Gaslessナノエネルギー物質の調製と反応性

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
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Engineering

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Summary

このプロトコルは、(HEBM)技術を粉砕短期高エネルギーボールを使用してgaslessナノ構造エネルギー物質(ニッケル+アル)、タンタル(Ta + CはTi + C)の調製を記載する。また、機械的に製造されたナノ複合体の反応性を研究するために、高速熱画像形成方法が記載されている。これらのプロトコルは、他の反応性ナノエネルギー物質に拡張することができる。

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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).

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Abstract

高エネルギーボールミリング(HEBM)をボールミルに投入し混合粉末をボールからの高エネルギー衝突に供されるボールミリング法である。他の用途の中でも、体積当たりのエネルギー密度がニッケル(Ni +は、Al、Taの+ CはTi + C)とgasless反応性ナノ構造材料の効果的な調製を可能にする多目的な技術である。 HEBM間に起こる反応媒体の構造変化は、生産高エネルギー複合体における反応機構を定義する。処理条件を変化させること製作複合粒子のミリングにより誘導される微細構造の微調整を可能にする。今度は、高エネルギー密度材料の反応性、 すなわち 、自己着火温度、着火遅れ時間、ならびに反応速度論は、その微細構造に依存する。ミリング誘発性微細構造の分析は、試薬iの間に新鮮な無酸素親密な高表面積接触の形成を示唆しているそれらの反応性の強化の責任だ。これは、発火温度と遅延時間、化学反応速度の増加、および反応の効果的な活性化エネルギーの全体的な減少の低下となって現れる。プロトコルは、短期HEBM法を使用して調整され、微細構造と反応性ナノ複合体の調製のための詳細な説明を提供する。また、エネルギー物質の点火/燃焼特性を決定するために、高速熱画像形成技術が記載されている。プロトコルは、ナノ構造の高エネルギー複合体の種々の調製および特性に適合させることができる。

Introduction

古典的なエネルギー物質、 すなわち、爆薬、推進薬および花火は急速な発熱反応1-5の間に放出することができる貯蔵された化学エネルギーの高い量を有する材料のクラスである例えば、爆発物は通常に燃料と酸化剤のグループを組み合わせることによって生成される1分子。これらの材料のエネルギー密度が非常に高い。例えば、分解トリニトロトルエン(TNT)の際に7.22 kJの/ cm 3で放出し、非常に短い時間で100グラム( 表1)あたりのガスの8.36モルを形成する。これらの材料は、マイクロメートルスケールの有機及び無機の種(燃料と酸化剤)で構成されている。

反応は、無機化合物との間で行わテルミットシステム、 すなわち、金属( 例えば、アルミニウム)と酸化物を還元鉄(Fe 2 O 3、CuOを、のBi 2 O 3)は 、エネルギー物質の別の種類に属する。エネルギー密度このようなシステムの(15-21 kJの/ cm 3)を TNTで、しかしガス生成物(100g当り0.15〜0.6モル)の量は、典型的には爆発物( 表1)の場合よりもはるかに小さいことを超えている。また、ナノthermitesは、燃焼波伝播(>千メートル/秒)2 ​​-5の非常に高い速度が表示されることがあります。

最近、金属または耐火性化合物を形成gasless不均質反応系ニッケル(Ni + AlやTiの+ CはTi + B)の数はまた、エネルギー物質とみなすことができる6-12が示された。これらのシステムのエネルギー密度(kJの/ cm 3の)TNT( 表1)より近いまたはそれ以上である。同時に、反応中のガス生成物が存在しないことのナノ物質の合成を、耐火物と異なる部品の反応性接合、gaslessマイクロ発電機、11-17を含む種々の用途のためのそのような材料の優れた候補となる。しかし、RELatively thermites(〜千K)に比べて、それらのシステム(900-3,000 K、 表1を参照)の高い発火温度は、アプリケーションを妨げる。設計ナノ複合材料の製造は、かなりgasless異種システム12-14、17の着火·燃焼特性を向上させることができます。

多くの方法が、ゾル-ゲル20-22、蒸着技術16,17,23,24、ならびに高エネルギー、自己集合が5近づくよう18,19を混合し、超音波などの操作されたエネルギッシュなナノコンポジットを製造するために開発されているボールミリング(HEBM)1,5。ナノ粉末の超音波混合の欠点は、金属ナノ粒子上に厚さ(5-10 nm)の酸化物シェルは、エネルギー密度を低下させ、反応混合物の燃焼性能を低下させることである。また、燃料と酸化剤の分布は均一ではなく、反応物との間の界面の接触が密接ではない。ゾル - ゲルANdは自己組織化戦略は、特定のテルミットナノコンポジットの調製のために開発された。低コストの技術であるにもかかわらず、これらの戦略は、環境の観点からグリーンに点灯していない。また、多量の不純物を調製コンポジット中に導入される。蒸着又はマグネトロンスパッタリング、反応性多層箔およびコアシェルエネルギー物質を調製するために使用される。これは、無孔および理論的モデルを簡素化し、精度を向上させることができる複合材料の十分に定義された幾何学的形状を提供する。しかし、この技術は、スケールアップするには高価かつ困難である。また、調製した層状ナノ複合材料は、特定の条件下で不安定である。

高エネルギーボールミリング(HEBM)は、ナノ構造エネルギッシュな複合材5、9 -14の効果的な製造を可能にする環境にやさしい、簡単にスケーラブルなアプローチである。 HEBMが安価であり、種々の反応物質の組成物( 例えば 、使用することができrmites、金属間化合物を形成する反応は、炭化物、ホウ化物、 など )。

プロトコルは、短期HEBM法を用いて調整され、微細構造と反応性のエネルギッシュなニッケル(Ni + AlやTiの+ C)、タンタル(Ta + C)ナノ複合材料を調製するための詳細な説明を提供する。それはまた、加工されたエネルギー物質の点火/燃焼特性を決定するために、高速熱画像形成技術が記載されている。最後に、集束イオンビーム(FIB)を搭載電界放射型走査電子顕微鏡(FESEM)を使用して、ナノ複合材料の微細構造の分析を示す。プロトコルのいずれかの高エネルギー密度源として燃焼ベースのアプローチによって、高度なナノ材料の合成及び処理に使用することができ、異なるエネルギーのナノ材料(gaslessとテルミットシステム)を製造するための重要な指針である。

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Protocol

1.高エネルギーボールミリング

  1. 1のモル比はNi + Alの混合物:最初の1の35グラムを準備します。この場合には、Alを11.02グラムおよびNi粉末23.98グラムの重量を量る。
  2. このシステムのHEBM用スチール粉砕ジャーを使用してください。 、瓶を追加する粉末よりも高い硬度を有することを確認してくださいそれ以外の粉末は、瓶が破損しますと、汚染が発生します。注:標準ジャーの選択肢は、鋼、酸化ジルコニウム、タングステンカーバイドを含む。
  3. 1ボール:5使うこのシステムの粉末(電荷比)、 すなわち 10 mmの鋼球175グラム。ボールがそうでなければ、ボールまたはJARのいずれかが破損します瓶と同じ材料で作られていることを確認します。
    注:電荷比は、粉末とフライスエージェント間の相互作用の強さを定義します。
  4. ジャーにボールと粉末を追加します。
  5. 瓶を密封し、アルゴンにより機械式ポンプとパージによってジャーから雰囲気ガスを送り出す。アルゴンガスを充填し、パージの4サイクルを実施(これは、瓶内に残っている酸素が存在しないことを保証する)。最後に、少し(0.13 MPa)を大気圧よりアルゴンガスとの瓶を埋める。
  6. 遊星ボールミルに瓶を挿入します。
  7. 瓶の回転率のために毎分(rpm)650革命と内部回転(太陽歯車)のための1400 RPMを選択してください。
    注:いくつかの場合において、合計輪(1400 rpm)でミリングジャー(700から1300 rpmまで)の回転比(k)は、複合粒子の微細構造を調節するために変化させた。
  8. 15分間HEBM手順を実行します。注意:システムが記載された条件のために、17分に等しく、重要な時期を持っている。反応瓶中に発生する前にシステム上で実施することができるミリングの有限量で存在する。 HEBMが長く、重要な時間より行われている場合は、反応が実験を台無しに、ボールミルジャーの中で発生します。
  9. 粉砕時間の完了後、RTに瓶を冷却した後、ドラフトにjarファイルを移動します。
    1. 初期加圧粉砕の間に放出可能なガスから過剰なガス圧を除去するために瓶ベント。
    2. ヒュームフードの下に瓶から蓋を外します。瓶を開いたときに形成された粉末は、非常に反応性があるとして、注意してください。耐熱手袋、安全ゴーグルを着用してjarファイルを開きます。
    3. 粉末を収集する前に、「不動態化」のために少なくとも5分間風にそれを公開します。
      注:これは混合物の処理中に発生する可能性が自発的な反応を防ぐことができます。

エネルギー物質の2.反応性キャラクタリゼーション

  1. ジャーから粉末を収集します。この手順のための金属製のヘラを使用しないでください。
    1. 粒子の分類および分離が所望される場合、ふるいを利用する。適切な分離が行われていることを確認するには、長期間(12+時間)のためのふるい振とう機を使用しています。さまざまなサイズのビン(10ミクロンの下で、10〜20ミクロン、20から53程度に粉末を分類、ABOVE 53ミクロン)。以降この点から、20から53ミクロンサイズの粒子を使用しています。
  2. 2.0分の滞留時間で5ミリメートルのステンレス鋼のプレス金型(1360メガパスカル)で1100キロに設定されて一軸プレス機を用いてペレットに篩い分けした粉末を押します。マイクロメータペレットの高さ(h)及び直径(d)を記録する。スケールで試料の重量(m)を記録します。ここから、ペレットの密度を決定する。以下の式による理論最大密度パーセント(TMD%)を計算します。
    式1
    ここでは、Al、NI - AlとNiの原子重量。 ρAlおよびρ はNi - AlとNiの密度。粉末の化学量論比が追加初期の粉末の比率を保持していることを前提としています。
    1. 円筒形ペレットは、反応前に、燃焼フロント​​伝搬速度と温度プロファイルを決定するために使用されている場合、それは≥2(; H≥10ミリメートル例えば、D = 5ミリメートル)であるべき高さと直径との比で決まる、十分な高であることを確認してください。
    2. ペレットが点火パラメータを定義するために使用されている場合は、薄いディスク( 例えば、直径= 5mmの厚さ= 1 mm)を使用。
  3. 燃焼特性を定義するには、黒鉛板上にサンプルを置く。
  4. 可変変圧器に接続されたコイル状タングステン線を作成します。
  5. ワイヤーのコイル状の部分は、ペレットの上に載るようにWコイルを配置します。反応系は酸素感受性である場合に、そうでなければ屋外で反応を行い、無酸素反応室でこれを行う。
  6. 燃焼波の速度を決定するために、高速度カメラからの記録を使用。ポジションとは、試験試料上での高速サーマルカメラの焦点を合わせると、録音を開始。これが収集されるように正確な温度と燃焼速度情報が有効になります。
  7. 燃焼プロセスの所望のパラメータを得るために、記録されたIRムービーのフレーム分析によってフレームを行う。
    1. 対時間反応フロント伝播の位置をプロットします。プロットの傾きから平均燃焼速度を取得します。
    2. サンプルの中央のスポットの温度変化をプロットする。反応波の温度時間プロファイルについての情報を得るために、得られたグラフを使用してください。
  8. 点火特性(着火温度と着火遅れ時間)を定義するために所望の温度( 例えば、800 K)に予熱されたホットプレート上に薄いディスクを置く。彼らはペレットのサイズ、ホットプレートの温度、またはTMDであるかどうか、任意のパラメータが変更された場合は、この実験から得られた正確な値が有意に変化することに注意してください。この分析は、determinatするのに便利ですトレンドのイオン。
    1. 決定するために、点火パラメータは、高速度カメラを使用する。位置とは、試料をホットプレート上に置き、録音を開始する領域に高速サーマルカメラの焦点を合わせる。
      注:これは、プロセスの間に正確な温度情報が有効になります。
      1. 反応は敏感酸素である場合には、酸素を含まない反応室でこれを行う。重要:良い統計的データセットを得るために、この実験を複数回実行します。
    2. 焦点のゾーンにペレットを入れてください。粒子は、すべてのフレームで見ることができた方法でこれを行う - それはペレットはホットプレートに触れることを最初のフレームを参照してくださいすることが重要です。
    3. 所望の点火パラメータを取得するために、記録されたIRムービーのフレーム分析によってフレームを行う。
    4. ペレットは、反応開始前に、ホットプレートの表面に接触したときに、最初のフレームの間の時間を決定し、着火遅れ時間を決定する。 発火温度を決定するには、粒子上の最高温度スポットをプロットします。時間 - 温度プロファイルは、熱爆発レジームと予熱温度プロフィールのものと切り替わると、変曲点が発火温度と一致する。

フォーカスイオンビーム(FIB)により搭載電界放射型走査電子顕微鏡(FESEM)を使用3.微細構造解析

  1. 走査電子顕微鏡(SEM)試料ホルダーの表面上に懸濁液を10mlのエタノールおよび預金一滴で製作粒子0.1gをサスペンド。
  2. 5分間90℃で試料ホルダーを乾燥させる。
  3. デュアル·ビームFIB / SEMシステムに試料を挿入します。
  4. 5分間サンプルプラズマ洗浄を行う。注:このサンプルは、電子ビーム(Eビーム)への曝露から経験する損傷の量を減少させる。
  5. Eビーム(5 kVの、3.5 NA)の電源をオンにし、単一の粒子に焦点を当てています。リンクトン彼作動距離にZ高、その後ユーセントリックの高さにサンプルを上げる。
  6. ガス注入針で電子ビームを使用して、ガリウムイオンビーム(Iビーム)の使用によって劣化から保護するために、試料上に白金(70 nm)の初期層を堆積させる。
  7. 52℃にサンプルを傾け、その後、Iビームをオンにします。ガス注入針で再び、Iビーム(5 kVの、0.28 nAの)を使用して、保護のために試料上に白金(0.5ミクロン)の追加の層を堆積させる。
  8. サンプル上の基準マークをカット。ミル矩形状に粒子。これは非常に使用するために複数の切り傷やコーナーがあるだろうことから、十分な信認があること可能性が高くなります。
  9. プログラムの助けを借りて、Iビームを有する粒子をスライス。
    1. 画像が保存されるディレクトリを選択し、次に「イメージの保存場所」「ファイル」を選択します。
    2. 個々の粒子に応じて、適切な幅、LENを選択g番目、深。粒子の全体積を完全に粉砕機にこれらを選択します。さらに、スライスの数、並びに画像当たりのスライス数を選択する。これらのオプションは、「スライス」タブで見つけることができます。
    3. 「ユーティリティ」、次に「カレンツを提案する」を選択することで、ビーム電流を設定します。注:これは、サンプルの損傷に対する保護しながら、プログラムが適切な時間内に、ミルにサンプルを適切なビーム電流を選択することができるようになります。
    4. "ショー"をクリックすると、ソフトウェアは、粒子の一部が粉砕されるかを示し、視覚的フラ​​イスグリッドを提供します。フライスグリッドを粉砕される部分で、粒子の上に正確に配置されていることを確認してください。
    5. 各スライスした後、後に再構成のために、高品質の電子ビーム像を取る。 、適切な電子ビームパラメータを選択して「設定」メニューを選択し、「のeBeam画像スキャンパラメータ」を選択します。
      注:これは、グリッドを与えるだろう解像度を選択し、滞留時間である。滞留時間が高いほど、より多くの時間が、画像を収集するのに要する。
  10. 3次元再構成ソフトウェアパッケージを利用して、以前に記載25のようにFIB / SEMから収集した画像のセットを再構築する。注:これは、その後の接触表面積、個々の粒子の多孔度、拡散層の厚さ、ならびに無数の他の有用なパラメータを計算するために使用することができ、粒子の完全な3D仮想コピーが得られる。

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Representative Results

ナノエネルギッシュな複合材を調製するために、所望の粉末成分の混合物(典型的には、マイクロメートルサイズ)は、機械的に予め設定されたミリング条件下で処理される。処理時間(通常は数分)を正確に組成的に均質化されたナノ複合粒子を生成するように制御されるが、自己持続化学反応を可能にしないと、粉砕中に開始すること。

桁違いに複合粒子が増大する反応体との接触面積は、最初の混合物に比較して、図1ビデオ1を示している。 HEBM後、各コンポーネントが別のコンポーネントのマトリックスに組み込まれている。ほとんどの場合、得られたナノ複合材料は、高エネルギーの反応体間の高い接触面積( 図2)と完全に密である。さらに、反応物は、100nm未満の規模で混合することができる。これは、チューニングHEBM条件はregulatを可能にすることも重要である複合材料の内部微細構造のイオン。これは、反応物との間の異なる混合度は、同じシステム内で達成することができることが図2に見られる。また、HEBMは(無酸素)反応物間の接触を新鮮形成している。 図3は HEBMが効果的に初期の金属( 例えば、Al)の粒子上保護酸化物層を除去することを示している。のNi / Alの複合粒子のエネルギー分散型X線分光法(EDX)と結合透過型電子顕微鏡(TEM)分析の暗視野(DF)像は明らかに酸素を含まない反応物との間の新たな境界を示す。

複合粒子の内部微細構造のチューニングにもかかわらずHEBMは、粒子の大きさの調節を可能にします。例えば、これは、太陽歯車(1400 rpm)でミリングジャー(700から1300 rpmまで)の回転比(k)を変更することによって達成することができる。いくつかのHEBM体制が発生する可能性があることをビデオ画像ショーk個の比に応じ。 1.5≤ボールと粉kの混合物は、瓶( ビデオ2)の表面に「スライド」される。 1.85≤Kの<ボールの1.5間隔集中的な衝突は、場所を取る( ビデオ3)。図4は、「スライディング」が形成されているような異なるHEBM体制が大幅に粒子、 すなわち、粗大粒子(100〜150ミクロン)の大きさに影響を与えることを示している政権、多くの微粒子(10-50μm)を衝突体制で製造することができますが。

エネルギッシュな複合粒子の製造とともに、プロトコルが彼らの特性評価手法について説明します。このようなアプローチは、複合粒子の材料の調製、それらの微細構造と反応性との間の重要なリンクを明らかにしている。例えばTi / C複合粒子の微細構造の詳細な調査は番目を明らかにしたHEBM、平坦化されたチタン層11との間に形成された炭素リッチ層の3分後に起因する冷間溶接に、で。 。図5におけるTEM画像は、炭素層が均一に分布チタン粒子とチタンカーバイド(TiCを)核を含んでいること示している。

チタン/ C複合粒子赤外線イメージングによって記録された温度-時間プロファイルは、時間を監視するために使用された600〜K. A高速サーモビジョンシステムの温度でホットプレート上に配置した図5C .theの粒子中に示されている粒子の温度履歴。選択された温度測定範囲は、それが材料は、機械的処理の2分後に、調べ条件下で自己着火することができないことが分かる600-1,200 K.た。ティグ600 K.それは発火温度は600 Kの上に再度あることは興味深いだけでなく下にある処置の5分後に7.5ながらHEBMの3分後に自着火温度は、約600 Kである9分の粉砕時間のために。この効果は、製粉ジャー中のTiC相の量の形成によって説明される。これは、これらの結果は、ことを示す〜2000 Kで開始することは、従来のTi + Cの混合物の燃焼中に、反応媒体の微細構造は、液体金属相(1941 K)と発熱反応の出現の際に変化しないことに留意すべきである直接リンクはHEBMと発火温度の間に形成された微細構造の間に存在する。反応物および生成核との間の密接な無酸素接触の形成発火温度が2000から600に低下するようにTi / C複合材は、非常に反応性になりK. HEBMも有意に着火遅れ時間に影響を与える、 すなわち 、中に粒子を浸漬後の時間炉反応開始、ならびに燃焼フロント​​伝播速度まで。 図5Cの温度-時間プロファイルは、着火遅れ時間もの増加と共に減少することを示す粉砕時間。

それは、機械的に製造された複合材料の燃焼がナノ構造材料の合成のための大きな利点を示していることは注目に値する。従来の媒体の燃焼中に、製品の微細構造の制御が極​​めて困難である。例えば、従来のNi + Alとの反応開始温度は、システム(〜910 K)の最も低い共融温度と一致する。反応中に形成された液相が著しく初期混合物( 図6)の微細構造を変化させる。機械的に製造された複合材料では、反応は完全に、液相、 すなわち、固体炎 、いわゆる真の固体燃焼の形成を排除が起こる系の共晶温度以下に進む。このシステムで最も低い共晶温度は910 Kで起こるのに対し、これは、470 Kと低い開始反応温度によって証明される。これはかなりの詐欺ことを意味しているバージョンは、純粋に固相反応に起因する必要があります。そのような複合粒子から調製された試料は、その形状や微細構造( 図6)を保持。

図1
層状複合粒子(A)に対する個々の反応物のマイクロメートルサイズの粒子の変換の概略図、および使用して、ニッケル/アルミニウム複合粒子の形成:高エネルギーボールミリングの間に不均一な反応媒体の微細組織の変態。図ニッケルとアルミニウムとの反応物(B)のHEBM。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

fig2.jpg "/>
図2.チューニング異なるシステムのためHEBM条件を変化させることにより、反応物質との接触面積:ニッケル/ Alの(A - C)はTi / C(D、E)とTa / C(F)。 拡大表示するには、ここをクリックしてくださいこの図のバージョン。

図3
無酸素反応物質間の接触の図3の形成:模式図(A)、HEBM(B)により形成されたNi ​​/ Alの境界の明視野像及びエネルギー分散型X線分光法(EDS)ニッケル、アルミニウムのプロファイルおよび酸素(C)。 してくださいこの図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図4
太陽歯車と粉砕ジャー回転速度の比(k)を調整することによって異なるサイズの複合粒子の図4.準備:1.5(A)≤kおよび1.8≤K <1.5(B) 拡大版を表示するには、こちらをクリックしてくださいこの図の。

図5
図5の微細構造及び複合粒子の反応性との関係:のTi / C複合粒子(A)、TiCのナノ粒子の高解像度TEM像のTEM像(B (C)は、様々な粉砕時間(2、3、5、7.5、9分)。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図6
ナノ構造複合粒子の燃焼を使用して、あらかじめデザインされた微細構造を持つ材料の図6.合成:機械的に従来の媒体(A)を用いた金属間化合金属間化合物の微細構造とは、複合粒子(B)を作製した。 これの拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください図。

表1.エネルギッシュな材料のいくつかの特性。

映像1のNi / Alの複合粒子の「スライスアンドビュー」イメージング。

ビデオ2。 1.5≤kでHEBMの"スライド"政権。

ビデオ3。 1.85≤K <1.5間隔でのボールの集中衝突。

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Discussion

プロトコルは、短期HEBM法を用いて調整され、微細構造と反応性のエネルギッシュなチタン(Ti + C)、タンタル(Ta + CはNi + Al)のナノ複合体の調製のための詳細な説明を提供する。 gasless不均一な混合物のHEBMは、混合物の粒子は、 例えば 、プラスチック部品の脆い成分の分解( 例えば、グラファイト)や変形(Alのための十分な力で機械的衝撃にさらされる高速遊星ボールミルでその処理を含むはTi、Taを、Ni)を。プラスチック、金属、複数の変形及び冷間溶接が施されている間に脆い反応物は、複合粒子を形成し、微細な粒子に粉砕され、非晶質になることがある。脆い部品の小さな断片は、多くの場合、プラスチックの反応物質の粒子中に発見されている。 HEBM条件の微調整は、複合粒子のサイズ及びそれらの固有の微細構造の制御を可能にする。それはmicrostructur制御の程度に留意すべきであるeは、ナノ構造エネルギッシュな複合材料の製造のための現在利用​​可能なほとんどの他の技術では達成できない。このように機械的に製造されたエネルギッシュな複合材料中に放出されるエネルギーを精密HEBM条件の微調整を通じて、微細構造によって制御することができた。

ユニークHEBM条件もつは、従来の粉末混合物よりも有意に低い温度で発生する反応を可能にする準安定な非平衡過飽和溶液を生成することを可能にする。また、場合によっては反応が完全に液体相の形成を排除するシステムの共融温度以下に進む。そのような複合粒子から調製された試料は、その形状や微細構造を保持します。

HEBMの用途の1つは、反応性の高い、エネルギッシュなナノ複合材料の製造である。このプロセスは、非常に経済的で簡単であり、容易にスケーリング。このプロセスとの二つの大きな問題がしかし、があります。最初は、安全性の問題。このプロセスは、反応性が高いナノコンポジットを作成し、そのように、オペレータは、すべての安全手順に従ってください。これはマシン自体の操作にと利用されて化合物に関連するより具体的な安全手順に関連する一般的な安全手順が含まれています。これらのナノ複合体の高い反応性のため、特定のシステムの安全性についての知識が確認されるまで、この材料の限られた量は、生成されるべきである。最後に、容器に関連する不純物を導入することができる。これは、単純な汚染、あるいは望ましくない副反応をもたらすことができる。第三に、無孔複合材料( 例えば、コーティング、フィルム)の製造は困難であり、追加の手順(コールドスプレーまたはローリング)26が必要です。

プロトコルは、機械的に製造されたナノ構造エネルギッシュな複合材料の特性評価に関する詳細な情報を提供します。高速赤外線技術Aの使用正確な空間(2ミクロン)、(5 K)熱、および時間分解能(15000 FPS)のためllows。これは、それらの時間 - 温度履歴、着火温度、遅延時間、及び伝播速度を含む複合粒子の正確な特徴付けを可能にする。

プロトコルのいずれかの高エネルギー密度源として燃焼ベースのアプローチによって、高度なナノ材料の合成及び処理に使用することができ、異なるエネルギーのナノ材料(gasless)の製造のための重要な指針である。これは、簡単にテルミットシステム、及びそのような金属 - ポリマー複合材のような他のエネルギー物質に適用するように変更することができる。

プロトコル内の重要なステップは、粉末の秤量し、適切な電荷比を選択することから開始するナノコンポジットの最初の調製が含まれる。さらに、それは瓶の内部の雰囲気はアルゴンパージを介して不活性であることを保証するために極めて重要である。ボールの選択回転数との合計粉砕時間などの製粉パラメータは、微細構造を調整するために必要である。実験が台無しにされないように最後に、安全な手順で粉末の露出、収集、分類は、重要である。押して、実験用粉末の製造は、データの正確な分析が続く収集できるデータを決定する。 FIB S&Vプログラムを使用することも重要である分析のための3Dデータセットを生成する。

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Disclosures

著者らは、開示することは何もない。

Materials

モグラGA100グラムあたりに放出S 体積当たりのエネルギー密度は、kJの/ cm 3 着火温度、K
トリニトロトルエン(TNT) 8.36 -7.22 510
シロアリ
2AL + 3CuO 0.54 -20.8 900-1,100
2alと+のFe 2 O 3 0.14 -16.4
2alと+のBi 2 O 3 0.47 -15.2
Gaslessシステム
アル+ニッケル 0 -7.13 520分の910
TA + C 0 -10.9 3000/1500
チタン+ 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

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References

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