Förberedelse och reaktivitet i gasfri Nanostrukturerade energetiska material

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

Detta protokoll beskriver framställningen av gasfri nanostrukturerade energetiska material (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) med hjälp av kortsiktiga hög energi boll fräsning (HEBM) teknik. Den beskriver också en hög hastighet termisk avbildning metod för att studera reaktivitet mekaniskt tillverkade nanokompositer. Dessa protokoll kan utvidgas till andra reaktiva nanostrukturerade energetiska material.

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

Hög-energi kulmalning (HEBM) är en kulmalning process där en pulverblandning placeras i kulkvarnen kastas högenergetiska kollisioner från kulorna. Bland andra applikationer, är det en mångsidig teknik som möjliggör en effektiv beredning av gasfri reaktiva nanostrukturerade material med hög energitäthet per volym (Ni + Al, Ta + C, Ti + C). De strukturella omvandlingar av reaktiva medier, som äger rum under HEBM, definierar reaktionsmekanismen i de producerade energiska kompositer. Varierande bearbetningsförhållandena tillåter finjustering av fräs-inducerade mikro av de tillverkade kompositpartiklar. I sin tur reaktiviteten, dvs, självantändningstemperatur, tändfördröjningstiden, samt reaktionskinetik, av material med hög energitäthet beror på dess mikrostruktur. Analys av fräs-inducerade mikro antyder att bildningen av färska syrefria intima hög ytan kontakter i området mellan reagensen is ansvariga för att höja deras reaktivitet. Detta visar sig i en minskning av antändningstemperatur och fördröjningstid, en ökad frekvens av kemisk reaktion, och en total minskning av den effektiva aktiveringsenergin för reaktionen. Protokollet ger en detaljerad beskrivning för beredning av reaktiva nanokompositer med skräddarsydda mikro använder kortsiktiga HEBM metoden. Den beskriver också en höghastighets termisk avbildningsteknik för bestämning av antändnings / förbränningsegenskaper hos de energetiska material. Protokollet kan anpassas till framställning och karakterisering av olika nanostrukturerade energiska kompositer.

Introduction

Klassiska energetiska material, det vill säga, sprängämnen, drivmedel och pyroteknik är en klass av material med hög mängd lagrad kemisk energi som kan frigöras vid snabb exoterm reaktion 1-5. Till exempel är sprängmedel oftast genereras genom att kombinera bränsle och oxidationsmedel grupper i en molekyl. Energitätheten hos dessa material är mycket hög. Till exempel, vid sönderdelning trinitrotoluen (TNT) frigör 7,22 kJ / cm 3 och bildar 8,36 mol gaser per 100 g (tabell 1) i en mycket kort tidsperiod. Dessa material består av mikrometerskala organiska och oorganiska arter (bränslen och oxidationsmedel).

Termit system, där reaktioner äger rum mellan oorganisk förening, dvs, minska metaller (t.ex. Al) och oxider (Fe 2 O 3, CuO, Bi 2 O 3), hör till en annan typ av energetiska material. Energidensiteten(15-21 kJ / cm3) av sådana system överstiger TNT, men mängden gas produkter (0,15-0,6 mol per 100 g) är typiskt mycket mindre än för sprängämnen (Tabell 1). Dessutom kan nano thermites visar extremt höga hastigheten hos förbrännings vågutbredning (> 1000 m / sek) 2 -5.

Det har nyligen visat 6-12 att ett antal gasfri heterogena reaktiva system (Ni + Al, Ti + C, Ti + B) som bildar intermetalliska eller eldfasta föreningar också kan betraktas som energetiska material. De energi densiteter (kJ / cm 3) i dessa system är närmare eller högre än den hos TNT (tabell 1). Samtidigt, frånvaron av gasprodukter under reaktionen gör sådana material utmärkta kandidater för en mängd olika tillämpningar, inklusive syntes av nanomaterial, reaktiv bindning av eldfast och olika delar, gasfri mikro generatorer, etc. 11-17. Emellertid reldevis hög antändningstemperatur av dessa system (900-3,000 K, se tabell 1) jämfört med thermites (~ 1000 K) hindrar sina ansökningar. Beredningen av konstruerade nanostrukturerade kompositer skulle avsevärt förbättra antändnings och förbränningsegenskaper gasfri heterogena system 12-14, 17.

Många metoder har utvecklats för att tillverka de tekniska energiska nanokompositer, såsom ultraljud blanda 18,19, närmar självmontering 5, sol-gel 20-22, ångdeponeringstekniker 16,17,23,24, samt hög energi kulmalning (HEBM) 1,5. Nackdelen med ultraljud blandning av nano-pulver är att en tjock (5-10 nm) oxid skal på metallnanopartiklar minskar energitäthet och försämrar förbränningen prestanda reaktiva blandningar. Dessutom är fördelningen av bränsle och oxidationsmedel inte likformig, och den gräns kontakten mellan reaktanterna är inte intim. Sol-gel ettd självmonteringsstrategier utvecklades för beredning av specifika termit nanokompositer. Trots att billiga tekniker, dessa strategier inte gröna ur miljösynpunkt. Dessutom håller stora mängder föroreningar införes i framställda kompositer. Ångavsättning eller magnetronförstoftning användes för att framställa reaktiva flerskikts folier och kärna-skal energetiska material. Det ger en porfri och väldefinierad geometri av kompositer som förenklar teoretisk modellering och förbättrar noggrannheten. Emellertid är denna teknik dyr och svår att skala upp. Dessutom de förberedda skiktade nanokompositer är instabila i vissa förhållanden.

Hög energi Ball Fräsning (HEBM) är en miljövänlig, skalbar metod som möjliggör effektiv tillverkning av nanostrukturerade energiska kompositer 5, 9 -14. HEBM är billig och kan användas med olika reaktiva materialsammansättningar (t.ex., denrmites, reaktioner som bildar inter, karbider, borider, etc.).

Protokollet ger en detaljerad beskrivning för beredning av reaktiva energiska (Ni + Al, Ti + C, Ta + C) nanokompositer med skräddarsydda mikro med hjälp av kortsiktiga HEBM metoden. Den beskriver också en hög hastighet termisk bildteknik för att bestämma antändnings / förbränningsegenskaper som rice energetiska material. Slutligen visar analysen av mikrostrukturen av nanokompositer som använder fältemissionssvepelektronmikroskop (FESEM) Utrustad med fokuserad jonstråle (FIB). Protokollet är en viktig vägledning för beredning av olika energiska nanomaterial (gasfri och termit system) som kan användas som antingen hög energitäthet källor eller för syntes och bearbetning av avancerade nanomaterial genom förbränningsbaserade strategier.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Hög energi Ball Fräsning

  1. Bered 35 g av den initiala 1: 1 molförhållande Ni + Al blandning. I det här fallet väger 11,02 g Al och 23.98 g Ni-pulver.
  2. Använd en stålfräsning burk för HEBM av detta system. Säkerställ att burken har en högre hårdhet än pulvren som skall tillsättas, annars pulvren kommer att skada burken och förorening kommer att uppstå. Obs: Typiska jar alternativ inkluderar stål, zirkoniumoxid, eller volframkarbid.
  3. Använd en 5: 1 boll: pulver (laddningsförhållande) för detta system, dvs 175 g 10 mm stålkulor. Se till att kulorna är tillverkade av samma material som burken annars antingen kulorna eller burken kommer att skadas.
    Obs: Debiteringsgraden definierar intensiteten i samverkan mellan pulver och fräs agenter.
  4. Lägg bollar och pulver i burken.
  5. Täta burken och pumpa atmosfärisk gas från burken genom mekanisk pump och utrensning av argon. Genomföra fyra cykler av fyllning och spolning med Ar-gas(Detta säkerställer att det inte finns något syre kvar i burken). Slutligen fyller burken med argongas något över (0,13 MPa) lufttryck.
  6. Sätt i kruka i en planetkulkvarn.
  7. Välj 650 varv per minut (rpm) för graden av revolutionen burk och 1.400 rpm för inåtrotation (solhjul).
    Obs: I vissa fall har rotationsförhållandet (k) av summan hjul (1400 rpm) och fräs burk (från 700 till 1.300 rpm) varieras för att reglera mikrokompositpartiklar.
  8. Kör HEBM förfarandet för 15 min. Obs: Systems har en kritisk tid, vilket för de beskrivna förhållanden, lika 17 min. Det finns en begränsad mängd fräsning som kan utföras på systemet innan reaktionen sker i burken. Om HEBM bedrivs längre än den kritiska tiden, kommer en reaktion inträffa i bollen-fräs burk, ruinera experimentet.
  9. Efter avslutad frästiden, kyla burken till RT, och sedan flytta burken till ett dragskåp.
    1. Ventilera burken för att avlägsna överskott gastryck från initial trycksättning och eventuell gas frigörs vid fräsning.
    2. Ta bort locket från burken under dragskåp. Var försiktig när du öppnar burken, eftersom pulvret bildas är mycket reaktiva. Öppna burken bär värmebeständiga handskar och skyddsglasögon.
    3. Innan samla pulver, utsätta den för luft i minst 5 minuter för "passive".
      Obs: Detta förhindrar spontan reaktion som kan uppstå vid hantering av blandningen.

2. reaktivitet karakterisering av energetiska material

  1. Samla pulvret från burken. Använd inte en metallisk spatel för denna procedur.
    1. Om klassificering och separation av partiklarna är önskvärd, utnyttja siktar. För att säkerställa att åtskillnad görs, använd en sil shaker under en längre tidsperiod (12+ tim). Klassificera pulvret i olika storlek lådor (enligt 10 pm, 10-20 pm, 20-53 um, enBove 53 | im). Från denna punkt och framåt, använd 20-53 um stora partiklar.
  2. Tryck på siktade pulver i en pellet med hjälp av en enaxlig press satt till 1.100 kg på en 5 mm rostfritt stål press dö (1360 MPa) för en uppehållstid av 2,0 minuter. Anteckna höjd (h) och diametern (d) av pelleten med en mikrometer. Notera vikten av provet (m) med en skala. Härifrån bestämma densiteten hos pelleten. Beräkna teoretisk max densitet procent (TMD%) med följande formel:
    Ekvation 1
    där A Al, En Ni - atomvikt Al och Ni; ρ Al och ρ Ni - täthet av Al och Ni. Antag att det stökiometriska förhållandet mellan pulvren behåller förhållandet mellan de initiala pulvren tillsatta.
    1. Om cylindriska pelleten används för att bestämma en förbränningsfront utbredningshastighet och temperaturprofil i reaktions främre,se till att den är lång nog, bestäms av förhållandet mellan höjd och diameter som bör vara ≥2 (t.ex. d = 5 mm, h ≥ 10 mm).
    2. Om pellets används för att definiera tändparametrar, använd en tunn skiva (t.ex. diameter = 5 mm, tjocklek = 1 mm).
  3. För att definiera förbränningsegenskaper, placera provet på en grafitplatta.
  4. Gör en lindad volframtråd fäst till en variabel transformator.
  5. Placera W polen, så att den lindade delen av tråden vilar på toppen av pelleten. Om det reaktiva systemet är syrekänslig, gör detta i en syrefri reaktionskammare, annars utför reaktionen i fria luften.
  6. För att bestämma förbrännings våghastighet, använda inspelningen från höghastighetskamera. Position och fokusera höghastighetståg värmekamera på den testade provet och börja spela in. Detta kommer att möjliggöra noggrann temperatur och förbränningshastighetsinformation som ska samlas in.
  7. För att erhålla de önskade parametrar i förbränningsprocessen, genomföra bildruta för bildruta analys av den inspelade IR filmen.
    1. Rita position reaktionsfront förökning kontra tid. Skaffa den genomsnittliga förbränningshastigheten från lutningen på tomten.
    2. Plotta temperaturförändringar i en plats i mitten av provet. Använd den erhållna grafen för att få information om temperaturtidsprofil för reaktionsvågen.
  8. För att definiera antändningsegenskaper (antändningstemperatur och tändfördröjningen tid) satte den tunna skivan på en värmeplatta förvärmd till önskad temperatur (t.ex. 800 K). Observera att de exakta värden som erhålls från detta experiment kommer att variera kraftigt om några parametrar ändras, oavsett om de är storleken på pellets, temperaturen på värmeplattan, eller TMD. Denna analys är användbar för determination av trender.
    1. För att bestämma tänd parametrarna använder höghastighetskamera. Position och fokusera höghastighetståg värmekamera på området där provet kommer att placeras på den varma plattan och starta inspelningen.
      Obs: Detta kommer att möjliggöra noggrann temperaturinformation under processen.
      1. Om reaktionen är syrekänslig, utför detta i en syrefri reaktionskammaren. VIKTIGT: Kör detta experiment flera gånger för att få en god statistisk dataset.
    2. Sätt pelleten in i zonen fokus. Gör detta på ett sätt som partikeln kunde ses på varje ram - det är viktigt att se den första bildrutan som pelleten vidrör den varma plattan.
    3. För att få de önskade tändparametrarna, genomföra bildruta för bildruta analys av den inspelade IR-film.
    4. För att bestämma den tändningsfördröjningstiden, bestämma tidsintervallet mellan den första ramen, när pelleten vidrör ytan av kokplattan, till reaktions initiering. För att bestämma antändningstemperaturen, plotta den högsta temperaturen plats på partikeln. När tid-temperaturprofilen den växlar från den för en förvärmning temperaturprofil till det av en termisk explosiv regim, brytpunkten matchar antändningstemperatur.

3. Mikroanalys Använda fältemissionssvepelektronmikroskop (FESEM) Utrustad med Focus Ion Beam (FIB)

  1. Suspendera 0,1 g av de tillverkade partiklarna i 10 ml etanol och insättning en droppe av suspensionen på en yta av svepelektronmikroskopi (SEM) provhållare.
  2. Torka provhållaren vid 90 ° C under 5 min.
  3. Sätt provet i en dubbel balk FIB / SEM-system.
  4. Genomföra plasmaprovet rengöring i 5 min. Obs: Detta minskar mängden skador att provet kommer att uppleva från exponering för elektronstrålen (E-beam).
  5. Slå på E-balken (5 kV, 3,5 nA) och fokusera på en enda partikel. Länk tHan z-höjd till arbetsavståndet, höj sedan provet till eucentric höjd.
  6. Använda E-balk med gasen injektionsnål, deponera ett initialt skikt av platina (70 nm) på provet för att skydda från nedbrytning genom användning av gallium jonstrålen (I-balk).
  7. Luta provet till 52 °, och slå sedan på I-balk. Med hjälp av I-balken (5 kV, 0,28 nA), återigen med gasen injektionsnål, deponera ett ytterligare skikt av platina (0,5 ^ m) på provet för skydd.
  8. Skär referensmärken på provet. Mill partikeln till en rektangulär form. Detta ökar avsevärt chansen att det blir en lämplig förvaltare, eftersom det kommer att finnas flera nedskärningar och hörn att använda.
  9. Med hjälp av ett program, skivar partikeln med I-balken.
    1. Välj "File" och sedan "Bild Spara plats" för att välja en katalog där bilderna ska sparas.
    2. Beroende på den enskilda partikeln, välj lämplig bredd, length, och djup; väljer dessa att helt kvarnen genom hela volymen av partikeln. Dessutom väljer du antalet skivor, liksom antalet skivor per bild. Dessa alternativ kan hittas i "Slice" -fliken.
    3. Ställ strålströmmen genom att välja "Verktyg" och sedan "Föreslå Strömmar". Obs: Detta gör att programmet för att välja lämplig strålströmmen till kvarn provet i rimlig tid och skyddar samtidigt mot provskador.
    4. Klicka på "Show" och programmet kommer att ge en visuell fräs rutnät som visar hur stor del av partikeln kommer att fräsas; säkerställa att fräs gallret är korrekt placerad över partikeln i det parti som skall fräsas.
    5. Efter varje skiva tar en högkvalitativ e-beam bild för senare rekonstruktion. Att välja lämpliga e-beam parametrar, välj menyn "Setup" och välj "eBeam bildskanning parametrar".
      Obs: Detta kommer att ge ett rutnätatt välja upplösning och uppehållstid. Ju högre uppehållstiden är, desto mer tid det tar att samla in bilden.
  10. Använda en 3D rekonstruktion programpaket, rekonstruera uppsättning av bilder som samlats in från FIB / SEM som beskrivits tidigare 25. Anmärkning: Detta ger en komplett 3D virtuell kopia av partikeln, som sedan kan användas för att beräkna ytarean kontakt, porositeten hos de individuella partiklarna, diffusiv skikttjocklek, liksom otaliga andra användbara parametrar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

För att framställa nanostrukturerade energiska kompositer, är en blandning av önskade pulverformiga komponenter (typiskt mikrometerstora) mekaniskt behandlas under förinställda malningsbetingelser. Handläggningstid (typiskt minuter) är noggrant kontrollerad för att generera de sammansättningshomogeniserade nanokomposit partiklar men inte tillåter självunderhållande kemisk reaktion för att initiera under fräsning.

Figur 1 och Video 1 visar att kontaktytan mellan reaktanterna i kompositpartiklarna ökar med tiopotenser jämfört med den ursprungliga blandningen. Efter HEBM varje komponent införlivas i matrisen av en annan komponent. I de flesta fall, de erhållna nanostrukturerade energiska kompositer är helt tät med högt kontaktområde mellan reaktanterna (Figur 2). Vidare kan reaktanterna blandas på en skala från mindre än 100 nm. Det är också viktigt att avstämnings HEBM förhållanden medger regulatjonen av den interna mikrostrukturen hos kompositer. Det ses i figur 2 att olika blandnings grader mellan reaktanten kan uppnås i samma system. Dessutom bildar HEBM färsk (syrefria) kontakter mellan reaktanter. Figur 3 illustrerar att HEBM effektivt avlägsnar den skyddande oxidskikt på det initiala metall (t.ex. Al) partiklar. Mörkt fält (DF) bild av transmissionselektronmikroskop (TEM) analys i kombination med energiröntgenspektroskopi (EDX) i Ni / Al sammansatta partiklar visar tydligt nya gränser mellan reaktanterna som är syrefri.

Trots avstämning av den interna mikrostrukturen för kompositpartiklar HEBM möjliggör reglering av storleken av partiklarna. Till exempel kan detta uppnås genom att ändra rotationsförhållandet (k) av solhjul (1.400 rpm) och fräs burk (från 700 till 1.300 rpm). Video imaging visar att flera HEBM regimer kan inträffaberoende på k-förhållande. Blandningen av kulor och pulver k ≤ 1.5 är "glidande" på ytan av burken (Video 2). I 1,85 ≤ k <1.5 intervall intensiva kollisioner av bollar tar platser (Video 3). Figur 4 visar att sådana olika HEBM regimer väsentligt påverka storleken på partiklarna, dvs grova partiklar (100-150 nm) bildas i "glidande" regimen, medan många fina partiklar (10-50 | im) kunde framställas i kollisionen regimen.

Tillsammans med beredning av energiska kompositpartiklar, beskriver protokollet sina karakteriseringstekniker. Ett sådant tillvägagångssätt avslöjar de viktiga sambanden mellan beredning av material, deras mikrostruktur och reaktivitet av sammansatta partiklar. Till exempel, ingående mikro undersökning av Ti / C kompositpartiklar avslöjade thDetta sker efter tre min av HEBM, ett kolrikt skikt bildas mellan de tillplattade titanskikten 11 på grund av den kallsvetsning. TEM bilder i figur 5 visar att koldioxidlager innehåller jämnt fördelade titan nanopartiklar och titankarbid (TiC) kärnor.

Temperatur-tidsprofilerna registrerats av infraröd avbildning för Ti / C sammansatta partiklar visas i figur 5C .De partiklar placerades på en varm platta med en temperatur på ~ 600 K. En Höghastighets Thermo-Vision-systemet användes för att övervaka tids temperaturhistorik av partikeln. Den valda temperaturmätningsintervall var 600-1,200 K. Det kan ses att materialen, efter 2 min av mekanisk behandling, kan inte vara själv antänds enligt de undersökta betingelser. Den självantändningstemperatur efter 3 min av HEBM är ca 600 K, medan efter 5 och 7,5 min behandling Tig är långt under 600 K. Det är intressant att antändningstemperaturen är åter över 600 Kför en maltid av 9 min. Denna effekt förklaras av bildningen av en mängd av TiC fas i malnings burken. Det bör noteras att det vid förbränning av en konventionell Ti + C blandning, mikrostrukturen hos reaktionsmediet förblir oförändrad vid uppträdandet av en flytande fas metall (1941 K) och den exoterma reaktionen initieras vid ~ 2000 K. Dessa resultat indikerar att en direkt koppling finns mellan mikrostrukturen bildas under HEBM och antändningstemperatur. Bildning av intima syrefria kontakter mellan reaktanter och produkt kärnor gör Ti / C kompositer extremt reaktiva som antändningstemperaturen sjunker från 2000 till 600 K. HEBM också signifikant påverkar tändfördröjningen, dvs tiden efter nedsänkning partikeln i en ugn och tills reaktionen initiering, samt förbrännings front utbredningshastighet. Temperatur-tidsprofilerna i Figur 5C visar att tändfördröjningstiden minskar också med en ökning avmalningstid.

Det är värt att notera att förbränning av mekaniskt fabricerade komposit visar stora fördelar för syntes av nanostrukturerade material. Under förbränning av konventionella medier, är extremt svår kontroll över mikrostrukturen hos produkten. Exempelvis reaktionsstarttemperaturen för konventionell Ni + Al sammanfaller med den lägsta eutektiska temperaturen hos systemet (~ 910 K). Vätskefasen som bildas under reaktionen förändras väsentligt mikrostrukturen hos den ursprungliga blandningen (figur 6). I mekaniskt tillverkade kompositer, reaktionerna fortsätter under den eutektiska temperaturen i systemet, vilket helt eliminerar bildandet av flytande faser, det vill säga, en riktig solid-state förbrännings, så kallad fast flamma, sker. Detta bevisas av en begynnande reaktionstemperaturen så låg som 470 K, medan den lägsta eutektiska temperaturen i detta system sker vid 910 K; Detta innebär att en betydande con versionen måste uppstå på grund av en rent solid-state reaktion. Prover framställda av sådana sammansatta partiklar behåller sin form och mikrostruktur (figur 6).

Figur 1
Figur 1. Omvandlingen av den heterogena reaktiva medierna mikrostruktur under hög energi kulmalning: Schematisk representation av omvandlingen av mikrometerstorlek partiklar av enskilda reaktanter till en skiktad kompositpartiklar (A), och bildningen av Ni / Al kompositpartiklar genom att använda HEBM av nickel och aluminium reaktanter (B). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

fig2.jpg "/>
Figur 2. Tuning kontaktytan mellan reaktanterna genom att variera HEBM villkor för olika system:. Ni / Al (A - C), Ti / C (D, E) och Ta / C (F) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3
Figur 3. Bildande av syrefria kontakter mellan reaktanterna: Schematisk representation (A), Bright fält bilden av en Ni / Al gräns som utgörs av HEBM (B) och Energiröntgenspektroskopi (EDS) profiler av nickel, aluminium och syre (C). Vänligenklicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 4
Figur 4. Beredning av sammansatta partiklar med olika storlek genom att ställa förhållandet (k) av solhjul och fräsning burk rotationshastigheter:. K ≤ 1,5 (A) och 1,8 ≤ k <1,5 (B) Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 5
Figur 5. Förhållandet mellan mikrostruktur och reaktivitet av kompositpartiklar: En TEM bild av Ti / C kompositpartikel (A), hög upplösning TEM bild av TiC nanopartiklar (B (C) av Ti / C sammansatta partiklar olika malningstider (2, 3, 5, 7,5, 9 min). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6
Figur 6. Syntes av material med pre-designade mikro genom förbränning av nanostrukturerade kompositpartiklar. Mikrostrukturer av Nial inter använder konventionell media (A) och mekaniskt tillverkade kompositpartiklar (B) Klicka här för att se en större version av denna figur.

Tabell 1. Vissa egenskaper hos energetiska material.

Video 1. "Hacka och utsikt" avbildning av en Ni / Al komposit partikel.

Video 2. "Sliding" regim HEBM vid k ≤ 1.5.

Video 3. Intensiva kollisioner av bollar i 1,85 ≤ k <1,5 intervall.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollet ger en detaljerad beskrivning för beredning av reaktiva energiska (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) nanokompositer med skräddarsydda mikro med hjälp av kortsiktiga HEBM metoden. HEBM av gasfri heterogena blandningar involverar deras bearbetning i en hög hastighet planetkulkvarn, där partiklarna i blandningen utsätts för mekanisk påverkan med en kraft som är tillräcklig för nedbrytning av spröda komponenter (t.ex. grafit) och deformation av plastkomponenter (t.ex. Al , Ti, Ta, Ni). Sköra reaktanter mals till finare partiklar och kan bli amorfa, medan plast metaller utsätts för flera deformationer och kallsvetsning, bildar kompositer partiklar. Små fragment av spröda komponenter ofta hittas inuti partiklar av plast reaktanter. Finjustering av HEBM förhållandena tillåter kontroll av storlekar sammansatta partikel och deras inneboende mikrostruktur. Det bör noteras att en sådan grad av kontroll i microstructure inte kan uppnås i de flesta andra metoder som finns tillgängliga för beredning av nanostrukturerade energiska kompositer. Således den energi som frigörs i mekaniskt tillverkade energiska kompositer kan kontrolleras exakt av deras mikro genom finjustering av HEBM förhållanden.

De unika HEBM förhållanden också tillåta en att producera de metastabila icke-jämviktsmättade lösningar, vilket gör det möjligt för reaktioner att uppträda vid betydligt lägre temperaturer än konventionella pulverblandningar. Dessutom, i vissa fall de reaktioner fortskrider under den eutektiska temperaturen hos systemet, vilket helt eliminerar bildningen av flytande faser. Prover framställda av sådana sammansatta partiklar behåller sin form och mikrostruktur.

En användning av HEBM är i produktion av mycket reaktiva, energiska nanokompositer. Denna process är enkel, mycket ekonomiskt, och enkelt skalas. Det finns två stora problem med denna process, dock. Den första ärsäkerhetsfrågor; denna process skapar nanokompositer som är mycket reaktiva, och som sådan, måste föraren följa alla säkerhetsprocedurer. Detta innehåller allmänna säkerhetsförfaranden i samband med driften av själva maskinen och mer specifika säkerhetsprocedurer som rör de föreningar som utnyttjas. På grund av den mycket reaktiva naturen av dessa nanokompositer; en begränsad mängd av detta material bör produceras förrän kunskap om säkerheten i det specifika systemet konstateras. Slutligen kan föroreningar rör fartyget införas. Detta kan leda till enkel förorening eller till oönskade sidoreaktioner. Tredje, utarbetande av porfria kompositer (t.ex. beläggningar, filmer) är svårt och kräver ytterligare steg (kall sprutning eller rullning) 26.

Protokollet ger också fördjupad information om karakterisering av mekaniskt fabricerade nanostrukturerade energiska kompositer. Användningen av höghastighetståg infrarödteknik allows för noggrann spatial (2 ^ m), termisk (5 K), och temporal upplösning (15000 bps). Detta möjliggör noggrann karakterisering av de sammansatta partiklar, inklusive sin tid-temperaturhistorik, antändningstemperatur, fördröjningstid, och utbredningshastighet.

Protokollet är en viktig vägledning för beredning av olika energiska nanomaterial (gasfri) som kan användas som antingen hög energitäthet källor eller för syntes och bearbetning av avancerade nanomaterial genom förbränningsbaserade strategier. Det kan lätt modifieras för att gälla för termit system och andra energetiska material som metall-polymer kompositer.

Kritiska steg inom protokollet omfattar den inledande beredningen av nanokompositer, från vägningen av pulvren och välja lämplig avgift förhållandet. Dessutom är det av central betydelse för att säkerställa att den interna atmosfären av burken är inert genom Ar rensning. Urval av bollenfräs parametrar, däribland varvtal och fullständig malning tiden är nödvändig för att skräddarsy mikrostrukturen. Slutligen exponeringen, insamling och klassificering av pulvret med en säker procedur är viktiga, så att experimentet är förstört. Beredning av pulver för experiment genom att trycka bestämmer data som kan samlas, följt av noggrann analys av data. Användning av FIB S & V-program för att skapa en 3D-dataset för analys är också av betydelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har ingenting att lämna.

Materials

Mole gas släppt per 100 g Energidensiteter per volym, kJ / cm3 Antändningstemperatur, K
Trotyl (TNT) 8,36 -7,22 510
Termiter
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
Gasfri 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