Preparação e reactividade de Gasless Nanostructured materiais energéticos

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

Este protocolo descreve a preparação de gasless nanoestruturados materiais energéticos (Ni + Al, Ta + C, Ti + C), usando a bola de alta energia de curto prazo fresagem (HEBM) técnica. Ele também descreve um método de imagem térmica de alta-velocidade para estudar a reactividade de nanocompósitos fabricadas mecanicamente. Estes protocolos podem ser alargados a outros materiais energéticos nanoestruturados reactivo.

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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

De alta energia moagem (HEBM) é um processo de moagem, onde uma mistura de pó colocado no moinho de bolas é submetido a colisões de alta energia a partir das esferas. Entre outras aplicações, é uma técnica versátil, que permite a preparação eficiente de materiais nanoestruturados GASLESS reactivos com alta densidade de energia por unidade de volume (Ni + Al, Ta + C, de Ti + C). As transformações estruturais da mídia reativas, que acontecem durante HEBM, definir o mecanismo de reação nos compósitos energéticos produzidos. Variando as condições de processamento permite o ajuste fino das microestruturas induzida por moagem das partículas compósitas fabricadas. Por sua vez, a reactividade, ou seja, a temperatura de auto-ignição, o tempo de atraso de ignição, bem como a cinética da reacção, dos materiais de alta densidade de energia depende da sua microestrutura. Análise das microestruturas induzida por moagem sugere que a formação de novos contactos íntimos alta área de superfície livre de oxigénio entre os reagentes ié responsável para o reforço da sua reatividade. Isto manifesta-se numa redução da temperatura de ignição e o tempo de atraso, um aumento na taxa de reacção química, e uma diminuição global da energia de activação da reacção eficaz. O protocolo fornece uma descrição detalhada para a preparação de nanocompósitos reativos com microestrutura adaptados utilizando o método HEBM de curto prazo. Ele também descreve uma técnica de geração de imagens térmicas de alta velocidade para determinar as características de ignição / combustão dos materiais energéticos. O protocolo pode ser adaptado para a preparação e caracterização de uma variedade de compostos energéticos nanoestruturados.

Introduction

Materiais energéticos clássicos, ou seja, explosivos, propulsores e pirotecnia são uma classe de material com uma elevada quantidade de energia química armazenada que pode ser liberada durante a reação exotérmica rápida 1-5. Por exemplo, explosivos geralmente são gerados através da combinação de grupos de combustível e oxidante em uma molécula. A densidade de energia desses materiais é muito alta. Por exemplo, após a decomposição trinitrotolueno (TNT) liberta 7,22 kJ / cm 3 e 8,36 moles de forma estufa por 100 g (Tabela 1) num período muito curto de tempo. Estes materiais são compostos de espécies em escala micrométrica orgânicos e inorgânicos (combustíveis e oxidantes).

Sistemas Thermite, onde ocorrem as reacções entre o composto inorgânico, isto é, reduzindo a metais (por exemplo, Al) e os óxidos de (Fe 2 O 3, CuO, Bi 2 O 3), pertencem a um outro tipo de materiais energéticos. A densidade de energia(15-21 kJ / cm 3) de tais sistemas que excede de TNT, no entanto, a quantidade de produtos gasosos (0,15-0,6 moles por 100 g) é tipicamente muito menor do que para explosivos (Tabela 1). Além disso, os nano-thermites pode mostrar extremamente alta velocidade de propagação de ondas de combustão (> 1000 m / seg) 2 -5.

Recentemente, foi demonstrado que um número 12/06 de GASLESS sistemas reactivos heterogéneos (Ni + Al, Ti + C, de Ti + B) que formam compostos intermetálicos ou refractários, também poderia ser considerado como materiais energéticos. As densidades de energia (kJ / cm 3) destes sistemas estão mais próximas ou mais elevada do que a de TNT (Tabela 1). Ao mesmo tempo, a ausência de produtos de gás durante a reacção torna estes materiais excelentes candidatos para uma variedade de aplicações, incluindo a síntese de nanomateriais, colagem reactivo de refractário e partes desiguais, geradores de energia de micro GASLESS, etc. 11-17. No entanto, o reltivamente alta temperatura de ignição desses sistemas (900-3,000 K, ver Tabela 1), em comparação com thermites (~ 1.000 K) dificulta suas aplicações. A preparação de compostos nanoestruturados engenharia poderia aumentar significativamente as características de ignição e combustão de sistemas heterogêneos gasless 12-14, 17.

Muitos métodos têm sido desenvolvidos para fabricar os nanocompósitos energéticos modificadas, tais como ultra-sons mistura 18,19, auto-montagem aproxima 5, sol-gel de 20-22, as técnicas de deposição de vapor 16,17,23,24, bem como de alta energia moagem de esferas (HEBM) 1,5. A desvantagem de mistura de ultra-sons de nano-pó é que um (5-10 nm) shell de óxido de espessura em nanopartículas metálicas reduz a densidade de energia e degrada o desempenho de combustão de misturas reativas. Além disso, a distribuição de combustível e oxidante não é uniforme, e o contacto interfacial entre os reagentes não é íntima. Sol-gel de umd estratégias de auto-montagem foram desenvolvidos para a preparação de nanocompósitos cupim específicos. Apesar de ser técnicas de baixo custo, essas estratégias não são verde do ponto de vista ambiental. Além disso, grandes quantidades de impurezas são introduzidos compósitos preparados. Deposição de vapor ou pulverização catódica é utilizado para preparar folhas multi-camada e reactivas core-shell materiais energéticos. Ele fornece uma geometria e bem definido, livre de poros de compósitos que simplifica a modelação teórica e aumenta a precisão. No entanto, esta tecnologia é cara e difícil de adaptar-se. Além disso, os nanocompósitos em camadas preparadas são instáveis ​​em certas condições.

-High Energy moagem (HEBM) é uma abordagem ambientalmente amigável, facilmente escalável que permite a fabricação efetiva de compósitos nanoestruturados energéticos 5, 9 -14. HEBM é barato e pode ser utilizado com várias composições de material reactivo (por exemplo, armites, reacções que formam compostos intermetálicos, carbonetos, boretos, etc.).

O protocolo fornece uma descrição detalhada para a preparação de energéticos (Ni + Al, Ti + C, C + Ta) nanocompósitos reactivos com microestrutura adaptados usando o método HEBM de curto prazo. Ele também descreve uma técnica de geração de imagens térmicas de alta velocidade para determinar as características de ignição / combustão dos materiais energéticos como-fabricadas. Finalmente, mostra a análise da microestrutura dos nanocompósitos utilizando Field Emission Microscópio Eletrônico de Varredura (FESEM) Equipada por Focused Ion Beam (FIB). O protocolo é um guia importante para a preparação de diferentes nanomateriais energéticos (gasless e sistemas thermite) que podem ser utilizados como fontes de densidade ou de alta energia ou para a síntese e processamento de nanomateriais avançados por abordagens baseadas em combustão.

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Protocol

Bola Fresagem 1. de alta energia

  1. Preparar 35 g de 1 a inicial: 1 proporção molar de Ni + Al mistura. Neste caso, pesa 11,02 g de Al, e 23,98 g de pó de Ni.
  2. Use um frasco de moagem de aço para HEBM deste sistema. Certifique-se de que o frasco tem uma dureza maior do que os pós a ser adicionado, caso contrário, os pós irão danificar o frasco e irá surgir a contaminação. Nota: escolhas jar típicos incluem aço, óxido de zircônio, ou carboneto de tungstênio.
  3. Utilize a 5: 1 bola: pó (razão de carga) para este sistema, ou seja, 175 g de esferas de aço de 10 mm. Certifique-se de que as bolas são feitas do mesmo material que o frasco de outra forma, quer as bolas ou o frasco vai ser danificado.
    Observação: A razão de carga define a intensidade da interacção entre o pó e os agentes de moagem.
  4. Adicionar bolas e pós para a jarra.
  5. Selar a jarra e bombear o gás atmosférico do frasco por bomba mecânica e purga por argônio. Conduzimos quatro ciclos de enchimento e de purga com gás Ar(Isto assegura que não há oxigénio que permanece no frasco). Finalmente, encher o frasco com gás argônio ligeiramente acima (0,13 MPa) pressão atmosférica.
  6. Insira o frasco em um moinho de bolas planetário.
  7. Escolha 650 rotações por minuto (rpm) para a taxa de revolução do frasco e 1.400 rpm para a rotação interna (roda do sol).
    Nota: Em alguns casos, a relação de rotação (k) da roda de soma (1.400 rpm) e frasco de moagem (de 700 a 1.300 rpm) foi variado para regular a microestrutura de partículas compósitas.
  8. Executar o procedimento HEBM durante 15 min. Nota: Os sistemas têm um momento crítico, o que, para as condições descritas, é igual a 17 min. Há uma quantidade finita de moagem que pode ser realizado no sistema antes de a reacção ocorra no frasco. Se HEBM é conduzida mais tempo do que o tempo crítico, a reacção irá ocorrer no frasco da bola de moagem, estragando o experimento.
  9. Após a conclusão do tempo de moagem, arrefecer o frasco para RT e, em seguida, passar o frasco para uma coifa.
    1. Ventile o frasco para remover o excesso de pressão do gás de pressurização inicial e possível gás liberado durante a moagem.
    2. Retire a tampa do frasco sob a coifa. Tome cuidado ao abrir o frasco, como o pó formado é muito reativo. Abra o frasco usando luvas resistentes ao calor e óculos de segurança.
    3. Antes de coletar pó, expô-la ao ar por pelo menos 5 minutos para "passivation".
      Nota: Isso impede reação espontânea que pode ocorrer durante o manuseio da mistura.

2. Reatividade Caracterização de materiais energéticos

  1. Recolhe-se o pó a partir do frasco. Não use uma espátula metálica para este procedimento.
    1. Se a classificação e separação das partículas é desejado, utilizar crivos. Para assegurar que a separação adequada é feita, utilizar um agitador de crivo, por um período de tempo prolongado (12+ h). Classificar o pó em várias caixas de tamanho (abaixo de 10 mm, 10-20 mm, 20-53 mm, umaBove 53 mm). Deste ponto em diante, use 20-53 mm partículas de tamanho.
  2. Pressionar os pós peneirados num sedimento utilizando uma prensa uniaxial definir a 1.100 kg de 5 milímetros de aço inoxidável prima matriz (1,360 MPa) durante um tempo de pausa de 2,0 min. Grave a altura (h) e o diâmetro (d) do sedimento com um micrómetro. Grave o peso da amostra (m) com uma escala. A partir daqui, determinar a densidade do pelete. Calcular a percentagem da densidade teórica máxima (TMD%) pela fórmula seguinte:
    Equação 1
    onde A Al, Ni Um - peso átomo de Al e Ni; ρ Al e Ni ρ - densidade de Al e Ni. Assume-se que a relação estequiométrica dos pós mantém a proporção dos pós iniciais adicionados.
    1. Se a pastilha cilíndrica está a ser usado para determinar uma velocidade de propagação da frente de combustão e perfil de temperatura na frente da reacção,garantir que é alto o suficiente, determinado pela relação entre altura e diâmetro, que deve ser ≥2 (por exemplo, d = 5 mm; h ≥ 10 mm).
    2. Se a pastilha está a ser utilizado para definir os parâmetros de ignição, usar um disco fino (por exemplo, diâmetro = 5 mm, espessura = 1 mm).
  3. Para definir as características de combustão, colocar a amostra sobre uma placa de grafite.
  4. Adicione um fio de tungsténio enrolado ligados a um transformador variável.
  5. Posicionar a bobina W de tal modo que a porção em espiral do fio assenta sobre o topo da pelete. Se o sistema de oxigênio reativo é sensível, fazer isso em uma câmara de reação livre de oxigênio, caso contrário, realizar a reacção ao ar livre.
  6. A fim de determinar a velocidade de onda de combustão, utilizar a gravação a partir da câmara de alta velocidade. Posição e foco da câmera térmica de alta velocidade na amostra testada e iniciar a gravação. Isso permitirá temperatura e velocidade de combustão informações precisas a serem coletados.
  7. Para a obtenção dos parâmetros desejados do processo de combustão, realizar quadro a análise quadro do filme IR gravado.
    1. Traça-se a posição da frente de propagação da reacção em função do tempo. Obter a velocidade média de combustão a partir do declive do terreno.
    2. Traçar as mudanças de temperatura em um ponto no meio da amostra. Use o gráfico obtido para obter informações sobre o perfil de tempo temperatura da onda de reação.
  8. Para definir as características de ignição da ignição (temperatura e tempo de atraso da ignição) colocar o disco fino sobre uma placa de aquecimento pré-aquecido até à temperatura desejada (por exemplo, 800 K). Note-se que os valores exactos obtidos a partir desta experiência pode variar significativamente se os parâmetros são mudados, se eles são de tamanho do pelete, a temperatura da placa de aquecimento, ou DTM. Esta análise é útil para determination de tendências.
    1. A fim de determinar os parâmetros de ignição utilizar a câmara de alta velocidade. Posição e focar a câmara térmica de alta-velocidade na área em que a amostra irá ser colocada sobre a placa quente e inicia a gravação.
      Nota: Isto vai permitir uma informação precisa da temperatura durante o processo.
      1. Se a reacção é oxigénio sensível, realizar esta reacção numa câmara de oxigénio livre. IMPORTANTE: Executar este experimento várias vezes para ganhar um bom conjunto de dados estatísticos.
    2. Coloque a pelota na zona de foco. Faça isso de uma forma que a partícula pode ser visto em cada quadro - é importante para ver o primeiro quadro que a pelota toca o prato quente.
    3. Para a obtenção dos parâmetros de ignição desejados, realizar quadro a análise quadro do filme IR gravado.
    4. Para determinar o tempo de atraso de ignição, determinar o tempo entre o primeiro quadro, quando o sedimento toca a superfície da placa de aquecimento, para o início da reacção. Para determinar a temperatura de ignição, traçar o ponto mais elevado da temperatura sobre a partícula. Quando o perfil de tempo-temperatura que muda a partir de um perfil de temperatura de pré-aquecimento a que um regime de explosivo térmico, o ponto de inflexão corresponde à temperatura de ignição.

3. análise da microestrutura Usando Field Emission Microscópio Eletrônico de Varredura (FESEM) Equipada pela Focus Ion Beam (FIB)

  1. Suspender 0,1 g das partículas fabricadas em 10 ml de etanol e depósito de uma gota da suspensão sobre uma superfície de suporte de amostra de microscopia electrónica de varrimento (SEM).
  2. Seca-se o suporte da amostra a 90 ° C durante 5 min.
  3. Insira a amostra em uma FIB feixe sistema dual / SEM.
  4. Realizar limpeza amostra de plasma durante 5 min. Nota: Isto reduz a quantidade de dano que a amostra irá experimentar da exposição ao feixe de electrões (E-beam).
  5. Ligue o E-beam (5 kV, 3,5 nA) e se concentrar em uma única partícula. Fazer a ligação tele z-height para a distância de trabalho, em seguida, levantar a amostra a altura eucentric.
  6. Usando o E-feixe com a agulha de injecção de gás, depositar uma camada inicial de platina (70 nm) sobre a amostra para proteger da degradação do uso do feixe de iões de gálio (I-beam).
  7. Incline a amostra a 52 °, e, em seguida, ligar o I-beam. Usando a forma de I (5 kV, 0,28 nA), novamente com a agulha de injecção de gás, depositar uma camada adicional de platina (0,5 mm) sobre a amostra de protecção.
  8. Cortar marcas de referência sobre a amostra. Moer a partícula em uma forma retangular. Isso aumenta muito a chance de que haverá uma fiduciária adequada, uma vez que haverá vários cortes e cantos para usar.
  9. Com o auxílio de um programa, a fatia de partículas com a forma de I.
    1. Selecione "Arquivo" e depois "Salvar imagem Location" para escolher um diretório onde as imagens serão armazenadas.
    2. Dependendo da partícula individual, selecione a largura adequada, lenGTH, e profundidade; escolher estes completamente moinho através de todo o volume da partícula. Além disso, seleccionar o número de fatias, bem como o número de fatias por imagem. Essas opções podem ser encontradas no guia "Slice".
    3. Ajustar a corrente de feixe, selecionando "Utilities" e depois "Sugerir correntes". Nota: Isso permitirá que o programa para selecionar a corrente de feixe apropriado para moer a amostra em um tempo razoável enquanto protege contra danos amostra.
    4. Clique em "Show" e o software fornecerá uma grade moagem visual que mostra que parte da partícula será moído; assegurar que a grelha é colocada com precisão de moagem através da partícula na parte que está a ser branqueado.
    5. Depois de cada fatia tomar imagem e-feixe de alta qualidade para a reconstrução depois. Para selecionar os parâmetros e-feixe apropriados, selecione o menu "Setup" e escolha "eBeam Imagem Os parâmetros de digitalização".
      Nota: Isto vai dar uma gradepara seleccionar a resolução e tempo de permanência. Quanto maior o tempo de permanência, mais o tempo que leva para coletar a imagem.
  10. Utilizando um pacote de software de reconstrução 3D, reconstruir o conjunto de imagens recolhidas a partir da FIB / SEM, como descrito anteriormente 25. Nota: Isto produz uma cópia virtual 3D completa da partícula, a qual pode então ser usado para calcular a área de contacto de superfície, a porosidade das partículas individuais, a espessura da camada difusora, bem como inúmeros outros parâmetros úteis.

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Representative Results

Para preparar compostos energéticos nanoestruturados, uma mistura de componentes em pó desejados (tipicamente micrômetro de tamanho) é tratada mecanicamente sob condições de moagem predefinidos. O tempo de processamento (normalmente minutos) é controlada com precisão para gerar as partículas de composição nanocompósito homogeneizadas mas não permitindo que a reacção química auto-sustentada para iniciar durante a moagem.

A Figura 1 e um vídeo que mostra a área de superfície de contacto entre os reagentes em partículas compósitas aumenta em ordens de grandeza em comparação com a mistura inicial. Após HEBM cada componente é incorporado na matriz de um outro componente. Na maioria dos casos, os nanoestruturados obtidos compósitos energéticos são totalmente denso, com a área de contato entre os reagentes de alta (Figura 2). Além disso, os reagentes podem ser misturados numa escala de menos do que 100 nm. É também importante que as condições de sintonização HEBM permite regulatião da microestrutura interna de compósitos. Vê-se na Figura 2 que diferentes graus de mistura entre o reagente pode ser obtido no mesmo sistema. Além disso, HEBM forma frescas contatos (livres de oxigênio) entre reagentes. Figura 3 ilustra que HEBM efetivamente remove a camada protetora de óxido sobre o metal inicial (por exemplo, Al) partículas. Imagem escura campo (DF) de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) análise acoplada a espectrometria de raios-X de energia dispersiva (EDX) em Ni / Al partículas compostas indicar claramente novas fronteiras entre os reagentes que são livres de oxigênio.

Apesar de sintonização da microestrutura interna de partículas compostas HEBM permite a regulação do tamanho das partículas. Por exemplo, isto pode ser conseguido por alteração da proporção de rotação (k) de roda planetária (1.400 rpm) e frasco de moagem (de 700 a 1.300 rpm). Imagens de vídeo mostram que vários regimes HEBM pode ocorrerdependendo da relação k. A mistura de bolas e pó k ≤ 1.5 é "correr" na superfície do frasco (Video 2). Em 1,85 ≤ k <1,5 colisões intensivos intervalo de bolas tomar lugares Vídeo (3). Figura 4 indicam que estes regimes diferentes HEBM influenciar significativamente os tamanhos de partículas, isto é, as partículas grosseiras (100-150 um) são formadas no "deslizamento" regime, enquanto muitas partículas finas (10-50 um) pode ser preparado no regime de colisão.

Junto com a preparação de partículas compostas energéticos, o protocolo descreve suas técnicas de caracterização. Tal abordagem revela as ligações importantes entre a preparação de materiais, sua microestrutura e da reatividade de partículas compostas. Por exemplo, a investigação detalhada da microestrutura de Ti / C partículas compostas revelou them, depois de 3 min de HEBM, uma camada rica em carbono formado entre as camadas de titânio achatadas 11 devido à soldagem a frio. MET na Figura 5 indicam que a camada de carbono contém nanopartículas de titânio uniformemente distribuídos e carboneto de titânio (TiC) núcleos.

Perfis de temperatura-tempo gravados por imagem de infravermelhos para Ti / C partículas compósitas são mostrados na Figura 5C .As partículas foram colocados sobre uma placa quente com uma temperatura de ~ 600 K. A alta velocidade do sistema termo-visão foi utilizado para monitorizar o tempo- história temperatura da partícula. A gama de medição de temperatura foi seleccionado 600-1,200 K. Pode ser visto que os materiais, depois de 2 min de tratamento mecânico, não pode ser auto-ignição sob as condições investigadas. A temperatura de auto-ignição após 3 min de HEBM é de cerca de 600 K, enquanto que, após 5 e 7,5 min de tratamento Tig está bem abaixo de 600 K. O interessante é que a temperatura de ignição é novamente acima de 600 Kpara um tempo de moagem de 9 min. Este efeito é explicado pela formação de uma quantidade da fase de TiC no frasco de moagem. Deve notar-se que, durante a combustão de uma mistura de Ti + C convencional, a microestrutura do meio de reacção se mantém inalterada após o aparecimento de uma fase líquida de metal (1.941 K) e a reacção exotérmica inicia em ~ 2.000 K. Estes resultados indicam que um ligação directa entre a microestrutura formada durante a temperatura HEBM e ignição. Formação de contactos íntimos livre de oxigénio entre os reagentes e os núcleos do produto torna os compostos de Ti / C extremamente reactivos como a temperatura de ignição gotas de 2.000 a 600 K. HEBM também influencia significativamente o tempo de atraso de ignição, isto é, o tempo após a imersão, a partícula em um fornalha e até ao início da reacção, assim como a velocidade de propagação da frente de combustão. Perfis de tempo de temperatura da Figura 5C mostra que o tempo de atraso de ignição também diminui com um aumento detempo de moagem.

Vale a pena notar que a combustão de compósito fabricado mecanicamente mostra grandes vantagens para a síntese de materiais nanoestruturados. Durante a combustão de meios convencionais, o controlo sobre a microestrutura do produto é extremamente difícil. Por exemplo, a temperatura de início da reacção de Ni + Al convencional coincide com a menor temperatura eutéctica do sistema (~ 910 K). A fase líquida formado durante a reacção altera significativamente a microestrutura da mistura inicial (Figura 6). Nos compósitos fabricados mecanicamente, as reacções prosseguir abaixo da temperatura eutéctica do sistema, o qual elimina por completo a formação de fases líquidas, isto é, um verdadeiro combustão de estado sólido, a chamada chama sólido, tem lugar. Isto é evidenciado por uma temperatura de aparecimento de reacção tão baixo como 470 K, enquanto que a temperatura mais baixa neste sistema eutético ocorre a 910 K; Isto implica que uma con significativa versão deve ocorrer devido a uma reação puramente de estado sólido. As amostras preparadas a partir de tais partículas de compósito mantêm a sua forma e microestrutura (Figura 6).

Figura 1
Figura 1. A transformação da microestrutura meios reactivo heterogénea durante moagem de alta energia: Representação esquemática da transformação de partículas de tamanho de micrómetro de reagentes individuais para um camadas partículas compósitas (A), e a formação de Ni / Al partículas compostas usando HEBM de níquel e reagentes de alumínio (B). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Figura 2. Ajuste a área de contato entre os reagentes de diferentes condições HEBM para sistemas diferentes:. Ni / Al (A - C), Ti / C (D, E) e Ta / C (F) Por favor, clique aqui para ver um maior versão desta figura.

Figura 3
Figura 3. Formação de contatos livres de oxigênio entre os reagentes: representação esquemática (A), imagem de campo claro de um limite de Ni / Al formado por HEBM (B) e de energia dispersiva de raios-X Spectroscopy (EDS) perfis de níquel, alumínio e oxigénio (C). Por favorclique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. Preparação de partículas compostas com tamanhos diferentes por meio do ajuste da razão (k) da roda do sol e velocidades de rotação do frasco de moagem:. K ≤ 1,5 (A) e 1,8 ≤ k <1.5 (B) Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5. A relação entre a microestrutura e da reatividade de partículas compostas: Uma imagem TEM de Ti / C partícula compósita (A), a imagem TEM de alta resolução de nanopartículas TiC (B (C) de Ti / C partículas compostas vários tempos de moagem (2, 3, 5, 7,5, 9 min). Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
Figura 6. Síntese de materiais com pré-concebidas microestrutura usando combustão de partículas compostas nano-estruturados:. Microestruturas de intermetallics Nial usando a mídia convencional (A) e partículas compósitas fabricadas mecanicamente (B) Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Tabela 1. Algumas características dos materiais energéticos.

Video 1. "Slice e vista" imagem de uma partícula composta Ni / Al.

Video 2. "Deslizando" regime de HEBM em k ≤ 1,5.

Video 3. colisões intensivo de bolas em 1,85 ≤ k <1,5 intervalo.

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Discussion

O protocolo fornece uma descrição detalhada para a preparação de energéticos (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) nanocompósitos reativos com microestrutura adaptados usando o método HEBM de curto prazo. HEBM de misturas heterogéneas GASLESS envolvem o seu processamento num moinho de bolas planetário de alta-velocidade, em que as partículas da mistura são submetidos a um impacto mecânico com uma força suficiente para a quebra de componentes frágeis (por exemplo, grafite) e a deformação de componentes de plástico (por exemplo, Al , Ti, Ta, Ni). Brittle reagentes são moídos em partículas mais finas e pode tornar-se amorfa, enquanto os metais de plástico são submetidos a várias deformações e soldadura a frio, formando partículas compósitos. Pequenos fragmentos de componentes quebradiços são frequentemente encontrado no interior das partículas de reagentes de plástico. O ajuste fino das condições HEBM permitem o controle dos tamanhos de partículas compósitas e sua microestrutura intrínseca. Deve notar-se que um tal nível de controlo em microstructure não pode ser alcançado na maioria das outras técnicas atualmente disponíveis para a preparação de compostos energéticos nanoestruturados. Assim, a energia liberada em compósitos energéticos fabricados mecanicamente pode ser controlado com precisão por sua microestrutura através de ajuste fino das condições HEBM.

As únicas condições HEBM também permitem produzir as soluções supersaturadas de não-equilíbrio metaestáveis, que permitem reacções de ocorrer a temperaturas significativamente mais baixas do que as misturas convencionais de pó. Além disso, em alguns casos as reacções prosseguir abaixo da temperatura eutéctica do sistema, o qual elimina por completo a formação de fases liquidas. As amostras preparadas a partir de tais partículas de compósito mantêm a sua forma e microestrutura.

Um uso do HEBM está na produção de nanocompósitos energéticas altamente reativas. Este processo é simples, altamente econômico, e facilmente escalado. Há dois problemas principais com este processo, no entanto. O primeiro équestões de segurança; este processo cria nanocompósitos que são altamente reactivas, e como tal, o operador deve cumprir todos os procedimentos de segurança. Isso inclui os procedimentos gerais de segurança relativas ao funcionamento da própria máquina e aos procedimentos de segurança mais específicos relacionados com os compostos a ser utilizado. Devido à natureza altamente reativo destes nanocompósitos; uma quantidade limitada desse material deverá ser produzido até o conhecimento sobre a segurança do sistema específico é apurado. Finalmente, impurezas relacionadas com o recipiente pode ser introduzido. Isso pode levar a contaminação simples ou reações colaterais indesejáveis ​​mesmo. Em terceiro lugar, a preparação de compósitos livre de poros (por exemplo, revestimentos, filmes) é difícil e requer passos adicionais (pulverização frio ou laminagem) 26.

O protocolo também fornece informações detalhadas sobre a caracterização de nanoestruturados fabricados mecanicamente compósitos energéticos. O uso de alta velocidade técnicas infravermelhas umllows para espacial preciso (2 mm), térmico (5 K), e resolução temporal (15.000 fps). Isso permite caracterização precisa das partículas compostas, incluindo sua história tempo-temperatura, temperatura de ignição, tempo de atraso, e velocidade de propagação.

O protocolo é um guia importante para a preparação de diferentes nanomateriais energéticos (GASLESS) que podem ser utilizados como fontes de densidade ou de alta energia ou para a síntese e processamento de nanomateriais avançados por abordagens baseadas em combustão. Ele pode ser facilmente modificado para aplicar a sistemas thermite, e outros materiais energéticos, tais como os compósitos de metal-polímero.

Passos críticos no protocolo incluem a preparação inicial dos nanocompósitos, começando a partir da pesagem dos pós e a escolha da relação carga apropriado. Além disso, é de fundamental importância para garantir que a atmosfera interna do frasco é inerte através Ar purga. Selecção da bolaparâmetros de moagem, incluindo a velocidade de rotação e o tempo total de moagem é necessário para adaptar a microestrutura. Por fim, a exposição, coleta e classificação do pó com um procedimento seguro são importantes, para que a experiência está arruinada. Preparação dos pós para a experimentação pressionando determina os dados que podem ser recolhidas, seguido por análise rigorosa dos dados. O uso do programa FIB S & V para gerar um conjunto de dados 3D para análise é também de importância.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Materials

Mole gas libertados por 100 g Densidades de energia por unidade de volume, kJ / cm 3 Temperatura de ignição, K
Trinitrotolueno (TNT) 8,36 -7,22 510
Cupins
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
Sistemas gasless
Al + Ni 0 -7,13 910/520
Ta + C 0 -10.9 3.000 / 1500
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

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References

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