Nanothermite עם מרנג דמוי מורפולוגיה: מאבקה לאובייקטים אולטרה נקבובי

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

כתב יד זה מתאר את הסינתזה של מטריצות aluminophosphate דליק לפי התגובה של חומצה זרחתית (H3פו4) עם אלומיניום nanopowder. כאשר התגובה הזו מתבצעת עם עודף אלומיניום בנוכחות טונגסטן trioxide nanopowder, זה מוביל קצף מוצק, נקבובי nanothermite.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Martin, C., Comet, M., Schnell, F., Spitzer, D. Nanothermite with Meringue-like Morphology: From Loose Powder to Ultra-porous Objects. J. Vis. Exp. (130), e56479, doi:10.3791/56479 (2017).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

המטרה של הפרוטוקול המתואר במאמר זה היא להכין יצירות aluminothermic (nanothermites) בצורה של אובייקטים נקבוביים, מונוליתי. Nanothermites הם חומרים דליקים המורכב מחמצן והדלק אורגניים. ב- nanothermite קצף, אלומיניום היא דלק, אלומיניום פוספט ו טונגסטן trioxide הם moieties חמצון. בין הגבוהים להבה הפצת המהירויות (FPVs) ב- nanothermites הם נצפו אבקות רופף, FPVs חריפה הופחתו לייצור כדוריות nanothermite אבקות. מבחינה פיזית, אבקות רופף nanothermite הן מערכות והשלמת. ניתן לשנות את המאפיינים שלהם על-ידי דחיסת לא מכוונת המושרה על ידי זעזועים או ויברציות או ההפרדה של חלקיקים לאורך זמן על ידי להתיישב, תופעות, שמקורו מן ההבדלים צפיפות של הרכיבים שלהם. העברת מג'ל אובייקט הוא האתגר שחייבים להכריעו לשלב nanothermites במערכות פירוטכניים. אובייקטים Nanothermite חייב להיות גבוה נקבוביות פתוחות והן חוזק מכני טוב. קצף Nanothermite נפגשים שני קריטריונים אלה, שהם מוכנים על ידי פיזור תערובת בגודל ננו aluminothermic (Al/וו3) בחומצה זרחתית. התגובה של אלומיניום עם הפתרון חומצה נותן4 מזון לכלבים "המלט" של חלקיקים3 אשר Al לעבו מוטבעים. Nanothermite קצף, אלומיניום פוספט מנגן את התפקיד הכפול של קלסר מחמצן. ניתן להשתמש בשיטה זו עם טונגסטן trioxide, אשר אינה משתנה על ידי תהליך ההכנה. זה כנראה אפשרות להאריך עד כמה תחמוצות, אשר משמשים בדרך כלל עבור הכנת ביצועים גבוהים nanothermites. וו3-קצף nanothermite מבוסס המתוארות במאמר זה הן רגישות במיוחד ההשפעה וחיכוכים, מה שהופך אותם הרבה יותר בטוח. להתמודד עם יותר אבקה3 Al/WO. הבעירה מהיר של חומרים אלה יש יישומים מעניינים פירוטכניים מפגש המשחק של מקס. השימוש בהם במסגרת נפצים כמו תחל ידרוש שיתוף חומרי נפץ משני בהרכב שלהם.

Introduction

מאמר זה מדווח על שיטה להמרת בגודל ננו aluminothermic תערובות (Al/וו3) ממצב אבקה, קצף1. Nanothermites מהירים שריפת יצירות אנרגטי, אשר מוכנים בתדירות הגבוהה ביותר על ידי ערבוב הפיזי של תחמוצת מתכת/מלח מתכת תוך צמצום, בצורה של ננו אבקות2. תחמוצות קנאס המשמשים להכנת nanothermites הם Cr2O33,4, Fe2O35, המפעילים הוירטואליים ובעלי התשתית263WO7, MoO38 , CuO9 ו- Bi2O310,11, ואילו המלחים מתכתיים בשימוש הם הדאגה שלכם12,13, iodates14,15, periodates16, סולפטים17 או persulfates18. אלומיניום nanopowder היא הבחירה הטובה ביותר כדלק nanothermites בשל תכונותיהם המבוקשות רבים, כגון חום (10-25 kJ/g) חמצון גבוהה19, מהיר התגובה קינטיקה20, רעילות נמוכה21, , יריד מידת יציבות ברגע עברו במדויק passivated22.

במבוסס-Al nanothermites, חזית להבה מפיצה במהירויות גבוהות (0.1 - 2.5 ק מ לשנייה), אבל זה לא יכול, עם זאת, להיחשב פיצוץ23. מנגנון התגובה למעשה מונעת על ידי הסעה של גזים חמים ב שהנקבוביות הן של חומר unreacted. במילים אחרות, נקבוביות חיוני מהר שריפת nanothermites. עם זאת, אבקת רופף nanothermite אינה יציבה מבחינה פיזית. הם נמצאים נדחס על ידי זעזועים או ויברציות, רכיב הצפוף שלהם (בדרך כלל את תחמוצת) בהדרגה מפריד בין ההרכב על ידי השפעת הכבידה. הייצוב של נקבוביות nanothermite הוא אתגר קריטי עבור שילובם במערכות פירוטכניים בעתיד.

היתרון העיקרי של תהליך ההכנה המתוארים בזאת היא לתת nanothermite מוצרים נקבובי מאוד, יציב, הפסלים, אשר יכולה להיות מעוצבת על ידי שהמודעות הדבק שממנו הם יוצרים. בנוסף, nanothermite קצף הם חסרת הלם, חיכוך, בהשוואה אבקות רופף nanothermite מטען אלקטרוסטטי. רגישות זו הופכת אותם בטוח במיוחד ידית, מכונה, למשל על ידי ניסור או קידוח.

אבקות nanothermite חופשי אתה לחוץ, או pelletized, נקבוביות שלהם פוחתת, אובייקטים נוצרות. הלכידות של חומרים כאלה מקורו של הכוחות פני השטח, אשר אחראים על הצבירה של חלקיקים. ניתן לשפר את חוזק מכני של כדורי nanothermite בנוכחות פחמן ננו-סיבים, אשר לשמש מסגרת כדי לחזק את האובייקטים האלה24. למרבה הצער, לחיצה חזקה מקטינה את תגובתיות של nanothermites. על-פי פרנטיס. et al., הקשה של ננו-Al/ננו-WO3 יצירות גורם קריסה של מהירות התגובה שלהם על ידי שני סדרי גודל7. לסיכום, בניגוד לרוב חומרי נפץ, nanothermites לא יכול להיות מעוצבת על ידי לחיצה.

עד כה, שיטות מעט מאוד להבניית nanothermites דווחו הספרות המדעית העוסק nanothermites. Nanothermites ניתן להפקיד על מצעים, או את אבקות של הרכיבים שלהם התפזרו לתוך מדיום נוזלי אלקטרופורזה25, או על ידי את התזה של הרכיבים שלהם שכבות רציפות26. שתי הגישות להוביל פיקדונות צפופה, תגובתי פחות מאשר אבקות חופשי והם נוטים delaminate מן המצע שעליו הם מוכנים.

הכנת "" מימדיים המורכב nanothermite הוצע לראשונה על ידי. Tillotson et al. 5, אשר השתמשו הסינתזה סול-ג'ל שפותחה על ידי רעש. ואח המורכב פתרונות ג'לי של מלחי מתכת על ידי epoxides,27. Nanothermite הפסלים מוכנות על ידי פיזור nanopowder Al ב- סול, לפני ג'לי. ג'לים עוברות ייבוש לאחר מכן תא חום כדי לייצר xerogels או על ידי תהליך מורכב הכרוכות של דודי סופר CO2 כדי להשיג aerogels. Nanothermite aerogels לא רק יש תגובתיות חזקה אבל גם ובתפקוד בשל תכונותיהם מכני מעולה. בנוסף, תהליך סול-ג'ל מאפשרת לסנתז חומרים מיקרו - ו mesoporous עם תואר ללא תחרות של הומוגניות בין הדלקים (אי אל) את תחמוצת בתערובת. למרות אלה תכונות מעניינות, השימוש של התהליך סול-ג'ל הוא מוגבל על ידי: (i) המורכבות של הסינתזה אצווה, אשר תלויה בפרמטרים רבים; (ii) נוכחות בלתי נמנע של סינתזה תוצרי לוואי (זיהומים) חומר סופי, וכן (iii) רב הזמן הנחוץ השלבים השונים של התהליך.

מחצלות דליק של nanothermite הוכנו על ידי electrospinning של ניטרוצלולוזה (קלסר) מפתרונות מואשם חלקיקים באל, CuO28. אלה פאלטס nanothermite מורכבים של סיבים עם קטרים סולם מיקרומטר משנה, אשר אפריורי שאינו נקבובי. חומרים אלה, נקבוביות מוגדרת על-ידי הסתבכותו של סיבים. הדגימות של nanothermite מחצלות צריבה לאט (0.06 - 1.06 m/s) לעומת טהור בגודל ננו באל/CuO תערובות במצב אבקה, שבו חזית להבה מתפשטת במהירות של מספר מאות מ'/ש'29. לבסוף, השימוש ניטרוצלולוזה כדבק nanothermites אינו אידיאלי, כי היא מגבירה את רגישותם תרמי, הפיצולים לשחיקה שלהם לטווח ארוך במידה ניכרת.

הממברנות של nanothermites הוכנו על ידי היאנג. ואח של מורכבות הירארכי המפעילים הוירטואליים ובעלי התשתית2/SnO2 heterostructures מעורבב עם חלקיקים Al6. חומרים אלה, יש שלב תחמוצת מורפולוגיה מאוד ספציפי, שבו המפעילים הוירטואליים ובעלי התשתית2 ננו-חוטים מכוסים על ידי כדורי שלג2 סניפים. בגלל המבנה שלה מאוד מסוים, תחמוצת לא רק לוכד חלקיקים באל, אלא גם מבטיח את עמידות מכנית של הקרום.תהליך ההכנה של המפעילים הוירטואליים ובעלי התשתית2/SnO2/Al ממברנות היא פשוטה מאוד; זה מורכב של סינון של nanothermite הכלול הנוזל שבו שהוא מוכן, באמצעות סינון העוגה כמו קרום.

לסיכום, nanothermite היחיד של אובייקטים שהוזכרו בספרות המדעית הם פיקדונות סובסטרטים, aerogels או מחצלות. הרעיון של הכנת nanothermites בצורה של קצף מוצק פותח אופקים חדשים לשילוב של החומרים האנרגטי למערכות פירוטכניקה פונקציונלי. התהליך מקציף דיווחו במאמר זה הוא פשוט כדי לבצע, באפשרותך להחיל כמעט על כל nanothermite שהוכנו אלומיניום nanopowder. חומר מקציף הוא חומצה זרחתית (H3פו4), חומר כימי נפוץ, זולה, לא רעיל, אשר מגיב עם ננו-Al לתת את הבטון (מזון לכלבים4) והגזים (H2, אדי2O H) יוצר את נקבוביות חומרים1. אלומיניום פוספט יציב במיוחד בטמפרטורות גבוהות, בניגוד קלסרים אורגניים כגון אנרגטי פולימרים (ניטרוצלולוזה). עם זאת, מזון לכלבים4 מתנהג כמו מחמצן לכיוון ננו-Al בטמפרטורה גבוהה, על-פי התפיסה השלילית חומרי נפץ"המוצע על ידי שימיזו30.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

התראה: לבצע כל התגובות המתוארות במאמר זה בחדר מוכחת פיצוץ עם חלון משוריין המאפשרת בדיקה ויזואלית והן התצפית של התהליכים קצף/בעירה על ידי וידאו במהירות גבוהה. . שמור על עצמך לגבי הסיכון ניסיוני הנובעים ההצתה פוטנציאלי של יצירות aluminothermic ו הפיצוץ מימן באוויר. מסיבה זו, תמיד עובד בתא מוכחת פיצוץ מצויד אוורור הפליטה המתאימים. זכור כי ניסויים על חומרים אנרגטי צריך להתבצע על ידי מדענים מנוסים, אשר מודעים באופן מלא סכנות פירוטכניים, כי כל הבדיקות חייב להתבצע בהתאם לחוקים ולתקנות המקומיים בטיחות. שימו לב כי מחברים לדחות שום אחריות על שימוש לא נאות של תוצאות אלו.

1. הכנת מטריצה Aluminophosphate

הערה: ניסויים מבוצעים בטמפרטורת החדר (15-25 ° C).

  1. שוקלים 3.00 גר' אלומיניום nanopowder.
  2. שוקל 4.00 גר' פתרון מסחרי (85%) של חומצה זרחתית (H3פו4) בתוך 150 מ; להוסיף את החומצה dropwise עם פוליאתילן 3 מ"ל פסטר פיפטה.
    1. לחלופין, ניתן להוסיף אמצעי בין 0 - 2 מיליליטר מים יונים חומצה זרחתית.
    2. Homogenize הפתרון על ידי האטת מסתובב כשהספל בכתב יד כ 100 סל"ד.
  3. מקם את הספל המכיל החומצה בתא מטען.
  4. שופכים את nanopowder אלומיניום שקל בשלב 1.1 כשהספל המכיל את הפתרון4 H פו3.
  5. מערבבים מהר עם מרית פלדת אל-חלד; לבצע שלב זה פחות מדקה.
  6. לסגור מיד את התא מטען.
  7. המתן עד התגובה מקציף מתרחשת.
  8. לאחר מכן, לא של 10 דקות נוספות עבור המטריצה aluminophosphate להתקרר.
  9. הסר את הספל תא פיצוץ באמצעות כן הקשת מעבדה.
  10. לשחזר את הדגימה, אשר דבקה הקיר הספל, מפר אותו בזהירות. היזהרו הנוכחות של משקעים חומציים, לא מסתדר עם החומרים בלי כפפות.

2. סינתזה של קצף Nanothermite

הערה: ניסויים מבוצעים בטמפרטורת החדר (15-25° C).

  1. הכנת התערובת nanothermite
    1. בבקבוקון סיבוב המדרגה 100 מ ל, שוקלים 3.00 g ו- 3.45 גר' Al לעבו3 ננו אבקות, בהתאמה.
    2. מערבבים את ננו אבקות עם מערבל מערבולת פועלים ב 2500 סל ד.
    3. מערבבים בעדינות את התערובת עם מרית פלדת אל homogenize זה. למנוע חיכוכים בין הקיר זכוכית + בקבוקי שתייה צידניות סיבוב המדרגה המרית במהלך פעולה זו.
      הערה: בשלב זה, הנסיין חייב להיות מרותק על מנת למנוע פריקה אלקטרוסטטית כלשהו, אשר יכול לגרום להצתה של התערובת.
    4. חזור על פעולת 2.1.2.
  2. הכנת H 3 פו 4 פתרונות
    1. שוקל 4.00 גר' פתרון מסחרי (85%) של חומצה זרחתית (H3פו4) בתוך 150 מ; להוסיף את החומצה dropwise עם פוליאתילן 3 מ"ל פסטר פיפטה.
    2. הכנת מדולל H3פו4 פתרונות:
      1. שייקח. את מוכנה בשלב 2.2.1 ולהוסיף מים 0 עד 2 מ"ל deionised פוליאתילן 1-mL פסטר פיפטה.
      2. Homogenize את הפתרון על-ידי תנועת סיבוב איטי של כשהספל מיושמים על מהירות של 100 סל"ד.
  3. הכנת nanothermite קצף
    1. מקם את הספל המכיל החומצה מוכן בשלב 2.2 בתא מטען.
    2. שופכים את nanothermite המוכנים בשלב 2.1 במיכל המכיל את הפתרון4 H פו3.
    3. מערבבים מהר עם מרית פלדת; לבצע שלב זה פחות מדקה.
    4. לסגור מיד את התא מטען.
    5. המתן עד התגובה מקציף מתרחשת.
    6. לאחר מכן, לא של 10 דקות נוספות להירגעות הקצף nanothermite.
    7. הסר את הספל תא מטען עם טונג קשת המעבדה.
    8. לשחזר את הדגימה, אשר דבקה הקיר הספל, מפר אותו בזהירות. היזהרו הנוכחות של משקעים חומציים ולהימנע טיפול החומרים בלי כפפות.

3. בעירה של קצף Nanothermite

  1. מקם המטריקס aluminophosphate מוכן בשלב 1.10 או הקצף nanothermite מוכן בשלב 2.3.8 בתא מטען.
  2. המקום מצת פירוטכניים קרוב הדוגמה מהצעד 3.1.
  3. סגור את התא מטען.
  4. לחבר את המצת מכשיר אלקטרוני מאובטח.
  5. לפטר את השרשרת פירוטכניים.
  6. להתבונן הבעירה דרך החלון משוריין עם מצלמה מרביים פועלים ב 10,000 ל-30,000 מסגרות לשנייה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

המטריצה aluminophosphate מכיל מגובשת אלומיניום (Al), אלומיניום פוספט (מזון לכלבים4). הנוכחות של שלבים אלה אושר ע י צילום רנטגן עקיפה (איור 1). בנוסף, ניסויים gravimetric הראו כי חומר זה מכיל גם חלק הבלתי גבישי, אשר אלומינה אמורפי. חומרים אלה, אלומיניום פוספט מתנהג הן כדבק ו מחמצן. המאפיינים חמצון של מזון לכלבים4 היו עדות על ידי מדידת החום פיצוץ (3,340 J/g) של תערובת ננו-Al/מזון לכלבים4 wt./wt.% 50/50 הפצצה קלורימטר1.

המים, אשר מתווסף לדלל את הפתרונות4 H פו3, מואטת עליית החום של המדיום התגובה (איור 2). הייבוש של H3פו4 אנהידריד זרחן (P4O10), או על ידי כל סופג לחות חזקה, הוא לא מומלץ (איור 2, עקומת השמאלי). בהיעדר מים, הדבק עובר חימום מהירה מאוד, אשר מעורר את ההצתה של הקצף אנרגטי, פיצוץ מימן באוויר. אנא שימו לב כי המסה של מימן שפורסמו על ידי הכנת דגימה קצף nanothermite של 10 גרם הוא כ- 0.5 g, כי הבערת בסכום כזה של הגז הזה באוויר נותן אנרגיה של בערך 60 kJ. הגבולות דליקות של מימן נע בין 4 ל 75 vol.% האוויר ואת הטמפרטורה ההצתה שלו הוא בין 500 ל- 580 מעלות C31.

המערכות מוכנות עם מים קלים לערבב, בשל יחס יותר נוזלי/אבקה. מים מעכב את התגובה מקציף והופכת אותו מתקדמת יותר ובטוח יותר. קצף Nanothermite המופק פתרונות מדולל יש חוזק מכני טוב יותר, אבל להרחיב פחות. הניתוח רנטגן עקיפה של קצף nanothermite מגלה כי הם מכילים אלומיניום מגובשת אלומיניום פוספט, trioxide טונגסטן (איור 3). האחרון לא כימי אינטראקציה עם התגובה השוצפים.

ההרכב של המטריצה aluminophosphate (ננו-Al/מזון לכלבים4) ואת הקצף nanothermite (ננו-Al/מזון לכלבים4/nano-WO3) שהוכנו לפי הפרוטוקול ניתנת טבלה1. הצפיפות של קצף תלוי על תנאי הניסוי שבו הם יש להיות מסונתז, ובמיוחד של הריכוז של הפתרון4 H3פו. זה בדרך כלל נע בין 5 עד 20% של צפיפות התיאורטי שלהם, המקביל נקבוביות גבוהה (80-95%).

החום שפורסמו על ידי הבעירה של המטריצה aluminophosphate, הקצף nanothermite, אשר הוכנו על פי פרוטוקול נסיוני שווים ל 3.4 kJ/g ו- 2.5 kJ/g, בהתאמה. הבעירה של קצף ב הפצצה calorimetric מייצרת שאריות המכילה זרחן, שנוכחותו מאופיין את פליטת עשן לבן במגע עם חמצן אטמוספרי רציפה. זרחן מופק על ידי הפחתת מזון לכלבים4 בתוך תא סגור, בהיעדרו של אוויר.

Aluminophosphate מטריצות nanothermite קצף אינם רגישים במיוחד מושם חיכוך והלם. עם זאת, הם בטח יטופלו עם טיפול בשל רגישות בינונית שלהם מטען אלקטרוסטטי וחימום מקורות, כמו להבה פתוחה. הבעירה שלהם מייצר כדורי אש גדולה עם עפים ניצוצות עשוי מחלקיקים מותכת. ההשפעה של אלה שלבים ליבון משנה את פני השטח של החלון משוריין של תא מטען.

הניסוי בעירה תיאר את נסיוני איכותית ממחיש את קצף בעירה מהירה של aluminophosphate (או nanothermite). זה לא יכול לשמש כדי למדוד את מהירות התפשטות אש ב nanothermite הפסלים בגלל האדים שופע שפורסמו על ידי התגובה להסתיר חזית להבה. יתר על כן, הבעירה עוקב אחר מספר נתיבים בתוך נקבוביות גשמי, מה שהופך את זה קשה לדעת איפה החזית הבעירה בזמן נתון, וכתוצאה מכך כדי למדוד מהירות התפשטות.

Figure 1
איור 1: קרני רנטגן דפוס של מטריקס aluminophosphate. בתי דפוס של מטריצה aluminophosphate, נוכחות של Al ומזון לכלבים מגובשת4קרני רנטגן. דמות זו שונתה מ. שביט ואח 1 diffractogram בוצעה קצף, אשר נשבר בעבר לאבקה בסדר עם התפלגות גודל החלקיקים מתחת 200 מיקרומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: האבולוציה של טמפרטורה nanothermite ידביק במהלך התגובה מקציף שלהם. האבולוציה של הטמפרטורה על nanothermite הדבקת במהלך התגובה שלהם השוצפים, בהתאם H3פו4 ריכוז. דמות זו שונתה מ. שביט ואח 1 . הטמפרטורה נמדדה עם סוג K צמד תרמי להציב את העיסה ומחובר בקר (PID) פרופורציונלי-אינטגרל-נגזרת. הרכבת הדוהרת של התגובה מקציף נוצרת כאשר הטמפרטורה גבוהה יותר מ- 40 ° C. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: קרני רנטגן דפוס של קצף nanothermite. בתי דפוס של קצף nanothermite, נוכחות של Al מגובשת, מזון לכלבים4 ווו3קרני רנטגן. דמות זו שונתה מ. שביט ואח 1 כפי עבור קצף aluminophosphate, diffractogram בוצעה על מדגם, אשר נהרס בעבר לאבקה בסדר עם התפלגות גודל החלקיקים מתחת 200 מיקרומטר. הערה trioxide טונגסטן הזה אינו מגיב עם חומצה זרחתית, ניסיוני התנאים בהם נעשה שימוש.אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

מדגם Al (wt.%) אל2O3 (wt.%) מזון לכלבים4 (wt.%) וו3 (wt.%) H2O (wt.%)
Al/H3פו4. H2O 21.8 9.4 68.8 0.0 0.0
Al/וו3/H3פו4. H2O 14.6 5.0 44.2 36.2 0.0

טבלה 1: ההרכב הכימי של aluminophosphate (ננו-Al/מזון לכלבים4), nanothermite (/AlPO של ננו-Al/ננו-WO34) קצף מוכן לפי הפרוטוקול. ערכים אלה חושבו מנתונים thermogravimetric.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

תהליך ערבוב של ננו אבקות בחומצה וסגירת הלשכה פיצוץ חייב להתבצע במהירות, מטעמי בטיחות. עיכוב התגובה עשוי להשתנות במידה מסוימת (1-10 דקות), בהתאם לתנאי הניסוי. זה מתקצר כאשר טמפרטורת החדר היא גבוהה מדי או בנוכחות מקורות חימום חיצוני כמו זרקור, אשר יכול לגרום הפעלה מוקדמת של התגובה השוצפים. לעומת זאת, זה גדל כאשר טמפרטורת החדר היא נמוכה. במקרה של עיכוב השוצפים יותר מדי (> 15 דקות), התגובה יכולה להיעצר על ידי במהירות לשפוך כמות גדולה של מים במיכל (100 מ"ל). הכנת הקצף מטריקס או nanothermite aluminophosphate חייב להתבצע בטמפרטורת החדר (15-25 ° C), בידיעה כי התגובה מקציף מופעל כאשר הטמפרטורה של הדבק בין 40 עד 45 ° C (איור 2). התגובה מקציף קודם סימן אזהרה, המהווה הרחבה קלה של הדבק עם בועות של גז שבירת פני השטח שלו. פראק התגובה מאופיין על ידי התרחבות הדבק, בליווי חשוב שחרור גזי (H2 ו- H2O vapor) מהר וחזק.

כמות nanopowder מעורבב עם הפתרון4 H3פו מגדיר את העקביות של הדבק. יחס נמוך של אבקת/חומצה לתת נוזלים, משחות, ואילו יחס נמוך של חומצה/אבקת להפוך ערבוב קשה. תחמוצת המשמש להכנת nanothermite חייב להיות תואם עם חומצה זרחתית. קצף aluminophosphate או nanothermite צריך להיות מוכן בכמויות קטנות (בדרך כלל 10 גרם), כדי למזער את הסכנה פיצוץ הנובע המימן משתחררת לאוויר במהלך התהליך.

השלב הקריטי הראשון הוא שקילת ננו אבקות, אשר חייב להתבצע על ידי אופרטור לבוש מתאים בודדים ציוד מגן (FFP3 מסנן מסיכת מחסנית) תחת ברדס fume. ערבוב של nanopowder(s) עם חומצה זרחתית חייב להיעשות במהירות צריך זמן. כדי לסגור את החדר מוכחת פיצוץ, אשר קשה יותר, כאשר הדבק הוא עבה, למשל עם יחס גבוה אבקת/חומצה. קצף חייב להיות מסונתז רחוק ממקור חום, בשל היווצרות של מימן התגובה. כל הדגימות אנרגטי יש לטפל בזהירות; אבקה ננו-Al/ננו-WO3 יש סף רגישות נמוך במיוחד כדי פריקה אלקטרוסטטית (0.14 mJ). לבסוף, המבחן הבוער של קצף חייב להתבצע בתוך תא הבעירה כי הוא מצויד פליטה האוויר המתאים.

הכנת nanothermite אובייקטים באמצעות תהליך זה הינו ייחודי. השיטה האחרת רק. להכנת nanothermite גדול הפסלים היא מתודולוגיה סול-ג'ל. טכניקה זו דורשת סימנים מקדימים ספציפיים והשלבים סינתזה/ייבוש ארוך מאוד, מה שהופך את זה מאוד יקר. בנוסף, חומרים המיוצרים על ידי הטכניקה סול-ג'ל תמיד להכיל זיהומים באה מהתהליך. לבסוף, סול-ג'ל מוצר נקבוביות הוא קטן מאוד בהשוואה ל nanothermite קצף, אשר מגביל את התפשטות על ידי מנגנונים הסעת חום (לחץ הפסדים), עשוי לשנות את התגובה שלה.

השילוב העתידי של קצף nanothermite במערכות פירוטכניים ידרוש את השימוש תחמוצות אחרות (למשל CuO ו- Bi2O3) כדי להגדיל את תכונותיהם תגובתי. יתר על כן, התוספת של חומרי נפץ משני ב nanothermite קצף, או בתהליך הרכב או על ידי חדירה עוקבות (מתוך פתרון) של קצף הקיימת מראש, יכול לשמש כדי לסנתז שהפעיל מטען אנרגטי nanocomposites32. חומרים כאלה יכולים למצוא יישומים מעניינים תחל נטול עופרת. המכייר של nanothermite קצף לתוך אובייקטים בצורות מוגדרים היטב יהיה האתגר הבא להתגבר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין לנו לחשוף.

Acknowledgements

המחברים רוצה להודות הצלמים של ISL, איב סומה, יאניק Boehrer, עבור התמונות של דוגמאות, התצפית על ידי וידאו במהירות גבוהה של הסינתזה, על הבערת nanothermite קצף. הם גם רוצה להביע את תודתי לעמית שלהם ד ר וינסנט Pichot מן המעבדה NS3E על האפיון של החומרים על ידי קרני רנטגן.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Aluminum nanopowder Intrinsiq Materials - nanopowder, ≈ 100 nm particle size Al QNA891
Tungsten(VI) oxide Sigma-Aldrich 550086-25G nanopowder, <100 nm particle size (TEM) Lot# MKBR9903V
Orthophosphoric Acid Fisher Scientific - 85% solution
polyethylene Pasteur pipette 3 mL Th. Geyer 7691062 LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,50 ml, Length 145 mm
polyethylene Pasteur pipette 1 mL Th. Geyer 7691063 LABSOLUTE Pasteur pipettes made of polyethylene (PE) graduation 0,25 ml, Length 150 mm
Test tube shaker Reax Control Heidolph 541-11000-00 Vortex mixer with strong 5 mm vibration orbit yields

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Comet, M., Martin, C., Schnell, F., Spitzer, D. Nanothermite foams: From nanopowder to object. Chem. Eng. J. 316, 807-812 (2017).
  2. Lafontaine, E., Comet, M. Nanothermites. ISTE Editions Ltd. London. (2016).
  3. Comet, M., et al. Preparation of Cr2O3 nanoparticles for superthermites by the detonation of an explosive nanocomposite material. J. Nanopart. Res. 13, (5), 1961-1969 (2011).
  4. Gibot, P., et al. Highly Insensitive/Reactive Thermite Prepared from Cr2O3 Nanoparticles. Propell. Explos. Pyrot. 36, (1), 80-87 (2011).
  5. Tillotson, T. M., Gash, A. E., Simpson, R. L., Hrubesh, L. W., Satcher, J. H., Poco, J. F. Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies. J. Non-Cryst. Solids. 285, (1-3), 338-345 (2001).
  6. Yang, Y., et al. Hierarchical MnO2/SnO2 Heterostructures for a Novel Free-Standing Ternary Thermite Membrane. Inorg. Chem. 52, (16), 9449-9455 (2013).
  7. Prentice, D., Pantoya, M. L., Gash, A. E. Combustion Wave Speeds of Sol-Gel-Synthesized Tungsten Trioxide and Nano-Aluminum: The Effect of Impurities on Flame Propagation. Energ. Fuel. 20, (6), 2370-2376 (2006).
  8. Bockmon, B. S., Pantoya, M. L., Son, S. F., Asay, B. W., Mang, J. T. Combustion velocities and propagation mechanisms of metastable interstitial composites. Appl. Phys. Lett. 98, 064903 (2005).
  9. Apperson, S., et al. Generation of fast propagating combustion and shock waves with copper oxide/aluminum nanothermite composites. Appl. Phys. Lett. 91, 243109 (2007).
  10. Wang, L., Luss, D., Martirosyan, K. S. The behavior of nanothermite reaction based on Bi2O3/Al. J. Appl. Phys. 110, 074311 (2011).
  11. Martirosyan, K. S., Wang, L., Vicent, A., Luss, D. Synthesis and performances of bismuth trioxide nanoparticles for high energy gas generator use. Nanotechnology. 20, (8), 405609 (2009).
  12. Armstrong, R. W., Baschung, B., Booth, D. W., Samirant, M. Enhanced Propellant Combustion with Nanoparticles. Nano Lett. 3, (2), 253-255 (2003).
  13. Wu, C., Sullivan, K., Chowdhury, S., Jian, G., Zhou, L., Zachariah, M. R. Encapsulation of Perchlorate Salts within Metal Oxides for Application as Nanoenergetic Oxidizers. Adv. Funct. Mater. 22, (1), 78-85 (2012).
  14. Sullivan, K. T., Piekiel, N. W., Chowdhury, S., Wu, C., Zachariah, M. R., Johnson, C. E. Ignition and Combustion Characteristics of Nanoscale Al/AgIO3: A Potential Energetic Biocidal System. Combust. Sci. Technol. 183, (3), 285-302 (2010).
  15. Wang, H., Jian, G., Zhou, W., Delisio, J. B., Lee, V. T., Zachariah, M. R. Metal iodate-based energetic composites and their combustion and biocidal performances. ACS Appl. Mater. Interfaces. 7, (31), 17363-17370 (2015).
  16. Jian, G., Feng, J., Jacob, R. J., Egan, G. C., Zachariah, M. R. Super-reactive Nanoenergetic Gas Generators Based on Periodate Salts. Angew. Chem. Int. Ed. 52, (37), 9743-9746 (2013).
  17. Comet, M., Vidick, G., Schnell, F., Suma, Y., Baps, B., Spitzer, D. Sulfates-Based Nanothermites: An Expanding Horizon for Metastable Interstitial Composites. Angew. Chem. Int. Ed. 54, (15), 4458-4462 (2015).
  18. Zhou, W., Delisio, J. B., Li, X., Liu, L., Zachariah, M. R. Persulfate salt as an oxidizer for biocidal energetic nano-thermites. J. Mater. Chem. A. 3, (22), 11838-11846 (2015).
  19. Sun, J., Pantoya, M. L., Simon, S. L. Dependence of size and size distribution on reactivity of aluminum nanoparticles in reactions with oxygen and MoO3. Thermochim. Acta. 444, (2), 117-127 (2006).
  20. Levitas, V. I., Asay, B. W., Son, S. F., Pantoya, M. Melt dispersion mechanism for fast reaction of nanothermites. Appl. Phys. Lett. 89, 071909 (2006).
  21. Park, E. -J., Kim, H., Kim, Y., Choi, K. Repeated-dose toxicity attributed to aluminum nanoparticles following 28-day oral administration, particularly on gene expression in mouse brain. Toxicol. Environ. Chem. 93, (1), 120-133 (2011).
  22. Walter, K. C., Aumann, C. E., Carpenter, R. D., O'Neill, E. H., Pesiri, D. R. Energetic materials development at technanogy materials development. Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 800, 27-37 (2004).
  23. Khasainov, B., Comet, M., Veyssière, B., Spiter, D. Comparison of performance of fast–reacting nanothermites and primary explosives. Propell. Explos. Pyrot. (2017).
  24. Siegert, B., Comet, M., Spitzer, D. Safer energetic materials by a nanotechnological approach. Nanoscale. 3, 3534-3544 (2011).
  25. Sullivan, K. T., Kuntz, J. D., Gash, A. E. Electrophoretic deposition and mechanistic studies of nano-Al/CuO thermites. J. Appl. Phys. 112, 024316 (2012).
  26. Blobaum, K. J., Reiss, M. E., Plitzko, J. M., Weihs, T. P. Deposition and characterization of a self-propagating CuOx/Al thermite reaction in a multilayer foil geometry. J. Appl. Phys. 94, (5), 2915-2922 (2003).
  27. Gash, A. E., Tillotson, T. M., Satcher, J. H., Poco, J. F., Hrubesh, L. W., Simpson, R. L. Use of epoxides in the sol-gel synthesis of porous iron (III) oxide monoliths from Fe(III) salts. Chem. Mater. 13, (3), 999-1007 (2001).
  28. Yan, S., Jian, G., Zachariah, M. R. Electrospun nanofiber-based thermite textiles and their reactive properties. ACS Appl. Mater. Interfaces. 4, 6432-6435 (2012).
  29. Puszynski, J. A., Groven, L. J. Formation of nanosized aluminum and its applications in condensed phase reactions. Inorganic nanoparticles. Synthesis, applications and perspectives. Altavilla, C., Ciliberto, E. CRC Press. Boca Raton, Florida. (2011).
  30. Shimizu, T. A. Concept and the use of negative explosives. Proceedings of the 11th International Pyrotechnics Seminar, Vail, Colorado, July 7-11. (1986).
  31. Molkov, V. Fundamentals of Hydrogen Safety Engineering. 1, Ventus Publishing ApS. (2012).
  32. Comet, M., Martin, C., Klaumünzer, M., Schnell, F., Spitzer, D. Energetic nanocomposites for detonation initiation in high explosives without primary explosives. Appl. Phys. Lett. 107, 243108 (2015).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics