Voorbereiding en reactiviteit van gasless Nanostructured Energetische materialen

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

Dit protocol beschrijft de bereiding van gasless nanogestructureerde energetische materialen (Ni + Al, Ta + C, Ti + C) met behulp van de korte termijn high-energy ball frezen (HEBM) techniek. Het beschrijft ook een snelle thermische beeldvormende methode om de reactiviteit van mechanisch gefabriceerde nanocomposieten bestuderen. Deze protocollen kunnen worden uitgebreid naar andere reactieve nanogestructureerde energetische materialen.

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

High-Energy kogelmolen (HEBM) een kogelmolen werkwijze waarbij een poedermengsel geplaatst in de kogelmolen onderworpen hoogenergetische botsingen van de ballen. Onder andere toepassingen is een veelzijdige techniek waarmee effectieve bereiding van gasless reactieve nanogestructureerde materialen met hoge energiedichtheid per volume (Ni + Al, Ta + C, Ti + C). De structurele transformaties van reactieve media, die plaatsvinden tijdens HEBM, definieert het reactiemechanisme in de geproduceerde energieke composieten. Het variëren van de verwerkingsomstandigheden fijninstelling van de frezen geïnduceerde microstructuren van de vervaardigde samengestelde deeltjes. Op zijn beurt, de reactiviteit, namelijk zelfontbrandingstemperatuur, ontsteking vertragingstijd en reactiekinetiek, hoge energiedichtheid materialen afhankelijk van de microstructuur. Analyse van de frezen geïnduceerde microstructuren suggereert dat de vorming van nieuwe zuurstofvrij intieme groot oppervlak contact tussen de reagentia is verantwoordelijk voor de verhoging van hun reactiviteit. Dit manifesteert zich in een afname van ontstekingstemperatuur en vertragingstijd, een verhoogde graad van chemische reactie en een daling van het effectieve activeringsenergie van de reactie. Het protocol bevat een gedetailleerde beschrijving van de bereiding van reactieve nanocomposieten met speciaal microstructuur met korte HEBM methode. Het beschrijft ook een snelle thermische beeldvormende techniek om de ontsteking / verbrandingseigenschappen van de energetische materialen. Het protocol kan worden aangepast aan de bereiding en karakterisering van verschillende nanogestructureerde energetische composieten.

Introduction

Klassieke energetische materialen, dwz explosieven, drijfgassen en pyrotechnische zijn een klasse van materiaal met een grote hoeveelheid opgeslagen chemische energie die tijdens snelle exotherme reactie 5/1 loslaten. Zo zijn explosieven meestal gegenereerd door brandstof en oxidatiemiddel groepen combineren in één molecuul. De energiedichtheid van deze materialen zeer hoog. Bijvoorbeeld, bij ontleding trinitrotolueen (TNT) vrijgeeft 7,22 kJ / cm3 en vormt 8.36 mol gas per 100 g (tabel 1) in een zeer korte tijd. Deze materialen zijn samengesteld uit micrometer schaal organische en anorganische componenten (brandstoffen en oxidatiemiddelen).

Thermite systemen, waarbij reacties plaats tussen de anorganische verbinding, namelijk vermindering metalen (bijvoorbeeld Al) en oxiden (Fe 2 O 3, CuO, Bi 2 O 3), tot een andere soort energetische materialen. De energiedichtheid(15-21 kJ / cm3) van dergelijke systemen dat van TNT, maar de hoeveelheid gas producten (0,15-0,6 mol per 100 g) is typisch minder dan explosieven (Tabel 1). Ook kan de nano-termieten extreem hoge snelheid van verbranding golfvoortplanting (> 1000 m / sec) 2 -5 tonen.

Het werd onlangs aangetoond 6-12 dat een aantal gasless heterogene reactieve systemen (Ni + Al, Ti + C, Ti + B) die intermetallische of refractaire verbindingen vormen tevens kan worden beschouwd als energetische materialen. De energiedichtheden (kJ / cm3) van deze systemen dichterbij of hoger dan die van TNT (tabel 1). Op hetzelfde moment, de afwezigheid van gasproducten tijdens de reactie maakt dergelijke materialen uitstekende kandidaten voor diverse toepassingen waaronder synthese van nanomaterialen, reactieve lijmen van vuurvaste en ongelijke delen, gasless micro elektriciteitscentrales, enz. 11-17. Echter, de relatively hoge ontstekingstemperatuur van die systemen (900-3,000 K, zie tabel 1) in vergelijking met termieten (~ 1000 K) belemmert hun applicaties. De voorbereiding van gemanipuleerde nanogestructureerde composieten kon aanzienlijke vergroting van de ontsteking en verbranding kenmerken van gasless heterogene systemen 12-14, 17.

Vele werkwijzen zijn ontwikkeld om de gemanipuleerde energetische nanocomposieten, zoals ultrasone fabriceren mengen 18,19, zelfassemblage benaderingen 5, sol-gel 20-22, dampneerslagtechnieken 16,17,23,24, en hoogenergetische kogelmalen (HEBM) 1,5. Het nadeel van ultrasone mengen van nano-poeder is dat een dikke (5-10 nm) oxide shell op metalen nanodeeltjes vermindert energiedichtheid en degradeert de verbranding prestaties van reactieve mengsels. Ook de verdeling van brandstof en oxidatiemiddel is niet uniform, en het grensvlakcontact tussen reactanten is niet intiem. Sol-gel eend zelf-assemblage strategieën werden ontwikkeld voor de bereiding van specifieke thermiet nanocomposieten. Ondanks het feit dat goedkope technieken, die strategieën zijn niet groen uit milieu-oogpunt. Ook grote hoeveelheden verontreinigingen worden in samenstellingen bereid. Opdampen of magnetron sputteren van reactief meerlaagse folies en kern-schil energetische materialen te bereiden. Het biedt een poriënvrije en goed gedefinieerde geometrie van composieten die theoretische modellering vereenvoudigt en verbetert de nauwkeurigheid. Echter, deze techniek is duur en moeilijk te schalen. Bovendien is de bereide gelaagde nanocomposieten onstabiel onder bepaalde omstandigheden.

High-Energy Ball Milling (HEBM) is een milieuvriendelijk, eenvoudig schaalbaar aanpak, die de fabricage van nanogestructureerde energieke composieten 5, 9 -14 toelaat. HEBM is goedkoop en kan worden gebruikt met verschillende reactieve materialen samenstellingen (bijvoorbeeld dermites, reacties die intermetallische, carbiden, boriden, etc.) vormen.

Het protocol geeft een gedetailleerde beschrijving van de bereiding van reactieve energie (Ni + Al, Ti + C, Ta + C) nanocomposieten met speciaal microstructuur met de korte HEBM methode. Het beschrijft ook een snelle thermische beeldvormende techniek om de ontsteking / verbrandingseigenschappen van zo vervaardigde energetische materialen. Ten slotte toont de analyse van de microstructuur van de nanocomposieten met behulp gebied Emission Scanning Electron Microscope (FESEM) Uitgerust met Focused Ion Beam (FIB). Het protocol is een belangrijke leidraad voor de bereiding van verschillende energetische nanomaterialen (gasless en termiet systemen) die kunnen worden gebruikt bij hoge energie dichtheid of voor synthese en verwerking van geavanceerde nanomaterialen door verbranding gebaseerde benaderingen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. High-energie Ball Frezen

  1. Bereid 35 g van het oorspronkelijke 1: 1 molaire verhouding Ni + Al mengsel. In dit geval Weeg 11,02 g Al en 23,98 g Ni poeders.
  2. Gebruik een stalen frezen pot voor HEBM van dit systeem. Zorg ervoor dat de pot een hogere hardheid dan de poeders worden toegevoegd, anders poeders de pot beschadiging en vervuiling ontstaat. Opmerking: Typische jar keuzes omvatten staal, zirkoniumoxide, of wolfraamcarbide.
  3. Gebruik een 5: 1 bal: poeder (kosten-ratio) van dit systeem, dat wil zeggen, 175 g 10 mm stalen kogels. Zorg ervoor dat de ballen zijn gemaakt van hetzelfde materiaal als de pot anders ofwel de kogels of de pot beschadigd.
    Opmerking: De lading verhouding bepaalt de intensiteit van de interactie tussen poeder en het frezen van agenten.
  4. Ballen en poeders toe te voegen aan de pot.
  5. Dicht de pot en pomp de atmosferische gas uit de pot door mechanische pomp en zuivering door argon. Voeren vier cycli van het vullen en spoelen met Ar-gas(Dit zorgt ervoor dat er geen zuurstof die nog in de pot). Tenslotte vul de pot met argon gas iets boven (0,13 MPa) atmosferische druk.
  6. Plaats de pot in een planetaire kogelmolen.
  7. Kies 650 omwenteling per minuut (rpm) voor de snelheid van de omwenteling van de pot en 1.400 toeren per minuut voor de interne rotatie (zonnewiel).
    Opmerking: In sommige gevallen, de rotatieverhoudingstuureenheid (k) van sum wiel (1400 rpm) en frezen jar (700 tot 1300 rpm) werd gevarieerd om de microstructuur van samengestelde deeltjes reguleren.
  8. Voer de HEBM procedure gedurende 15 min. Opmerking: Systems hebben een kritieke tijd, die voor de beschreven omstandigheden gelijk aan 17 min. Er is een beperkte hoeveelheid frezen die kunnen worden uitgevoerd op het systeem voor de reactie in de pot. Als HEBM langer dan de kritieke tijd wordt uitgevoerd, zal een reactie plaatsvinden in de bal-frezen jar, verpest het experiment.
  9. Na afronding van maalduur, koelen de pot naar RT, en beweeg vervolgens de pot op een zuurkast.
    1. Vent de pot om het overtollige gasdruk van de eerste onder druk en mogelijke gas dat vrijkomt bij het frezen verwijderen.
    2. Verwijder het deksel van de pot onder de zuurkast. Wees voorzichtig bij het openen van de pot, als het poeder gevormd is zeer reactief. Open de pot dragen hittebestendige handschoenen en een veiligheidsbril.
    3. Vóór verzamelen poeder blootstellen aan lucht gedurende ten minste 5 minuten voor "passiveren".
      Opmerking: Dit voorkomt spontane reactie die kan optreden tijdens de behandeling van het mengsel.

2. Reactiviteit Karakterisering van energetische materialen

  1. Verzamel de poeder uit de pot. Heeft een metalen spatel niet gebruiken voor deze procedure.
    1. Als de indeling en scheiding van de deeltjes gewenst, gebruik zeven. Om behoorlijke gebeurt, gebruikt een zeefmachine gedurende langere tijd (12 + uur). Classificeren het poeder in verschillende grootte bakken (jonger dan 10 micrometer, 10-20 urn, 20-53 urn, eenbove 53 micrometer). Vanaf dit punt, gebruiken 20-53 micrometer deeltjes.
  2. Druk op de gezeefde poeders tot een pellet met een eenassige pers ingesteld op 1.100 kg op een 5 mm RVS druk sterven (1360 MPa) voor een verblijftijd van 2,0 min. Noteer de hoogte (h) en de diameter (d) van de pellet met een micrometer. Noteer het gewicht van het monster (m) met een schaal. Hier, bepalen de dichtheid van de pellet. Bereken de theoretische maximale dichtheid procent (TMD%) van de volgende formule:
    Vergelijking 1
    waar A Al, A Ni - atoom gewicht van Al en Ni; ρ Al en Ni ρ - dichtheid van Al en Ni. Neem aan dat de stoichiometrische verhouding van de poeders behoudt de verhouding van de oorspronkelijke poeders toegevoegd.
    1. Wanneer de cilindrische pellet wordt gebruikt om een ​​verbrandingsfront voortplantingssnelheid en temperatuurprofiel in de reactiefront bepalen,ervoor zorgen dat het is lang genoeg, bepaald door de verhouding tussen de hoogte en diameter die moet worden ≥2 (bijvoorbeeld d = 5 mm; h ≥ 10 mm).
    2. Wanneer de pellet wordt gebruikt om ontsteking parameters, gebruikt een dunne schijf (bijvoorbeeld, diameter = 5 mm, dikte = 1 mm).
  3. Kenmerken van de verbranding te definiëren, plaats het monster op een grafiet plaat.
  4. Voeg een opgerolde wolfraamdraad aan een variabele transformator.
  5. Plaats de W spoel zodanig dat het opgerolde gedeelte van de draad aan de bovenzijde van de pellet. Als het reactieve systeem zuurstofgevoelige, doen dit op een zuurstofvrije reactiekamer, de reactie in de open lucht anders voeren.
  6. Om de verbranding golfsnelheid te bepalen, gebruikt u de opname uit de high-speed camera. Positie en de focus van de high-speed thermische camera op het geteste monster en de opname te starten. Dit nauwkeurige temperatuur- en verbrandingssnelheid informatie worden verzameld.
  7. Om de gewenste parameters van het verbrandingsproces verkrijgen voeren beeld voor beeld analyse van de opgenomen IR film.
    1. Zet de positie van de reactiefront propagatie versus tijd. Het verkrijgen van de gemiddelde verbranding snelheid uit de helling van het perceel.
    2. Plot van de temperatuur verandert in een plek in het midden van het monster. Gebruik de verkregen grafiek om informatie over de temperatuur tijd profiel van de reactie golf winnen.
  8. Om ontstekingseigenschappen (ontbrandingstemperatuur en ontsteking vertragingstijd) definiëren zet de dunne schijf op een hete plaat verwarmd tot de gewenste temperatuur (bijvoorbeeld 800 K). Merk op dat de exacte waarden verkregen uit dit experiment aanzienlijk variëren als een parameter wordt veranderd, of zij omvang van de pellet, temperatuur van de kookplaat of TMD. Deze analyse is nuttig voor determination van trends.
    1. Om te bepalen de ontsteking parameters gebruik maken van de high-speed camera. Positie en de focus van de high-speed thermische camera op het gebied waar het monster op de hete plaat zal worden geplaatst en de opname te starten.
      Opmerking: Dit zal nauwkeurige informatie temperatuur tijdens het proces mogelijk te maken.
      1. Als de reactie is zuurstof gevoelig, voert u deze in een zuurstofvrije reactiekamer. BELANGRIJK: Voer dit experiment meerdere keren om een ​​goede statistische dataset te krijgen.
    2. Doe de pellet in de zone van de focus. Doe dit op een manier die het deeltje te zien op elk frame - het is belangrijk om het eerste frame dat de pellet raakt de verwarmingsplaat zien.
    3. Om de gewenste ontsteking parameters te verkrijgen, uit te voeren frame voor frame analyse van de opgenomen IR film.
    4. De ontsteking vertragingstijd bepalen, bepaalt de tijd tussen het eerste frame, terwijl de pellet raakt het oppervlak van de kookplaat, om de reactie te initiëren. Om de ontstekingstemperatuur bepalen, plotten de hoogste temperatuur plek op het deeltje. Wanneer de tijd-temperatuurprofiel schakelaars van die van een voorverwarmingstemperatuur profiel met dat van een thermische explosieve regime, het buigpunt overeenkomt met de ontbrandingstemperatuur.

3. microstructuur analyse met behulp van Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM) Voorzien van Focus Ion Beam (FIB)

  1. Suspendeer 0,1 g van de vervaardigde deeltjes in 10 ml ethanol en storting één druppel van de suspensie op een oppervlak van scanning elektronenmicroscopie (SEM) monsterhouder.
  2. Droog de monsterhouder bij 90 ° C gedurende 5 min.
  3. Plaats het monster in een dubbele bundel FIB / SEM-systeem.
  4. Voeren steekproef plasmareiniging gedurende 5 min. Opmerking: Dit vermindert de hoeveelheid schade die het monster zal ondervinden van blootstelling aan de elektronenstraal (E-beam).
  5. Zet de elektronenbundel (5 kV, 3,5 nA) en focus op een enkel deeltje. Link thij z-hoogte om de werkafstand, verhoog dan het monster te eucentrische hoogte.
  6. De elektronenbundel met het gas injectienaald, stort een eerste laag van platina (70 nm) op het monster te beschermen tegen aantasting door gebruik van het gallium ionenbundel (I-beam).
  7. Kantel het monster tot 52 °, en zet vervolgens de I-balk. De I-balk (5 kV, 0,28 nA), opnieuw met het gas injectienaald, stort een extra laag van platina (0,5 pm) op het monster voor bescherming.
  8. Snijd fiduciaire markeringen op het monster. Maal de deeltjes in een rechthoekige vorm. Dit vergroot de kans op voldoende fiduciaire zal zijn, omdat er zullen verschillende delen en hoeken te gebruiken.
  9. Met behulp van een programma, snijd het deeltje met de I-balk.
    1. Selecteer "File" en vervolgens "Afbeelding opslaan Location" naar een map waar de beelden worden opgeslagen kiezen.
    2. Afhankelijk van de individuele deeltjes, selecteert u de juiste breedte, lenGTH, en diepte; kiest deze volledig molen door het gehele volume van het deeltje. Bovendien, het aantal plakken, en het aantal segmenten per beeld. Deze opties zijn te vinden in het tabblad "Slice".
    3. Stel de straalstroom door "Utilities" en vervolgens "Suggestie Stromen". Opmerking: Dit zal het programma om de juiste straalstroom het monster in een redelijke tijd te selecteren om molen terwijl bewaken tegen monster schade.
    4. Klik op "Show" en de software zal een visuele frezen raster dat laat zien welk deel van het deeltje zal worden gefreesd bieden; zorgen dat het malen rooster nauwkeurig geplaatst over de deeltjes in het deel dat moet worden gefreesd.
    5. Na elk sneetje nemen afbeelding van een e-beam van hoge kwaliteit voor latere reconstructie. Naar de juiste e-beam parameters te selecteren, selecteert u het menu "Setup" en kies "eBeam Image Scan Parameters".
      Opmerking: Dit zal een rooster gevenom de resolutie te selecteren en dwell time. Hoe hoger de verblijfstijd, hoe langer het duurt om het beeld te verzamelen.
  10. Met behulp van een 3D-reconstructie softwarepakket, reconstrueren de set van beelden verzameld van de FIB / SEM zoals eerder 25 beschreven. Opmerking: Dit levert een complete 3D virtuele kopie van de deeltjes, die vervolgens kunnen worden gebruikt om oppervlak contact porositeit van de individuele deeltjes, diffusie laagdikte, evenals talloze andere nuttige parameters berekenen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Om nanostructuur energieke composieten voor te bereiden, is een mengsel van gewenste poedervorm componenten (meestal het micrometer) mechanisch behandeld onder de voorkeuzetoetsen frezen voorwaarden. Doorlooptijd (meestal minuten) wordt nauwkeurig aangestuurd om het compositorisch gehomogeniseerd nanocomposiet deeltjes genereren, maar niet toelaat de zelfvoorzienende chemische reactie te leiden tijdens het frezen.

Figuur 1 en video 1 tonen dat contactoppervlak tussen de reactanten in samengestelde deeltjes toe met orden van grootte in vergelijking met het oorspronkelijke mengsel. Na HEBM elke component wordt opgenomen in de matrix van een andere component. In de meeste gevallen, de verkregen nanogestructureerde energetische composieten volledig dicht met hoge contactgebied tussen reactanten (figuur 2). Bovendien kunnen de reactanten worden gemengd op een schaal van minder dan 100 nm. Het is ook belangrijk dat de tuning HEBM voorwaarden toestaat regulation van de interne microstructuur van composieten. Men ziet in figuur 2 die verschillende menging mate tussen de reactant in hetzelfde systeem kan worden bereikt. Bovendien HEBM vormt vers (zuurstofloze) contact tussen reactanten. Figuur 3 illustreert dat HEBM effectief verwijdert de beschermende oxidelaag op het eerste metaal (bijvoorbeeld Al) deeltjes. Donker veld (DF) beeld van transmissie elektronenmicroscopie (TEM) analyse gekoppelde energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDX) Ni / Al composietdeeltjes duidelijk nieuwe grenzen tussen de reactanten die zuurstofvrij zijn.

Ondanks afstemming van de interne microstructuur van composietdeeltjes HEBM maakt de regulering van de grootte van de deeltjes. Bijvoorbeeld kan dit worden bereikt door het veranderen van de rotatie verhouding (k) van het zonnewiel (1400 rpm) en frezen jar (700 tot 1300 rpm). Video imaging laten zien dat verschillende HEBM regimes kunnen optredenafhankelijk k verhouding. Het mengsel van ballen en poeder k ≤ 1.5 wordt "glijden" op het oppervlak van de pot (Video 2). In 1.85 ≤ k <1.5 interval intensieve botsingen kogels nemen plaatsen (Video 3). Figuur 4 blijkt dat zulke verschillende HEBM regimes belangrijke invloed op de grootte van deeltjes, dwz grove deeltjes (100-150 pm) gevormd in de "glijdende" regime, terwijl veel fijne deeltjes (10-50 micrometer) kunnen worden bereid in de botsing regime.

Samen met de voorbereiding van energetische samengestelde deeltjes, het protocol beschrijft hun karakterisering technieken. Een dergelijke aanpak onthult de belangrijkste schakels tussen de bereiding van de materialen, hun microstructuur en reactiviteit van samengestelde deeltjes. Bijvoorbeeld gedetailleerde microstructurele onderzoek Ti / C samengestelde deeltjes onthuld thin, na 3 min HEBM, een koolstofrijke gevormd tussen de afgeplatte titanium lagen 11 gevolg van de koude lassen. TEM beelden in figuur 5 blijkt dat de koolstoflaag bevat gelijkmatig verdeeld titanium nanodeeltjes en titaancarbide (TiC) kernen.

Temperatuur-tijdprofielen geregistreerd door infrarood imaging Ti / C samengestelde deeltjes worden getoond in figuur 5C .De deeltjes werden op een hete plaat geplaatst met een temperatuur van ~ 600 K. Een High speed Thermo-Vision werd gebruikt om de time monitoren temperatuur geschiedenis van het deeltje. De geselecteerde temperatuur meetbereik was 600-1,200 K. Het blijkt dat de materialen na 2 min mechanische behandeling kan niet zelf ontstoken onder de onderzochte omstandigheden. De zelfontbrandingstemperatuur na 3 min van HEBM is ongeveer 600 K, terwijl na 5 en 7,5 min van de behandeling Tig is goed onder 600 K. Het is interessant dat de ontsteking temperatuur weer boven 600 Kvoor frezen periode van 9 min. Dit effect wordt verklaard door de vorming van een hoeveelheid van de TiC-fase in het frezen pot. Opgemerkt moet worden dat bij verbranding van een conventionele Ti + C mengsel, de microstructuur van het reactiemedium ongewijzigd na verschijnen van een vloeibaar metaal fase (1941 K) en de exotherme reactie initieert bij ~ 2000 K. Deze resultaten geven aan dat een rechtstreeks verband bestaat tussen de microstructuur gevormd tijdens de HEBM en ontbrandingstemperatuur. Vorming van intieme zuurstofvrij contacten tussen reactanten en producten kernen maakt de Ti / C composieten zeer reactief als het contactslot temperatuur daalt van 2.000 naar 600 K. HEBM ook significant van invloed op de ontsteking vertragingstijd, dat wil zeggen, de tijd na het onderdompelen van het deeltje in een oven en tot reactie initiëren, evenals verbrandingsfront voortplantingssnelheid. Temperatuur-tijdprofielen in Figuur 5C toont dat de ontsteking vertragingstijd neemt ook af met een toename vanfrezen tijd.

Het is vermeldenswaard dat de verbranding van mechanisch vervaardigde composiet toont grote voordelen voor de synthese van nano-gestructureerde materialen. Tijdens de verbranding van conventioneel medium, controle over de microstructuur van het product is zeer moeilijk. Bijvoorbeeld, de reactie begintemperatuur van conventionele Ni + Al samenvalt met de laagste eutectische temperatuur van het systeem (~ 910 K). De vloeibare fase gevormd tijdens de reactie significant verandert de microstructuur van het oorspronkelijke mengsel (figuur 6). Bij de mechanisch vervaardigde composieten de reacties verlopen onder de eutectische temperatuur van het systeem, dat volledig elimineert de vorming van vloeibare fasen, namelijk een echte vaste toestand verbranding, de zogenaamde vaste vlam plaatsvindt. Dit blijkt uit een onset reactie temperatuur zo laag als 470 K, terwijl de laagste eutectische temperatuur in dit systeem vindt plaats bij 910 K; Dit betekent dat een aanzienlijk con versie moet optreden als gevolg van een puur solid-state reactie. Monsters bereid uit dergelijke samengestelde deeltjes vormvast en microstructuur (figuur 6).

Figuur 1
Figuur 1. De transformatie van de heterogene reactieve media microstructuur bij hoge energie kogelmolen: Schematische weergave van de transformatie van micrometer afmeting deeltjes afzonderlijke reactanten een gelaagde samengestelde deeltjes (A) en de vorming van Ni / Al samengestelde deeltjes met HEBM van nikkel en aluminium reactanten (B). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

fig2.jpg "/>
Figuur 2. Tuning het contactoppervlak tussen de reactanten door het variëren HEBM voorwaarden voor verschillende systemen:. Ni / Al (A - C), Ti / C (D, E) en Ta / C (F) Klik hier voor een grotere weergave versie van deze figuur.

Figuur 3
Figuur 3. Vorming van zuurstofvrij contacten tussen de reactanten: Schematische weergave (A), Bright veld afbeelding van een Ni / Al grens gevormd door HEBM (B) en energie-dispersieve X-ray Spectroscopy (EDS) profielen van nikkel, aluminium en zuurstof (C). Zoomklik hier om een ​​grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 4
Figuur 4. Voorbereiding van de samengestelde deeltjes met verschillende afmetingen door het afstemmen van de verhouding (k) van zonnewiel en frezen jar rotatiesnelheden:. K ≤ 1,5 (A) en 1,8 ≤ k <1.5 (B) Klik hier om een grotere versie te bekijken van dit cijfer.

Figuur 5
Figuur 5. De relatie tussen microstructuur en reactiviteit van samengestelde deeltjes: Een TEM beeld van Ti / C hoge resolutie TEM beeld van TiC nanodeeltjes samengestelde deeltjes (A), (B (C) van Ti / C samengestelde deeltjes diverse malen tijden (2, 3, 5, 7,5, 9 min). Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Figuur 6
Figuur 6. Synthese van materialen met een vooraf ontworpen microstructuur door het gebruik van verbranding van nano-gestructureerde samengestelde deeltjes:. Microstructuren van NiAl intermetallische met conventionele media (A) en mechanisch vervaardigde samengestelde deeltjes (B) Klik hier om een grotere versie van deze foto figuur.

Tabel 1. Enkele kenmerken van energetische materialen.

Video 1. "Slice en beeldvorming" van een Ni / Al samengestelde deeltje.

Video 2. "Sliding" regime van HEBM bij k ≤ 1,5.

Video 3. Intensieve botsingen van ballen in 1.85 ≤ k <1,5 interval.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het protocol geeft een gedetailleerde beschrijving van de bereiding van reactieve energie (Ti + C, Ta + C, Ni + Al) nanocomposieten met speciaal microstructuur met de korte HEBM methode. HEBM van gasless heterogene mengsels betrekken verwerking in een snelle planetaire kogelmolen, waarbij de deeltjes van het mengsel wordt onderworpen aan mechanische belasting met een kracht voldoende afbraak breekbare onderdelen (bijvoorbeeld grafiet) en vervorming van kunststof onderdelen (bijvoorbeeld, Al , Ti, Ta, Ni). Brosse reactanten gefreesd fijnere deeltjes en kunnen amorf worden, terwijl plastic metalen veelvuldige vervormingen en koud lassen, vormen composieten deeltjes. Kleine fragmenten brosse componenten worden vaak gevonden in de deeltjes van plastic reactanten. Fijnafstemming van de HEBM omstandigheden het toelaten voor de controle van de samengestelde deeltjesgrootte en hun intrinsieke microstructuur. Opgemerkt wordt dat dergelijke mate van controle microstructure kan niet worden bereikt in de meeste andere technieken beschikbaar voor de bereiding van nanogestructureerde energetische composieten. Dus de energie die vrijkomt bij het mechanisch vervaardigd energieke composieten kan nauwkeurig worden gecontroleerd door hun microstructuur door fijnafstelling van HEBM voorwaarden.

De unieke HEBM voorwaarden ook mogelijk maken om de metastabiele niet-evenwicht oververzadigde oplossingen, welke reacties in staat te gebeuren tegen aanzienlijk lagere temperaturen dan conventionele poeder mengsels produceren. Bovendien is in sommige gevallen de reacties verlopen onder de eutectische temperatuur van het systeem, dat volledig elimineert vorming van vloeibare fasen. Monsters bereid uit dergelijke samengestelde deeltjes behouden hun vorm en microstructuur.

Eén gebruik van HEBM is in de productie van zeer reactieve, energieke nanocomposieten. Dit proces is eenvoudig, zeer zuinige en eenvoudig geschaald. Er zijn twee grote problemen met dit proces, echter. De eersteveiligheidskwesties; Dit proces creëert nanocomposieten die zeer reactief, en als zodanig moet de bediener veiligheidsprocedures volgen. Dit omvat algemene procedures voor de werking van de machine zelf en meer specifieke veiligheidsprocedures met betrekking tot de verbindingen worden gebruikt. Vanwege de zeer reactieve aard van deze nanocomposieten; een beperkte hoeveelheid van dit materiaal moet worden geproduceerd tot kennis omtrent de veiligheid van het specifieke systeem is vastgesteld. Tenslotte kan onzuiverheden betreffende het toestel worden ingevoerd. Dit kan leiden tot eenvoudige besmetting of zelfs ongewenste nevenreacties. Ten derde, het opstellen van porievrij composieten (bv, coatings, films) is moeilijk en vereist extra stappen (koud spuiten of rollen) 26.

Het protocol voorziet ook diepgaande informatie over de karakterisering van mechanisch vervaardigd nanostructuur energieke composieten. Het gebruik van high-speed infrarood technieken eenllows voor nauwkeurige ruimtelijke (2 urn), thermisch (5K) en temporele resolutie (15.000 fps). Dit maakt een nauwkeurige karakterisering van de samengestelde deeltjes, met inbegrip van hun tijd-temperatuur geschiedenis, ontstekingstemperatuur, vertragingstijd, en voortplantingssnelheid.

Het protocol is een belangrijke leidraad voor de bereiding van verschillende energetische nanomaterialen (gasless) die kunnen worden gebruikt bij hoge energie dichtheid of voor synthese en verwerking van geavanceerde nanomaterialen door verbranding gebaseerde benaderingen. Het kan gemakkelijk worden aangepast aan toepassing op termiet systemen en andere energetische materialen zoals metaal-polymeer composieten.

Kritische stappen in het protocol zijn de eerste voorbereidingen van de nanocomposieten, uitgaande van de weging van de poeders en het kiezen van de juiste lading verhouding. Daarnaast is het van het grootste belang om ervoor te zorgen dat de interne sfeer van de pot is inert door Ar zuiveren. Selectie van de balfrezen parameters, zoals het toerental en de totale maalduur nodig voor afstemmen van de microstructuur. Tot slot, de belichting, de verzameling, en de indeling van het poeder met een veilige procedure zijn belangrijk, opdat het experiment is geruïneerd. Bereiding van poeders voor de experimenten door op bepaalt de gegevens die kunnen worden verzameld, gevolgd door nauwkeurige analyse van de gegevens. Gebruik van de FIB S & V programma om een ​​3D dataset voor analyse ook van belang te genereren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Materials

Mol gas vrijgegeven per 100 g Energiedichtheid per volume, kJ / cm3 Ontstekingstemperatuur, K
Trinitrotolueen (TNT) 8.36 -7,22 510
Termieten
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
Gasless 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