Préparation et réactivité des matériaux nanostructurés énergétiques sans gaz

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

Ce protocole décrit la préparation de matériaux énergétiques nanostructurés sans gaz (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) en utilisant le court terme balle à haute énergie fraisage (HEBM) technique. Il décrit également un procédé de formation d'image thermique à grande vitesse pour étudier la réactivité de nanocomposites fabriqués mécaniquement. Ces protocoles peuvent être étendues à d'autres matériaux énergétiques nanostructurés réactive.

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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

Haute énergie broyage à billes (HEBM) est un procédé de broyage à boulets dans lequel un mélange de poudre placée dans le broyeur à billes est soumis à des collisions à haute énergie des billes. Entre autres applications, ce est une technique polyvalent qui permet une préparation efficace de matériaux nanostructurés réactives sans gaz à haute densité d'énergie par unité de volume (Ni + Al, Ta + C, Ti + C). Les transformations structurelles de médias réactifs, qui ont lieu pendant HEBM, définissent le mécanisme de réaction dans les composites énergétiques produites. Varier les conditions de traitement permet un réglage fin des microstructures induite fraisage-des particules composites fabriqués. À son tour, la réactivité, à savoir, la température d'auto-allumage, le temps de retard à l'allumage, ainsi que la cinétique de réaction, des matériaux de haute densité d'énergie dépend de sa microstructure. L'analyse des microstructures induite par fraisage à penser que la formation de la région de contacts intimes frais sans oxygène à haute surface entre les réactifs is responsable de l'amélioration de leur réactivité. Cela se manifeste par une réduction de la température d'allumage et le temps de retard, une augmentation du taux de réaction chimique, et une diminution globale de l'énergie d'activation efficace de la réaction. Le protocole fournit une description détaillée de la préparation de nanocomposites réactifs avec microstructure mesure en utilisant la méthode de HEBM court terme. Il décrit également une technique d'imagerie thermique à grande vitesse pour déterminer les caractéristiques d'allumage / de combustion des matériaux énergétiques. Le protocole peut être adapté à la préparation et la caractérisation de divers composites énergétiques nanostructurés.

Introduction

Matériaux énergétiques classiques, ce est à dire, des explosifs, des propulseurs et des pièces pyrotechniques sont une classe de matériau avec une grande quantité d'énergie chimique stockée qui peut être libéré lors de la réaction exothermique rapide 1-5. Par exemple, les explosifs sont généralement produites en combinant les groupes de carburant et comburant dans une molécule. La densité d'énergie de ces matériaux est très élevé. Par exemple, lors de la décomposition de trinitrotoluène (TNT) libère 7,22 kJ / cm 3 et 8,36 moles forme de gaz par 100 g (tableau 1) en une très courte période de temps. Ces matériaux sont composés d'espèces micromètre échelle organiques et inorganiques (combustibles et d'oxydants).

Systèmes thermite, où les réactions ont lieu entre le composé inorganique, à savoir, la réduction des métaux (par exemple, Al) et des oxydes (Fe 2 O 3, CuO, Bi 2 O 3), appartiennent à un autre type de matériaux énergétiques. La densité d'énergie(15 à 21 kJ / cm 3) de tels systèmes est supérieure à celle du TNT, mais la quantité de produits de gaz (0,15 à 0,6 mole par 100 g) est généralement beaucoup plus faible que pour les explosifs (tableau 1). En outre, les nano-thermite peuvent montrer très grande vitesse de propagation de l'onde de combustion (> 1000 m / sec) 2 -5.

Il a été récemment montré que de 6 à 12 un certain nombre de systèmes hétérogènes sans gaz réactifs (Ni + Al, Ti + C, Ti + B) qui forment des composés intermétalliques réfractaires ou pourrait également être considérées comme des matières énergétiques. Les densités d'énergie (kJ / cm 3) de ces systèmes sont plus proches ou plus élevée que celle de TNT (tableau 1). Dans le même temps, l'absence de produits gazeux lors de la réaction de tels matériaux permet d'excellents candidats pour une variété d'applications y compris la synthèse de nanomatériaux, réactif de liaison et les pièces réfractaires différents, sans gaz générateurs de puissance micro, etc. 11-17. Cependant, le reltempérature d'allumage tivement élevé de ces systèmes (900-3,000 K, voir le tableau 1) par rapport à thermites (~ 1000 K) entrave leurs applications. La préparation de composites nanostructurés ingénierie pourrait améliorer considérablement les caractéristiques d'allumage et de combustion de systèmes hétérogènes sans gaz de 12 à 14, 17.

De nombreux procédés ont été développés pour fabriquer des nanocomposites énergétiques, telles que modifiées par ultrasons mélange 18,19, auto-assemblage 5 se approche, sol-gel de 20 à 22, les techniques de dépôt en phase vapeur 16,17,23,24, ainsi que des hautes énergies broyage à boulets (HEBM) 1,5. L'inconvénient de mélange par ultrasons suivant la nano-poudre est qu'un (5-10 nm) d'oxyde épais coquille sur les nanoparticules de métal réduit la densité d'énergie et dégrade les performances de combustion de mélanges réactifs. En outre, la distribution de carburant et d'oxydant ne est pas uniforme, et le contact interfacial entre des réactifs ne est pas intime. Sol-gel d'uned stratégies d'auto-assemblage ont été développés pour la préparation de nanocomposites thermite spécifiques. En dépit d'être techniques à faible coût, ces stratégies ne sont pas verts à partir d'un point de vue environnemental. En outre, de grandes quantités d'impuretés sont introduites dans les composites préparés. Dépôt en phase vapeur ou pulvérisation magnétron est utilisé pour préparer des feuilles multicouches réactifs et matériaux énergétiques core-shell. Il fournit une géométrie bien définie et sans pores des matériaux composites qui simplifie la modélisation théorique et améliore la précision. Cependant, cette technologie est chère et difficile à grande échelle. En outre, les stratifiés préparés nanocomposites sont instables dans certaines conditions.

Haute énergie broyage à boulets (HEBM) est une approche respectueuse de l'environnement, facilement extensible qui permet la fabrication efficace de nanostructurés composites énergétiques 5, 9 -14. HEBM est peu coûteux et peut être utilisé avec différentes compositions de matériau réactif (par exemple, larmites, les réactions qui forment des composés intermétalliques, des carbures, des borures, etc.).

Le protocole fournit une description détaillée pour la préparation de énergétiques (Ni + Al, Ti + C, C + Ta) nanocomposites réactifs avec microstructure mesure en utilisant la méthode de HEBM court terme. Il décrit aussi une technique d'imagerie thermique à haute vitesse pour déterminer les caractéristiques d'allumage / de combustion des matériaux énergétiques comme-fabriqués. Enfin, il montre l'analyse de la microstructure des nanocomposites en utilisant Field Emission microscope électronique à balayage (FESEM) équipés par faisceaux d'ions focalisés (FIB). Le protocole est un guide important pour la préparation de différents nanomatériaux énergétiques (sans gaz et systèmes thermite) qui pourraient être utilisés comme sources de densité soit de haute énergie ou pour la synthèse et le traitement des nanomatériaux avancés par des approches à base de combustion.

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Protocol

1. Balle haute énergie Fraisage

  1. Préparez 35 g de l'une initiale: 1 rapport molaire Ni + Al mélange. Dans ce cas, peser 11,02 g de Al et 23,98 g de poudres de Ni.
  2. Utiliser un pot de broyage en acier pour HEBM de ce système. Veiller à ce que le pot a une dureté plus élevée que les poudres à ajouter, sinon les poudres endommager le pot et la contamination se posera. Remarque: choix jar typiques comprennent l'acier, l'oxyde de zirconium, ou du carbure de tungstène.
  3. Utilisez un 5: 1 balle: poudre (rapport de charge) pour ce système, ce est à dire, 175 g de billes d'acier de 10 mm. Se assurer que les boules sont faites du même matériau que le récipient soit autrement les billes ou le pot seront endommagés.
    Remarque: Le rapport de charge définit l'intensité de l'interaction entre la poudre et les agents de mouture.
  4. Ajouter les boulettes et des poudres dans le pot.
  5. Sceller le bocal et pomper le gaz atmosphérique du pot par une pompe mécanique et purge par de l'argon. Mener quatre cycles de remplissage et de rinçage avec un gaz Ar(Ce qui garantit qu'il n'y a pas d'oxygène restant dans le pot). Enfin, remplir le bocal avec du gaz argon légèrement au-dessus (0,13 MPa) la pression atmosphérique.
  6. Insérez le pot dans un broyeur planétaire à billes.
  7. Choisissez 650 tours par minute (rpm) pour la vitesse de rotation de 1400 rpm pot et pour la rotation interne (roue solaire).
    Remarque: Dans certains cas, le taux de rotation (k) de la roue de somme (1400 rpm) et pot de fraisage (de 700 à 1300 tours par minute) a été modifiée pour réguler la microstructure des particules composites.
  8. Exécutez la procédure de HEBM pendant 15 min. Remarque: Les systèmes ont un moment critique, qui, pour les conditions décrites, est égale à 17 min. Il existe un nombre fini de fraisage qui peut être effectuée sur le système avant que la réaction se produit dans le pot. Si HEBM est réalisée plus longue que la période critique, une réaction se produit dans le pot broyage à boulets, ruiner l'expérience.
  9. Après l'achèvement de la durée de broyage, refroidir le pot à la température ambiante, puis déplacer le pot pour une hotte.
    1. Purger le bocal pour enlever la pression du gaz en excès de pression initiale et de gaz possible publié pendant le broyage.
    2. Retirez le couvercle du pot sous la hotte. Prenez garde lors de l'ouverture du pot, comme la poudre formée est très réactif. Ouvrez le bocal avec des gants résistant à la chaleur et des lunettes de sécurité.
    3. Avant de recueillir la poudre, l'exposer à l'air pendant au moins 5 minutes pour "passivation".
      Note: Ceci empêche réaction spontanée qui peut se produire lors de la manipulation du mélange.

2. Réactivité Caractérisation des matériaux énergétiques

  1. Recueillir la poudre de la jarre. Ne pas utiliser une spatule métallique pour cette procédure.
    1. Si la classification et la séparation des particules est souhaité, d'utiliser des tamis. Pour se assurer que la séparation se fait appropriée, utiliser un shaker de tamis pour une période de temps prolongée (12+ heures). Classer la poudre dans différents bacs de taille (moins de 10 um, de 10 à 20 um, de 20 à 53 um, unBove 53 um). Partir de ce moment, utiliser 20 à 53 um particules de taille.
  2. Appuyez sur les poudres tamisées en une pastille en utilisant une presse uniaxiale réglé à 1100 kg sur une 5 mm en acier inoxydable matrice de presse (1360 MPa) pour un temps de séjour de 2,0 min. Enregistrer la hauteur (h) et le diamètre (d) de la pastille avec un micromètre. Noter le poids de l'échantillon (m) avec une échelle. A partir de là, déterminer la densité de la pastille. Calculer le pour cent de la densité théorique maximum (TMD%) selon la formule suivante:
    Equation 1
    où A Al, A Ni - poids atomique de Al et Ni; ρ ρ Al et Ni - densité d'Al et Ni. Supposons que le rapport stoechiométrique des poudres conserve le rapport des poudres initiales ajoutées.
    1. Si le culot cylindrique est utilisée pour déterminer une vitesse de propagation de front de combustion et le profil de température dans le front de réaction,assurez-vous qu'il est assez grand, déterminé par le rapport entre la hauteur et diamètre qui doit être ≥2 (par exemple, d = 5 mm; h ≥ 10 mm).
    2. Si le culot est utilisé pour définir les paramètres d'allumage, utiliser un disque mince (par exemple, diamètre = 5 mm, épaisseur = 1 mm).
  3. Pour définir les caractéristiques de combustion, placer l'échantillon sur une plaque de graphite.
  4. Ajouter un fil de tungstène enroulé attaché à un transformateur variable.
  5. Positionner la bobine de W de sorte que la partie enroulée du fil repose sur le dessus de la pastille. Si le système réactif est l'oxygène sensible, le faire dans une chambre de réaction exempte d'oxygène, sinon effectuer la réaction à l'air libre.
  6. Afin de déterminer la vitesse de l'onde de combustion, en utilisant l'enregistrement de la caméra grande vitesse. Position et concentrer la caméra thermique à haute vitesse sur l'échantillon testé et commencer l'enregistrement. Cela permettra aux informations de température et de la vitesse de combustion précis pour être réunis.
  7. Pour obtenir les paramètres désirés du processus de combustion, mener image par analyse de l'image du film IR enregistré.
    1. Tracer la position de la propagation de front de réaction en fonction du temps. Obtenir la vitesse de combustion moyenne de la pente de la courbe.
    2. Tracer les changements de température dans une place dans le milieu de l'échantillon. Utilisez le graphe obtenu pour obtenir des informations sur le profil de temps de température de l'onde de réaction.
  8. Pour définir les caractéristiques d'allumage (allumage de temps de température et de retard à l'allumage) mettre le disque mince sur une plaque chauffante préchauffé à la température désirée (par exemple, 800 K). Notez que les valeurs exactes obtenues à partir de cette expérience seront varient considérablement si des paramètres sont modifiés, qu'ils soient la taille de la pastille, la température de la plaque chauffante ou TMD. Cette analyse est utile pour DÉTERMINATions des tendances.
    1. Afin de déterminer les paramètres d'allumage utilisent la caméra à haute vitesse. Position et concentrer la caméra thermique à haute vitesse sur la zone où l'échantillon sera placé sur la plaque chauffante et commencer l'enregistrement.
      Note: Ceci permettra d'informations précis de la température au cours du processus.
      1. Si la réaction est sensible à l'oxygène, ce effectuer dans une chambre de réaction exempte d'oxygène. IMPORTANT: Exécutez cette expérience plusieurs fois pour obtenir un bon ensemble de données statistiques.
    2. Mettez la pastille dans la zone de mise au point. Pour ce faire, d'une manière que la particule pourrait être vu sur chaque image - il est important de voir la première image que la pastille touche la plaque chaude.
    3. Pour obtenir les paramètres d'allumage souhaités, mener image par analyse de l'image du film IR enregistré.
    4. Pour déterminer le temps de retard d'allumage, déterminer le temps entre la première trame, lorsque la pastille en contact avec la surface de la plaque chauffante, à l'initiation de la réaction. Pour déterminer la température d'allumage, tracer place de la température la plus élevée sur la particule. Lorsque le profil temps-température passe de celle d'un profil de température de préchauffage à celle d'un régime thermique explosive, le point d'inflexion correspond à la température d'inflammation.

3. Analyse microstructure Utilisation Field Emission microscope électronique à balayage (FESEM) équipée par Focus Ion Beam (FIB)

  1. Suspension de 0,1 g des particules fabriquées dans 10 ml d'éthanol et le dépôt d'une goutte de la suspension sur une surface de la microscopie électronique à balayage (MEB) porte-échantillon.
  2. Sécher le porte-échantillon à 90 ° C pendant 5 min.
  3. Insérez l'échantillon dans un système / SEM double FIB du faisceau.
  4. Effectuer le nettoyage au plasma de l'échantillon pendant 5 min. Note: Ceci réduit le montant des dommages que l'échantillon expérience de l'exposition au faisceau d'électrons (e-beam).
  5. Tournez sur l'E-poutre (5 kV, 3,5 nA) et se concentrer sur une seule particule. Lien til z-hauteur à la distance de travail, puis soulevez l'échantillon à la hauteur eucentrique.
  6. Utilisation du E-faisceau avec l'aiguille d'injection de gaz, déposer une première couche de platine (70 nm) sur l'échantillon pour protéger de la dégradation de l'utilisation du faisceau d'ions gallium (poutre en I).
  7. Inclinez l'échantillon à 52 °, puis tourner sur la poutre en I. Utilisation de la poutre en I (5 kV, 0,28 nA), à nouveau avec l'aiguille d'injection de gaz, déposer une couche supplémentaire de platine (0,5 um) sur l'échantillon pour la protection.
  8. Couper marques fiduciaires sur l'échantillon. Mill la particule en une forme rectangulaire. Ceci augmente considérablement la chance qu'il y aura un fiduciaire adéquat, car il y aura plusieurs coupes et coins à utiliser.
  9. A l'aide d'un programme, couper la particule avec la poutre en I.
    1. Sélectionnez "Fichier" puis "Enregistrer l'image Situation" pour choisir un répertoire où les images seront stockées.
    2. Selon la particule individuelle, sélectionnez la largeur appropriée, lenGTH, et la profondeur; choisir ces moulin à complètement à travers la totalité du volume de la particule. En outre, sélectionnez le nombre de tranches, ainsi que le nombre de tranches par image. Ces options peuvent être trouvées dans l'onglet "Slice".
    3. Réglez le courant de faisceau en sélectionnant "Utilitaires" puis "Suggérer courants". Note: Ceci permettra au programme pour sélectionner le courant de faisceau approprié pour l'usine de l'échantillon dans un délai raisonnable tout en protégeant contre les dommages de l'échantillon.
    4. Cliquez sur "Show" et le logiciel fournira une grille de broyage visuel qui montre quelle partie de la particule sera broyé; faire en sorte que la grille de fraisage est placé avec précision au-dessus de la particule dans la partie qui doit être blanchi.
    5. Après chaque tranche prendre une image par faisceau d'électrons de haute qualité pour plus tard la reconstruction. Pour sélectionner les paramètres e-faisceau appropriées, sélectionnez le menu "Configuration" et choisissez "Paramètres EBeam numérisation de l'image".
      Remarque: Cela donnera une grillepour sélectionner la résolution et le temps d'. Plus le temps de séjour, plus le temps qu'il faut pour recueillir l'image.
  10. Utilisant un logiciel de reconstruction 3D, reconstruire l'ensemble des images recueillies à partir de la FIB / SEM 25 comme décrit précédemment. Remarque: Cela donne une copie virtuelle 3D complète de la particule, qui peut ensuite être utilisé pour calculer la surface surface de contact, la porosité des particules individuelles, épaisseur de la couche de diffusion, ainsi que d'innombrables autres paramètres utiles.

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Representative Results

Pour préparer les composites nanostructurés énergiques, un mélange de composants en poudre désirés (typiquement taille micrométrique) est mécaniquement traitée dans des conditions d'usinage préréglées. Le temps de traitement (en général, des minutes) est commandé avec précision pour produire des particules nanocomposites de composition homogénéisées mais ne permettant pas la réaction chimique auto-entretenue pour lancer au cours du broyage.

La figure 1 et montrent que la vidéo une zone de surface de contact entre les réactifs en particules composites augmente de plusieurs ordres de grandeur par rapport au mélange initial. Après HEBM chaque composant est incorporé dans la matrice d'un autre composant. Dans la plupart des cas, les nanostructurés obtenu composites énergétiques sont entièrement dense avec zone de contact élevée entre réactifs (Figure 2). De plus, les réactifs peuvent être mélangés à une échelle inférieure à 100 nm. Il est également important que les conditions de réglage permet HEBM regulation de la microstructure interne des composites. On voit sur ​​la figure 2 que les différents degrés de mélange entre le réactif peuvent être réalisées dans le même système. En outre, des contacts HEBM forme frais (sans oxygène) entre les réactifs. La figure 3 illustre que HEBM élimine efficacement la couche protectrice d'oxyde sur le métal initial (par exemple, les particules Al). Champ image sombre (DF) de la microscopie électronique à transmission (MET) couplée à une analyse par spectroscopie par rayons X à dispersion d'énergie (EDX) de particules composites Ni / Al indiquer clairement les nouvelles limites entre les réactifs qui sont libres de l'oxygène.

En dépit de réglage de la microstructure interne des particules composites HEBM permet la régulation de la taille des particules. Par exemple, cela pourrait être réalisé par modification du rapport de rotation (k) de la roue solaire (1400 rpm) et pot de fraisage (de 700 à 1300 tours par minute). imagerie de la vidéo montrent que plusieurs régimes de HEBM peuvent se produireen fonction du rapport k. Le mélange de balles et de la poudre k ≤ 1,5 est "glisse" sur la surface du pot (Vidéo 2). Dans 1,85 ≤ k <1,5 collisions intenses intervalle de billes prennent lieux vidéo (3). La figure 4 montrent que ces différents régimes de HEBM influencent de manière significative la taille des particules, à savoir des particules grossières de 100 à 150 (um) sont formées dans le "glissement" régime, alors que de nombreuses particules fines (de 10 à 50 um) peuvent être préparés dans le régime de collision.

Avec la préparation de particules composites énergétiques, le protocole décrit leurs techniques de caractérisation. Une telle approche révèle les liens importants entre la préparation des matériaux, leur microstructure et la réactivité des particules composites. Par exemple, une enquête détaillée de la microstructure de Ti / C particules composites révélé èmeà, après 3 min de HEBM, une couche riche en carbone formée entre les couches de titane 11 aplaties due à la soudure à froid. images TEM de la figure 5 indiquent que la couche contient des nanoparticules de carbone de titane et réparties uniformément le carbure de titane (TiC) noyaux.

Profils température-temps enregistrées par l'imagerie infrarouge pour Ti / C particules composites sont présentés dans la figure 5C .Les particules ont été placés sur une plaque chaude avec une température de ~ 600 K. A grande vitesse Système Thermo-Vision a été utilisé pour surveiller le de temps historique de la température de la particule. La plage de mesure de la température souhaitée est 600-1,200 K. On peut voir que les matériaux, après 2 min de traitement mécanique, ne peuvent pas se auto-enflammer dans les conditions étudiées. La température d'auto-inflammation après 3 min de HEBM est d'environ 600 K, alors qu'après cinq et 7,5 min du traitement Tig est bien en dessous de 600 K. Il est intéressant que la température d'allumage est à nouveau supérieure à 600 Kpour une durée de broyage de 9 min. Cet effet se explique par la formation d'une quantité de la phase TiC dans la jarre de broyage. Il est à noter que que pendant la combustion d'un mélange classique Ti + C, la microstructure du milieu réactionnel reste inchangé en cas d'apparition d'une phase liquide métallique (1 941 K) et la réaction exothermique initie à ~ 2000 K. Ces résultats indiquent que lien direct existe entre la microstructure formée au cours de la température de HEBM et l'allumage. Formation de contacts libre de l'oxygène intimes entre les réactifs et les noyaux produits rend les composites Ti / C extrêmement réactives que la température d'allumage passe de 2000 à 600 K. HEBM influe aussi de façon significative le temps de retard d'allumage, à savoir, le temps après l'immersion de la particule dans un four et jusqu'à l'initiation de la réaction, ainsi que la vitesse de propagation de front de combustion. Profils température-temps de la figure 5C montre que le temps de retard à l'allumage diminue également avec une augmentation detemps fraisage.

Il est à noter que la combustion du composite fabriquée mécaniquement montre de grands avantages pour la synthèse de matériaux nanostructurés. Au cours de la combustion de support conventionnel, le contrôle de la microstructure du produit est extrêmement difficile. Par exemple, la température de début de réaction classique Ni + Al coïncide avec la température la plus basse du système eutectique (~ 910 K). La phase liquide formée pendant la réaction change de manière significative la microstructure du mélange initial (figure 6). Dans les composites fabriqués mécaniquement, les réactions se déroulent dessous de la température eutectique du système, ce qui élimine complètement la formation de phases liquides, ce est à dire, un véritable combustion à l'état solide, dite flamme solide, a lieu. Ceci est démontré par une température de réaction apparition aussi bas que 470 K, tandis que la plus basse température eutectique dans ce système se produit à 910 K; ceci implique qu'un con significative version doit se produire en raison d'une réaction à l'état solide uniquement. Les échantillons préparés à partir de ces particules composites conservent leur forme et la microstructure (figure 6).

Figure 1
Figure 1. La transformation de la microstructure de support réactif hétérogène au cours de boulets de haute énergie broyage: Représentation schématique de la transformation des particules de taille micrométrique de réactifs individuels à une des particules composites en couches (A), et la formation de particules composites Ni / Al en utilisant HEBM de nickel et de réactifs en aluminium (B). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

fig2.jpg "/>
Figure 2. Tuning la zone de contact entre les réactifs en faisant varier les conditions de HEBM pour différents systèmes:. Ni / Al (A - C), Ti / C (D, E) et Ta / C (F) Se il vous plaît cliquer ici pour voir une plus grande version de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3. Formation des contacts sans oxygène entre les réactifs: Représentation schématique (A), l'image de champ lumineux d'une frontière Ni / Al formé par HEBM (B) et à dispersion d'énergie des rayons X Spectroscopie (EDS) profils de nickel, d'aluminium et oxygène (C). Se il vous plaîtcliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. Préparation de particules composites de tailles différentes en réglant le rapport (k) de la roue de soleil et des vitesses de rotation de pot de fraisage:. K ≤ 1,5 (A) et 1,8 ≤ k <1,5 (B) Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5. La relation entre la microstructure et la réactivité des particules composites: une image TEM de Ti / C particule composite (A), l'image de TEM haute résolution de nanoparticules de TiC (B (C) de Ti / C particules composites divers moments de fraisage (2, 3, 5, 7,5, 9 min). Se il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6
Figure 6. Synthèse de matériaux avec pré-conçus microstructure en utilisant la combustion des particules composites nanostructurés:. Microstructures de intermétalliques NiAl en utilisant les médias classiques (A) et les particules composites fabriquées mécaniquement (B) Se il vous plaît cliquez ici pour afficher une version plus grande de cette figure.

Tableau 1. Certaines caractéristiques des matériaux énergétiques.

Vidéo 1. "Slice et vue" imagerie d'une particule composite Ni / Al.

Vidéo 2. "coulissante« régime de HEBM au k ≤ 1,5.

Vidéo 3. collisions intensifs de balles dans 1,85 ≤ k <1,5 intervalle.

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Discussion

Le protocole fournit une description détaillée pour la préparation de énergétiques (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) nanocomposites réactifs avec microstructure mesure en utilisant la méthode de HEBM court terme. HEBM de mélanges hétérogènes sans gaz implique leur traitement dans un broyeur à boulets planétaire à grande vitesse, où les particules du mélange sont soumises à un impact mécanique avec une force suffisante pour ventilation des éléments fragiles (par exemple, graphite) et la déformation des pièces en matière plastique (par exemple, Al , Ti, Ta, Ni). Réactifs fragiles sont broyés en particules plus fines et peuvent devenir amorphe, tandis que les métaux en plastique sont soumis à de multiples déformations et soudure à froid, formant des particules composites. De petits fragments de composants fragiles se trouvent souvent à l'intérieur des particules de réactifs plastique. Le réglage précis des conditions de contrôle pour permettre HEBM de la taille des particules composites et leur microstructure intrinsèque. Il convient de noter qu'un tel degré de contrôle dans microstructure ne peut être obtenue dans la plupart des autres techniques actuellement disponibles pour la préparation de composites énergétiques nanostructurés. Ainsi l'énergie libérée dans les composites énergétiques fabriqués mécaniquement pourrait être contrôlée avec précision par leur microstructure qui se affine des conditions de HEBM.

Les conditions de HEBM uniques permettent aussi de produire les solutions sursaturées non-équilibre métastable, qui permettent des réactions de se produire à des températures nettement inférieures à celles des mélanges de poudres classiques. En outre, dans certains cas, les réactions se déroulent en dessous de la température eutectique du système, ce qui élimine complètement la formation de phases liquides. Les échantillons préparés à partir de ces particules composites conservent leur forme et leur microstructure.

Une utilisation de HEBM est dans la production de très réactifs, nanocomposites énergétiques. Ce processus est simple, très économique, et facilement mis à l'échelle. Il ya deux problèmes majeurs avec ce processus, cependant. Le premier estles questions de sécurité; ce processus crée nanocomposites qui sont très réactifs, et en tant que telle, l'opérateur doit suivre toutes les procédures de sécurité. Cela comprend les procédures générales de sécurité concernant le fonctionnement de la machine elle-même et pour des procédures plus spécifiques de sécurité concernant les composés étant utilisés. En raison de la nature très réactive de ces nanocomposites; une quantité limitée de ce matériel doit être produite jusqu'en connaissances sur la sécurité du système spécifique est établie. Enfin, les impuretés liées à la cuve peuvent être introduits. Cela peut conduire à la contamination simples ou même des réactions secondaires indésirables. Troisièmement, la préparation des composites sans pores (par exemple, les revêtements, films) est difficile et nécessite des mesures supplémentaires (projection à froid ou laminage) 26.

Le protocole prévoit également des informations détaillées sur la caractérisation des nanostructurés fabriquée mécaniquement composites énergétiques. L'utilisation de haut débit techniques infrarouges uneP ermet pour spatiale précise (2 pm), thermique (5 K), et la résolution temporelle (15 000 fps). Ceci permet la caractérisation précise des particules composites, y compris leur historique temps-température, la température d'allumage, le temps de retard, et la vitesse de propagation.

Le protocole est un guide important pour la préparation de nanomatériaux différents énergétiques (sans gaz) qui pourraient être utilisés en tant que sources de densité d'énergie élevée ou l'autre ou pour la synthèse et le traitement des nanomatériaux avancés par approches basées sur la combustion. Il peut être facilement modifié pour se appliquer aux systèmes de thermite, et d'autres matériaux énergétiques tels que les composites métal-polymère.

Les étapes critiques au sein du protocole comprennent la préparation initiale des nanocomposites, à partir de la pesée des poudres et en choisissant le rapport de charge appropriée. En outre, il est d'une importance clé pour assurer que l'atmosphère interne du récipient est inerte à travers Ar purge. Sélection de la balleparamètres de broyage, y compris la vitesse de rotation et la durée de broyage totale sont nécessaires pour l'adaptation de la microstructure. Enfin, l'exposition, la collecte et la classification de la poudre avec une procédure sécuritaire sont importants, de peur que l'expérience est ruiné. Préparation des poudres pour l'expérimentation en appuyant détermine les données qui peuvent être collectées, suivie d'une analyse précise des données. Utilisation du programme FIB S & V pour générer un ensemble de données 3D pour l'analyse est également d'importance.

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Disclosures

Les auteurs ne ont rien à divulguer.

Materials

Mole gas libérée par 100 g densités d'énergie par volume, kJ / cm 3 Température d'inflammation, K
Trinitrotoluène (TNT) 8,36 -7,22 510
Termites
2Al + 3CuO 0,54 -20,8 900-1,100
2 Al + Fe 2 O 3 0,14 -16,4
2 Al + Bi 2 O 3 0,47 -15,2
Systèmes sans gaz
Ni + Al 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

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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).

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