kopi av partikkelen, som deretter kan benyttes for å beregne overflatearealet kontakt, porøsitet av de individuelle partikler, diffusiv lagtykkelse, så vel som utallige andre nyttige parametere.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For å fremstille nanostrukturerte energetiske kompositter, er en blanding av de ønskede pulverformede komponenter (typisk mikrometer størrelse) mekanisk behandlet i henhold til forhåndsinnstilte malebetingelser. Behandlingstiden (vanligvis minutter) blir nøyaktig kontrollert for å generere de sammensetningshomogenis nanocomposite partikler, men ikke tillater selvbærende kjemisk reaksjon for å initiere under fresing.

Figur 1 og video 1 viser at kontaktflaten mellom reaktantene i komposittpartiklene øker med flere størrelsesordener sammenlignet med den opprinnelige blanding. Etter HEBM hver komponent er inkorporert i matrisen til en annen komponent. I de fleste tilfeller er de oppnådde nanostrukturerte energetiske kompositter er fullstendig tett med høyt kontaktareal mellom reaktantene (figur 2). Dessuten kan reaktantene blandes på en skala på mindre enn 100 nm. Det er også viktig at tuning HEBM forholdene tillater reglerion av den interne mikrostrukturen av komposittmaterialer. Det ses på figur 2 at forskjellige blandings grader mellom reaktanten kan oppnås i det samme systemet. Videre danner HEBM ferske (oksygenfrie) kontakter mellom reaktantene. Figur 3 viser at HEBM fjerner effektivt beskyttende oksid lag på start metall (f.eks Al) partikler. Mørke feltet (DF) bilde av transmisjonselektronmikroskopi (TEM) analyse kombinert med energi-spredt røntgenspektroskopi (EDX) i Ni / Al sammensatte partikler tydelig viser nye grenser mellom reaktantene som er oksygenfritt.

Til tross for justering av den interne mikrostrukturen av komposittpartikler HEBM muliggjør regulering av størrelsen av partiklene. For eksempel kan dette oppnås ved å endre rotasjonsrate (k) av solhjulet (1400 rpm) og møllekrukke (fra 700 til 1300 rpm). Video bildebehandling viser at flere HEBM regimer kan forekommeavhengig av k-forhold. Blandingen av kuler og pulver k ≤ 1.5 blir "skyve" på overflaten av glasset (Video 2). I 1,85 ≤ k <1,5 intervall intensive kollisjoner med baller ta steder (Video 3). Figur 4 viser at slike ulike HEBM regimer betydelig påvirke størrelser av partikler, dvs. grove partikler (100-150 mikrometer) dannes i "skyve" regime, mens mange fine partikler (10-50 um) kan fremstilles i kollisjons regime.

Sammen med utarbeidelse av energiske sammensatte partikler, beskriver protokollen deres karakteriseringsteknikker. En slik tilnærming avslører de viktige koblinger mellom utarbeidelse av materialer, deres mikrostruktur og reaktivitet av sammensatte partikler. For eksempel, detaljert mikro etterforskning av Ti / C sammensatte partikler avslørt thpå, etter 3 min av HEBM, et karbonrikt lag dannet mellom de flate titanlagene 11 på grunn av kaldsveising. TEM-bilder i figur 5 indikerer at karbon-sjiktet inneholder jevnt fordelte titan nanopartikler og titankarbid (TiC) kjerner.

Temperatur-tidsprofiler som er tatt opp ved infrarød avbildning for Ti / C-komposittpartikler er vist i figur 5C .De partikler ble plassert på en varm plate med en temperatur på ~ 600 K. Et høyhastighets Thermo-Vision system ble anvendt for å overvåke tid- temperaturhistorie av partikkelen. Den valgte temperaturmåleområdet var 600-1,200 K. Det kan sees at materialet, etter 2 minutter av mekanisk behandling, ikke kan være selv antent under de undersøkte betingelser. Selvantennelsestemperaturen etter 3 min av HEBM er ca 600 K, mens etter 5 og 7,5 min av behandling Tig er godt under 600 K. Det er interessant at antennelsestemperaturen er igjen over 600 Kfor en frese tid på 9 min. Denne effekten kan forklares ved dannelsen av en mengde av TiC fase i møllekrukke. Det bør bemerkes at det ved forbrenning av en konvensjonell Ti + C blanding, mikrostrukturen av reaksjonsmediet forblir uforandret ved opptreden av en flytende metallfase (1941 K), og den eksoterme reaksjonen startes ved ~ 2000 K. Disse resultatene indikerer at en direkte sammenheng mellom mikrostruktur dannet under HEBM og antennelsestemperaturen. Dannelse av intime oksygenfrie kontakt mellom reaktanter og produkt kjerner gjør Ti / C-komposittmaterialer meget reaktive som antennelsestemperaturen synker fra 2000 til 600 K. HEBM også i betydelig grad påvirker tenningsforsinkelsestiden, dvs. den tid etter neddykking av partikkelen i en ovn og inntil reaksjonsstart, samt forbrenningsfront forplantningshastighet. Temperatur-tidsprofilene i Figur 5C viser at tenningsforsinkelsestiden minker også med en økningfresing tid.

Det er verdt å merke seg at forbrenning av mekanisk fabrikkert kompositt viser store fordeler for syntese av nanostrukturerte materialer. Under forbrenning av konvensjonelle medier, er ekstremt vanskelig kontroll av mikrostrukturen av produktet. For eksempel, reaksjonsbegynnelsestemperatur på konvensjonell Ni + Al faller sammen med den eutektiske laveste temperaturen i systemet (~ 910 K). Den flytende fase som dannes under reaksjonen i vesentlig grad endrer mikrostrukturen av den opprinnelige blanding (figur 6). I de mekanisk fremstille kompositter, de reaksjoner forløper under den eutektiske temperaturen i systemet, som fullstendig eliminerer dannelsen av flytende faser, dvs. en sann faststoff forbrenning, den såkalte faste flamme, finner sted. Dette er bevist ved en begynnelsesreaksjonstemperatur så lavt som 470 K, mens den laveste eutektiske temperaturen i dette system forekommer ved 910 K; Dette innebærer at en betydelig con versjonen må oppstå på grunn av en ren faststoffreaksjon. Prøver som er fremstilt fra slike komposittpartikler beholde sin form og mikrostruktur (figur 6).

Figur 1
Figur 1. Den transformasjonen av den heterogene reaktive media mikrostruktur under høy-energi kulemaling: Skjematisk fremstilling av transformasjonen av mikrometerstørrelse partikler av individuelle reaktanter til en lagdelt komposittpartikler (A), og dannelse av Ni / Al komposittpartikler ved hjelp HEBM av nikkel og aluminium reagenser (B). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

fig2.jpg "/>
Figur 2. Tuning kontaktflaten mellom reaktantene ved å variere HEBM forhold for ulike systemer. Ni / Al (A - C), Ti / C (D, E) og Ta / C (F) Klikk her for å se et større versjon av denne figur.

Figur 3
Figur 3. Dannelse av oksygenfrie kontakter mellom reagenser: Skjematisk representasjon (A), Bright felt bilde av en Ni / Al grensen dannet av HEBM (B) og Energy dispersive X-ray spektroskopi (EDS) profiler av nikkel, aluminium og oksygen (C). Værklikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Utarbeidelse av sammensatte partikler med ulik størrelse ved å justere forholdet (k) av sol hjulet og fresing jar rotasjonshastigheter. K ≤ 1.5 (A) og 1,8 ≤ k <1,5 (B) Klikk her for å se en større versjon av denne figur.

Figur 5
Figur 5. Forholdet mellom mikrostruktur, og reaktiviteten av komposittpartiklene: A TEM-bilde av Ti / C-komposittpartikler (A), høy oppløsning TEM-bilde av tic nanopartikler (B (C) Ti / C sammensatte partikler ulike frese ganger (2, 3, 5, 7,5, 9 min). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
Figur 6. Syntese av materialer med pre-designet mikrostruktur ved hjelp av forbrenning av nanostrukturerte sammensatte partikler. Mikrostrukturer av NiAl intermetallics med konvensjonelle medier (A) og mekanisk fabrikkert sammensatte partikler (B) Klikk her for å se en større versjon av dette figur.

Tabell 1. Noen kjennetegn ved energiske materialer.

Video 1. "Slice og utsikt" avbildning av en Ni / Al sammensatt partikkel.

Video 2. "Sliding" regime av HEBM på k ≤ 1,5.

Video 3. Intensive kollisjoner med baller i 1,85 ≤ k <1,5 intervall.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen gir en detaljert beskrivelse for utarbeidelse av reaktive energiske (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) nanocomposites med skreddersydd mikrostruktur ved hjelp av kortsiktige HEBM metoden. HEBM av gassløs heterogene blandinger innebære deres behandling i en high-speed planetkulemølle, hvor partiklene i blandingen underkastes mekanisk påvirkning med en kraft som er tilstrekkelig for nedbrytning av sprø komponenter (for eksempel grafitt) og deformasjon av plastkomponenter (for eksempel Al , Ti, Ta, Ni). Sprø reaktantene males til finere partikler, og kan bli amorfe, mens plast metaller er utsatt for flere deformasjoner og kaldsveising, danner komposittpartikler. Små fragmenter av skjøre komponenter er ofte funnet inne i partiklene av plast reaktanter. Finjustering av HEBM forholdene tillater for kontroll av komposittpartikkelstørrelser og deres iboende mikrostruktur. Det skal bemerkes at en slik grad av kontroll i microstructure ikke kan oppnås i de fleste andre teknikker som er tilgjengelige for fremstilling av nanostrukturerte energetiske kompositter. Dermed energien som frigjøres i mekanisk fabrikkert energisk kompositter kunne styres nøyaktig etter deres mikrostruktur gjennom finjustering av HEBM forhold.

De unike HEBM betingelser også tillater en å produsere de ikke-metastabile likevektsmettede oppløsninger, som gjør reaksjonene skal skje ved betydelig lavere temperaturer enn vanlige pulverblandinger. Videre, i noen tilfeller reaksjoner forløper under den eutektiske temperaturen i systemet, som fullstendig eliminerer dannelsen av flytende faser. Prøver som er fremstilt fra slike komposittpartikler beholde sin form og mikrostruktur.

En bruk av HEBM er i produksjon av svært reaktive, energisk nanocomposites. Denne prosessen er enkel, svært økonomisk, og lett skaleres. Det er to store problemer med denne prosessen, men. Den første ersikkerhetsmessige spørsmål; denne prosessen skaper nanocomposites som er svært reaktive, og som sådan, må operatøren følge alle sikkerhetsprosedyrer. Dette inneholder sikkerhetsprosedyrer som gjelder driften av maskinen selv og til mer spesielle sikkerhets prosedyrer knyttet til forbindelsene blir utnyttet. På grunn av den svært reaktive beskaffenhet av disse nanokompositter; en begrenset mengde av dette materialet skal produseres til kunnskap om sikkerheten av det aktuelle systemet er konstatert. Endelig kan urenheter knyttet til fartøyet bli innført. Dette kan føre til forurensning enkel eller til og med uønskede bireaksjoner. Tredje, utarbeidelse av pore-fri kompositter (f.eks, maling, filmer) er vanskelig og krever flere trinn (kald sprøyting eller rullerende) 26.

Avtalen gir også inngående informasjon om karakterisering av mekanisk fabrikkert nanostrukturerte energisk kompositter. Bruken av høyhastighets infrarød teknikker enllows for nøyaktig romlig (2 mikrometer), termisk (5 K), og tidsmessig oppløsning (15.000 fps). Dette muliggjør nøyaktig karakterisering av de sammensatte partikler, inkludert deres tid-temperatur-historie, antennelsestemperatur, forsinkelsestid, og forplantningshastighet.

Protokollen er en viktig rettesnor for utarbeidelse av ulike energiske nanomaterialer (gassløs) som kan brukes som enten høy energitetthet kilder eller for syntese og bearbeiding av avanserte nanomaterialer ved forbrenningsbaserte tilnærminger. Det kan enkelt endres til å gjelde termitt-systemer, og andre energiske materialer som metall-polymer kompositter.

Kritiske trinnene i protokollen omfatter den innledende utarbeidelse av nanocomposites, fra veiing av pulver og velge riktig kostnad ratio. I tillegg er det av avgjørende betydning å sikre at den indre atmosfæren av glasset er inert gjennom Ar spyling. Valg av ballfrese parametere, inkludert omdreiningshastighet og total maletid er nødvendig for å skreddersy mikrostrukturen. Endelig eksponeringen, innsamling, og klassifisering av pulveret med en trygg prosedyre er viktig, for at eksperimentet er ødelagt. Fremstilling av pulvere for eksperimentering ved å trykke bestemmer de data som kan bli samlet inn, etterfulgt av nøyaktig analyse av dataene. Bruk av FIB S & V-programmet for å generere en 3D-datasett for analyse er også av betydning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Materials

Mole gas sluppet per 100 g Energitetthet per volum, kJ / cm3 Antennelsestemperaturen, 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
Gass- Systems
Al + Ni 0 -7,13 910/520
Ta + 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

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

    Video Stats