Nanothermite beze gibi görünümdeki: Ultra gözenekli nesnelere gevşek toz üzerinden

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

Bu el yazması yanıcı aluminophosphate matrisler sentezi dezenfektan maddeler (H3PO4) alüminyum nanopowder ile tepki açıklar. Bu reaksiyon tungsten Temmuzda nanopowder huzurunda aşırı alüminyum ile işlenirken, bir katı, gözenekli nanothermite köpük yol açar.

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

Bu makalede açıklanan protokol amacı aluminothermic besteleri (nanothermites) gözenekli, yekpare nesneleri şeklinde hazırlamaktır. Nanothermites inorganik yakıt ve bir oksitleyici oluşan yanıcı malzemelerdir. Nanothermite köpükler içinde alüminyum yakıt ve alüminyum fosfat ve tungsten trioksit oksitleyici moieties olmasıdır. En yüksek alev yayılma hızları (FPVs) nanothermites içinde gevşek tozlar gözlenir ve FPVs şiddetle nanothermite tozlar cips kesme tarafından düşmüştür. Bir fiziksel açıdan nanothermite gevşek tozlar metastable sistemlerdir. Bunların özelliklerini bileşenlerinin yoğunluğu farklılıklardan kaynaklanan şok veya titreşim veya parçacıklar segregasyon Zamanla olayları, yerleşme tarafından indüklenen kasıtsız sıkıştırma tarafından değiştirilebilir. Bir toz bir nesneye hareket nanothermites piroteknik sistemlerinde tümleştirmek için aşılması gereken mücadeledir. Nanothermite nesnelerinin bir yüksek açık gözeneklilik ve iyi mekanik gücü olmalıdır. Nanothermite köpükler iki ölçütü karşılamak ve onlar dezenfektan maddeler bir nano ölçekli aluminothermic karışımı (Al/WO3) dağıtırken tarafından hazırlanır. Alüminyum ile asitli reaksiyon AlPO4 "çimento" hangi Al ve WO3 nano tanecikleri katıştırılır verir. Nanothermite köpükler içinde alüminyum fosfat bağlayıcı ve oksitleyici çift rol oynamaktadır. Hazırlama işlemi tarafından değiştirilmez tungsten trioksit bu yöntem kullanılabilir. Muhtemelen yüksek performanslı nanothermites hazırlanması için yaygın olarak kullanılan bazı oksitler için uzatılabilir. WO3-bu makalede açıklanan temel nanothermite köpükler özellikle etkileri ve daha güvenli daha gevşek Al/WO3 toz işlemek geçici onları sürtünme duyarsız. Bu malzemelerin hızlı yanma piroteknik ateşleyici ilginç uygulamaları var. Ateşleyiciler astar olarak bunların kullanımı onların kompozisyon içinde ikincil bir patlayıcı ve eklenmesi gerektirir.

Introduction

Bu makalede nano ölçekli aluminothermic karışımlar (Al/WO3) gevşek toz durumundan köpükler1' e dönüştürür raporlar. Nanothermites en sık fiziksel bir metal oksit/tuz nanopowders2şeklinde azalan bakiyeli bir metalle karıştırılarak hazırlanır enerjik besteleri yanan hızlı. Nanothermites hazırlamak için kullanılan en iyi temsil eden oksitler vardır Cr2O33,4, Fe2O35, MnO26, WO37, MoO38 , CuO9 ve BI2O310,11, kullanılan metal tuzları ise çoğu perkloratlar12,13,14,15, iodates periodates16,17 veya persulfates18sülfatlar. Alüminyum nanopowder bir yüksek oksidasyon ısı (10-25 kJ/g)19, hızlı reaksiyon kinetiği20, düşük toksisite21, ve adil bir gibi çok sayıda onların arzu özellikleri sayesinde nanothermites için yakıt olarak en iyi seçim olduğunu doğru bir şekilde edildikten sonra istikrar derecesi22düzgünleştirilecek.

Al-esaslı nanothermites içinde alev açık yüksek hızları yayar (0.1 - 2.5 km/s), ama bu olmaz, ancak, patlama23düşünülebilir. Reaksiyon mekanizması aslında unreacted malzeme porozite içinde sıcak gazlar konveksiyon tarafından tahrik edilmektedir. Başka bir deyişle, gözeneklilik nanothermites hızlı yanma için esastır. Ancak, gevşek nanothermite toz bir fiziksel açıdan istikrarlı değildir. Şok veya titreşimler tarafından düzenlenmiş ve onların yoğun bileşeni (genellikle oksit) kademeli kompozisyon yerçekimi etkisiyle ayırır.. Nanothermite porozite istikrar gelecekteki piroteknik sistemleri entegrasyonu için çok önemli bir sorundur.

Burada açıklanan hazırlık sürecinde büyük avantajı hangi onlar formu hamur kalıplama tarafından şeklinde son derece gözenekli, sağlam, nanothermite yekpare vermektir. Ayrıca, nanothermite köpükler oldukça şok, sürtünme ve Elektrostatik Deşarj nanothermite gevşek tozlar için karşılaştırıldığında duyarsızdır. Bu duyarsızlık onları kolu ve makine, örneğin testereyle kesmek veya Delme özellikle güvenli yapar.

Gevşek nanothermite tozlar basıldığında ya da tablet, onların porozite azalır ve nesneleri oluşturulur. Bu materyalleri uyum nano tanecikleri toplama için sorumlu olan yüzey kuvvetlerinden kaynaklanan. Nanothermite granül mekanik gücünü karbon nano-bu nesneleri24güçlendirmek için bir çerçeve hareket lifleri, huzurunda geliştirilebilir. Ne yazık ki, güçlü basarak nanothermites reaktivite azalır. Prentice ve ark.göre nano-Al/nano-WO3 besteleri birine basarak onların reaksiyon hız çöküşü iki büyüklük7tarafından neden olmaktadır. Sonuç olarak, çoğu patlayıcı aksine basarak nanothermites şeklinde olamaz.

Bugüne kadar nanothermites yapılanma için çok az yöntemleri nanothermites ile ilgili bilimsel edebiyatı bildirilmiştir. Nanothermites yüzeylerde, ikisinden biri--dan tozlar Elektroforez25veya bileşenlerinin birbirini izleyen Katmanlar26yılında SAÇTIRMA sıvı bir ortam dağınık bileşenlerinin üzerine yatırılır. Her iki yaklaşımın gevşek tozlar daha az reaktif ve meyletmek-e doğru hangi onlar hazırlanan yüzey--dan delaminate yoğun mevduat, yol.

"Üç boyutlu" nesneleri nanothermite oluşan hazırlanması Tillotson vd tarafından önerildi metal tuzları jelleşme çözümleri, epoksitler27tarafından oluşur Gash vd tarafından geliştirilen sol-jel sentez kullanan 5. Nanothermite yekpare gelling önce Al nanopowder sol, Dispergatör tarafından hazırlanır. Jelleri daha sonra xerogels üretmek için bir ısı odasında ya da aerogels elde etmek için süperkritik CO2 kullanımını içeren karmaşık bir süreç kurutulur. Nanothermite aerogels sadece güçlü reaktivite var ama aynı zamanda mükemmel mekanik özellikleri nedeniyle işlenmiş. Buna ek olarak, sol-jel işlemin bir mikro - ve mesoporous malzemeleri homojenliği yakıt (Al) ve oksit karışımı arasında rakipsiz bir düzeyde sentezlemek izin verir. Bunlar ilginç özellikleri rağmen sol-jel işlem kullanımı sınırlıdır: (i) çok sayıda parametrelere; bağlıdır toplu sentez karmaşıklığı (ii) sentezi yan (kirleri) son malzeme ve (III) için gerekli işlemi farklı adım tarafından uzun zamandır kaçınılmaz varlığı.

Nanothermite yanıcı paspaslar kullanılıyorsa Al ve CuO nano tanecikleri28ile çözümler nitroselüloz (Cilt) electrospinning tarafından hazırlanmıştır. Bu nanothermite keçeleri lifleri bir muhtemel olmayan gözenekli olan alt mikrometre ölçek çapları ile oluşur. Bu malzemelerin porozite lifleri Dolaşıklık tarafından tanımlanır. Nanothermite örnekleri paspaslar yanık yavaş yavaş (0,06 - 1,06 m/s) saf nano ölçekli Al/CuO karışımlar alev açık birkaç yüz m/s29bir hızda yayar bir gevşek toz durumda göre. Son olarak, önemli ölçüde onların ısı hassasiyeti artar ve onların uzun vadeli kimyasal kararlılık değiştirir çünkü nanothermites için bağlayıcı olarak nitroselüloz kullanımını ideal, değildir.

Nanothermites zarı Yang ve ark. üzerinden Al nano tanecikleri6ile karışık karmaşık hiyerarşik MnO2/SnO2 heterostructures tarafından hazırlanmıştır. Bu malzemeler çok özel bir Morfoloji, MnO2 nano-telleri SnO2 şube tarafından karşılanmaktadır oksit aşama vardır. Çok özel yapısı nedeniyle oksit Al nano tanecikleri yakalar kalmayıp Ayrıca membran mekanik direnç sağlar.MnO2/SnO2/Al membranlar hazırlık sürecinin çok basittir; Bu, bu, bir membran filtrasyon pasta kullanılarak hazırlanmıştır sıvı bulunan nanothermite filtre oluşur.

Özetlemek gerekirse, tek nanothermite bilimsel literatürde bahsedilen mevduat yüzeylerde, aerogels veya paspaslar nesneleridir. Nanothermites katı köpükler şeklinde hazırlama fikri bu enerjik malzemelerin entegrasyonu fonksiyonel piroteknik sistemleri için yeni ufuklar açar. Bu makalesinde bildirilen köpük işlemi için basit yapmak ve hemen hemen herhangi bir nanothermite alüminyum nanopowder hazırlanan uygulanabilir. Dezenfektan maddeler (H3PO4), köpük ajandır nano-Al ile çimento (AlPO4) ve porozite ve oluşturmak gazlar (H2, H2O buharı) vermek için tepki verir bir ortak, ucuz ve non-toksik kimyasal malzeme1. Alüminyum fosfat gibi enerjik Polimerler (nitroselüloz) organik bağlayıcı aksine yüksek sıcaklıklarda özellikle durumu iyi. Ancak, "negatif patlayıcı Shimizu30tarafından önerilen" kavramına göre bir oksitleyici nano-Al yüksek sıcaklıkta doğru olarak AlPO4 davranır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Dikkat: tüm tepkiler yüksek hızlı video, görsel muayene ve gözlem köpük/yanma süreçlerin sağlar zırhlı bir pencere ile bir patlama kanıtlanmış odasında bu makalede açıklanan gerçekleştirin. Aluminothermic besteleri ve hidrojen patlama havadaki olası ateşleme kaynaklanan deneysel risk ile ilgili olarak dikkat çekmek. Bu nedenle, her zaman uygun egzoz havalandırma ile donatılmış bir patlama kanıtlanmış odası çalışır. Piroteknik tehlikeleri tamamen farkında olan deneyimli bilim adamları tarafından enerjik malzemeler üzerinde deneyler yapılmalıdır ve tüm testler yerel yasalara ve güvenlik yönetmeliklerine uygun olarak gerçekleştirilen gerekir unutmayın. Not yazarlar bu sonuçlar uygunsuz kullanımı için herhangi bir sorumluluk reddedin.

1. bir Aluminophosphate matris hazırlanması

Not: Oda sıcaklığında (15-25 ° C) deneyleri yapılmaktadır.

  1. Alüminyum nanopowder 3.00 g ağırlığında.
  2. Dezenfektan maddeler (H3PO4) 150 mL ölçek, ticari bir çözüm (% 85) 4.00 g tartmak; 3 mL polietilen Pasteur pipet dropwise asitle ekleyin.
    1. İsteğe bağlı olarak, bir birim 0 - 2 mL deiyonize su dezenfektan maddeler ilave edilebilir.
    2. Çözüm kabı el ile yaklaşık 100 rpm'de dönen yavaşlatarak lunaparkçı.
  3. Patlama odasında asit içeren kabı yerleştirin.
  4. Adım 1.1 H3PO4 solüsyon içeren kabı içine tartılır alüminyum nanopowder dökün.
  5. Hızlı bir şekilde bir paslanmaz çelik spatula ile karıştırın; bir dakikadan az bu adımı gerçekleştirin.
  6. Patlama odası hemen kapatın.
  7. Köpük tepki oluşana kadar bekleyin.
  8. Daha sonra ek bir 10 dakika soğumasını aluminophosphate matris için bekleyin.
  9. Kabı bir laboratuvar yay tong kullanarak patlama odasından kaldırın.
  10. Dikkatle kırarak kabı duvara yapışır örnek kurtarmak. Asidik artıklar varlığı dikkat ve eldiven olmadan malzemeler ele değil.

2. Nanothermite sentezi köpükler

Not: Oda sıcaklığında (15-25 ° C) deneyleri yapılmaktadır.

  1. Nanothermite karışımı hazırlanması
    1. 100 mL yuvarlak alt şişeye 3.00 g ve3 nanopowders, Al ve WO 3.45 gr sırasıyla düşünürüm.
    2. Nanopowders 2500 devir / dakikada işletim bir girdap Mikser ile karıştırın.
    3. Yavaşça karışımı bu homojenize için paslanmaz çelik spatula ile karıştırın. Bu işlem sırasında herhangi bir sürtünme yuvarlak alt şişe cam duvar ve spatula arasında kaçının.
      Not: Bu adımda deneyci karışımı ateşleme neden olabilecek herhangi bir Elektrostatik boşalımı önlemek için ceza gerekir.
    4. 2.1.2 işlemini yineleyin.
  2. H 3 PO 4 çözümleri hazırlanması
    1. Dezenfektan maddeler (H3PO4) 150 mL ölçek, ticari bir çözüm (% 85) 4.00 g tartmak; 3 mL polietilen Pasteur pipet dropwise asitle ekleyin.
    2. Seyreltilmiş H3PO4 çözümleri hazırlanması:
      1. 2.2.1. adımda hazırlanan örnek alın ve 1 mL polietilen Pasteur pipet ile 0-2 deionised mL su ekleyin.
      2. El ile uygulanan yaklaşık 100 rpm hızında kabı yavaş dönme hareketi tarafından çözüm lunaparkçı.
  3. Nanothermite köpükler hazırlanması
    1. Adım 2.2 patlama odasında hazırlanan asit içeren kabı yerleştirin.
    2. Adım 2.1 H3PO4 solüsyon içeren ölçek hazırlanan nanothermite dökün.
    3. Hızlı bir şekilde bir paslanmaz çelik spatula ile karıştırın; bir dakikadan az bu adımı gerçekleştirin.
    4. Patlama odası hemen kapatın.
    5. Köpük tepki oluşana kadar bekleyin.
    6. Daha sonra aşağı nanothermite köpük soğutma için ek bir 10 dk bekle.
    7. Kabı patlama odası ile bir laboratuvar yay tong kaldırın.
    8. Dikkatle kırarak kabı duvara yapışır örnek kurtarmak. Asidik artıklar varlığı dikkat ve eldiven olmadan malzemeleri kaçının.

3. Nanothermite yanma köpükler

  1. 1.10. adımda hazırlanan aluminophosphate matris veya adım 2.3.8 patlama odasında hazırlanan nanothermite köpük yerleştirin.
  2. Yer kapatmak için örnek adım 3.1 piroteknik bir ateşleyici.
  3. Patlama odası kapatın.
  4. Ateşleyici bir güvenli elektronik cihaza bağlayın.
  5. Yangın piroteknik zinciri.
  6. 10.000 ila 30.000 kare/s işletim ultrafast bir kamera ile yanma zırhlı pencereden gözlemlemek.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Aluminophosphate matris kristalize alüminyum (Al) ve alüminyum fosfat (AlPO4) içerir. Bu aşamalar varlığı x-ışını kırınım (şekil 1) tarafından doğrulandı. Ayrıca, gravimetrik deneyler bu malzeme da amorf Alümina olan kristal olmayan bir bölümü içeren göstermiştir. Bu malzemeler alüminyum fosfat hem de cilt ve oksitleyici olarak davranır. AlPO4 oksitleyici özelliklerini bir 50/50 wt./wt.% nano-Al/AlPO4 karışımı bir bomba Kalorimetresi1' deki patlama ısı (3,340 J/g) ölçerek kanıtı.

H3PO4 çözümleri sulandırmak için eklenir, su, sıcaklık reaksiyon orta (Şekil 2) artış hızlanan/yavaşlayan. H3PO4 fosfor anhidrit (P4O10) veya herhangi bir güçlü kurutucu kurutma değil (Şekil 2, en soldaki eğrisi) tavsiye etti. Su yokluğunda, hamur enerjik köpük ve hidrojen patlama havada ateşleme kışkırtır çok hızlı Isıtma uğrar. Unutmayın ki bir nanothermite köpük örnek 10 g hazırlık tarafından yayımlanan hidrojen kütlesinin yaklaşık 0,5 g ve gibi bir miktar hava bu gazın yanması bir enerji yaklaşık 60 verir kJ. Hidrojen 75 vol.% hava ve ateşleme sıcaklık ile 4 arasındadır yanıcılığını sınırları arasında 500 ve 580 ° C31var.

Su ile hazırlanan karışımı, daha olumlu bir sıvı/toz oranı sayesinde daha kolay sistemlerdir. Su köpük tepki gecikmeler ve daha ilerici ve daha güvenli hale getirir. Nanothermite köpükler seyreltilmiş çözümler üretilen daha iyi mekanik gücü var ama daha az genişletin. X-ışını kırınım nanothermite köpükler, göre analiz kristalize alüminyum, alüminyum fosfat ve tungsten trioksit (şekil 3) içerdikleri ortaya koymaktadır. İkinci kimyasal köpük tepki ile etkileşimde bulunmaz.

Aluminophosphate matris (nano-Al/AlPO4) ve protokole göre hazırlanan nanothermite köpük (nano-Al/AlPO4/nano-WO3) Tablo 1' de verilmiştir. Köpükler yoğunluğu içinde onlar, H3PO4 çözüm konsantrasyonu bilhassa sentez deneysel koşullar bağlıdır. Bu genellikle bir yüksek gözeneklilik (% 80-95) karşılık gelen onların teorik yoğunluğu % 20'si için 5'ten değişmektedir.

Serbest bırakmak yanında yanma deneysel protokole göre hazırlanmıştır aluminophosphate matris ve nanothermite köpük ısı 3.4 kJ/g ve 2.5 kJ/g, eşit are anılan sıraya göre. Köpükler calorimetric bomba yanma artıkları olan varlığı atmosferik oksijen ile temas halinde beyaz dumanı sürekli emisyon karakterizedir fosfor içeren üretir. Fosfor AlPO4 kapalı odasında hava yokluğu içinde azalma tarafından üretilmektedir.

Aluminophosphate Matrisler ve nanothermite köpükler için sürtünme ve şok stresleri özellikle duyarlı değildir. Ancak, onlar Elektrostatik Deşarj ve açık alev gibi kaynakları Isıtma orta onların duyarlılık nedeniyle dikkatle ele alınması gerekir. Onların yanma erimiş parçacıkların yapılmış kıvılcımlar uçuşuyordu ile büyük ateş topları üretir. Bu akkor aşamalar etkisini patlama odası zırhlı pencerenin yüzeyine değiştirir.

Deneysel protokol niteliksel açıklanan yanma deney aluminophosphate (veya nanothermite) hızlı yanma köpükler göstermektedir. Bu reaksiyon tarafından piyasaya bol miktarda duman alev açık gizlemek çünkü alev yayılma hızı nanothermite yekpare olarak ölçmek için kullanılamaz. Ayrıca, yanma yanma açık herhangi bir anda ve sonuç olarak, ölçü için yerini öğrenmek zor yapar malzeme gözeneklilik, içindeki çeşitli yollar izler bir yayılma hızı.

Figure 1
Şekil 1: x-ışını kırınım deseni bir aluminophosphate Matrix. Kristalize Al ve AlPO4varlığını gösteren bir aluminophosphate matris x-ışını kırınım deseni. Bu rakam kuyrukluyıldız ve ark. değiştirildi 1 diffractogram daha önce bir parçacık boyutu dağılımı aşağıda 200 µm. ile ince toz içine ezilmiş bir köpük üzerinde gerçekleştirilen Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Resim 2: nanothermite için sıcaklık evrimi yapıştırır sırasında köpük onların tepkisi. Nanothermite için sıcaklık evrimi sırasında bağlı olarak H3köpük tepkileri PO4 konsantrasyon yapıştırır. Bu rakam kuyrukluyıldız ve ark. değiştirildi 1 sıcaklık hamur yerleştirilir ve bir orantılı-integral-türev (PID) denetleyicisine bağlı bir tür K ısıl ile ölçüldü. Sıcaklık 40 ° C'nin daha yüksek olduğunda köpük tepki kaçak görülmektedir Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3: x-ışını kırınım deseni nanothermite köpük. X-ışını kırınım deseni kristalize Al, AlPO4 ve WO3varlığını gösteren bir nanothermite köpük. Bu rakam kuyrukluyıldız ve ark. değiştirildi 1 aluminophosphate köpükler için bir örneğe bağlı olarak diffractogram gerçekleştirildiği gibi hangi daha önce bir parçacık boyutu dağılımı aşağıda 200 µm. Not Bu tungsten trioksit ile ince toz içine ezilmiş dezenfektan maddeler ile cevap vermiyor kullanılan deneysel koşullar.Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Örnek Al (wt.%) Al2O3 (wt.%) AlPO4 (wt.%) WO3 (wt.%) H2O (wt.%)
Al/H3PO4. H2O 21,8 9,4 68.8 0.0 0.0
Al/WO3/h3PO4. H2O 14,6 5.0 44,2 36.2 0.0

Tablo 1: aluminophosphate (nano-Al/AlPO4) ve nanothermite (nano-Al/nano-WO3/AlPO4) köpükler protokole göre hazırlanmış kimyasal bileşimi. Bu değerler thermogravimetric verilerden hesaplanmıştır.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Nanopowders asit ile karıştırma işlemi ve kapanış patlama odasının güvenlik nedeniyle hızlı bir şekilde gerçekleştirilmesi gerekir. Reaksiyon gecikme bir dereceye kadar (1-10 dk), deneysel koşullarına bağlı olarak değişebilir. Oda sıcaklığı çok yüksek olduğunda veya köpük tepki erken harekete geçirmek neden olabilir bir spot ışığı gibi harici Isıtma kaynakları huzurunda kısaltılır. Diğer taraftan, bu oda sıcaklığında az olduğunda artar. Çok fazla köpük gecikme durumunda (> 15 dk), reaksiyon hızlı ölçek (100 mL) su büyük miktarda dökerek durdurulabilir. Aluminophosphate matris veya nanothermite köpük hazırlanması, oda sıcaklığında (15-25 ° C), hamur sıcaklık 40-45 ° C (Şekil 2) arasında olduğunda köpük reaksiyon aktive bilerek gerçekleştirilmelidir. Köpük tepki yüzeyi kırma gaz kabarcıkları ile hafif bir genişleme hamur bir uyarı işareti önünde. Reaksiyon kaçak tarafından önemli gaz halinde olan yakıtlar açıklaması (H2 ve H2O buharı) eşliğinde Yapıştır, hızlı ve güçlü genişlemesi ile karakterizedir.

H3PO4 çözüm ile karışık nanopowder miktarı hamur tutarlılık tanımlar. Toz/asit vermek sıvı düşük oranları yapıştırır, ise düşük oranları asit/toz karıştırma zorlaştırabilir. Nanothermite hazırlık için kullanılan oksit dezenfektan maddeler ile uyumlu olması gerekir. Aluminophosphate veya nanothermite köpükler her zaman az miktarda (genellikle 10 g), havaya işlemi sırasında serbest hidrojen kaynaklanan patlama riski en aza indirmek için hazır olmalıdır.

İlk kritik adım uygun bireysel koruma araçlar (FFP3 filtre kartuşu maskesi) bir duman başlık altında giyen bir operatör tarafından yapılmalıdır nanopowders ağırlığında olduğunu. Nanopowder(s) dezenfektan maddeler ile karıştırma hızlı bir şekilde hamur kalın Örneğin yüksek toz/Asit oranı ile olduğunda daha zor olan patlama kanıtlanmış odası kapatma zamanı için yapılmalıdır. Köpükler hidrojen tepki oluşumu nedeniyle ısı kaynaklarının uzak sentezlenmiş gerekir. Tüm enerjik örnekleri özenle ele gerekir; Nano-Al/nano-WO3 gevşek toz Elektrostatik boşalımı (0,14 mJ) özellikle düşük duyarlılık eşiğine vardır. Son olarak, köpükler yanma testi uygun hava egzoz ile donatılmış bir yanma odası içinde gerçekleştirilmesi gerekir.

Nanothermite nesneleri bu işlem tarafından benzersiz bir hazırlıktır. Büyük nanothermite yekpare hazırlanması için tek yöntem sol-jel yöntemi kullanmaktır. Bu teknik belirli öncüleri ve adımları çok uzun sentez/kurutma, hangi geçici o çok pahalı gerektirir. Buna ek olarak, her zaman sol-jel tekniği ile üretilen malzemeler işleminden gelen kirleri içerir. Son olarak, sol-jel ürün porozite yayılma konveksiyon mekanizmaları (basınç kayıpları) tarafından sınırlar ve onun reaktivite değiştirebilir nanothermite köpükler için karşılaştırıldığında son derece küçük.

Nanothermite köpükler piroteknik sistemlerindeki gelecekteki entegrasyonu (örneğin CuO ve Bi2O3) Reaktif özelliklerini geliştirmek için diğer oksitleri kullanımını gerektirir. Ayrıca, ikincil patlayıcılar konusunda nanothermite köpükler, kompozisyon süreci veya önceden varolan bir köpük sonraki infiltrasyonu (bir çözümden) eklenmesi enerjik Nanokompozitler32patlama sentezlemek için kullanılabilir. Bu materyalleri ilginç uygulamaları kurşunsuz astar içinde bulabilirsin. Nanothermite köpük halinde nesneleri iyi tanımlanmış şekilleri ile kalıplama üstesinden gelmek için sonraki meydan olacak.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

İfşa etmek yok.

Acknowledgements

Yazarlar, fotoğrafçılar Isl, Yves Suma ve Yannick Boehrer, sentez ve nanothermite köpükler yanma yüksek hızlı video tarafından gözlem ve örnek fotoğraflar için teşekkür etmek istiyorum. Onlar da onların kendi meslektaşı Dr Vincent Pichot için NS3E laboratuvar gelen malzemelerin karakterizasyonu için x-ışını kırınım tarafından şükranlarını istiyorum.

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