Nanothermit mit Baiser-ähnliche Morphologie: aus losen Puder auf Ultra-poröse Objekte

Zusammenfassung

Dieses Manuskript beschreibt die Synthese von brennbaren Aluminophosphate Matrizen durch die Reaktion der Orthophosphorsäure Säure (H₃PO₄) mit Aluminium Nanopowder. Wenn diese Reaktion mit überschüssige Aluminium im Beisein von Wolfram Trioxid Nanopowder durchgeführt wird, führt dies zu einem festen, porösen Nanothermit-Schaum.

Zusammenfassung

Das Ziel des Protokolls, die in diesem Artikel beschriebenen soll aluminothermischen Kompositionen (Nanothermites) vorbereiten, in Form von porösen, monolithische Objekte. Nanothermites sind brennbare Materialien bestehend aus anorganischen Kraftstoff und ein Oxidationsmittel. Nanothermit Schäume ist Aluminium der Kraftstoff- und Aluminium Phosphat und Wolfram Trioxid sind oxidierende Moieties. Die höchste Flamme Ausbreitung Geschwindigkeiten (FPVs) in Nanothermites sind in loser Puder beobachtet und FPVs werden stark durch Granulierung Nanothermit Pulver verringert. Aus physikalischer Sicht sind Nanothermit loser Puder metastabile Systeme. Ihre Eigenschaften können durch unbeabsichtigte Verdichtung induziert durch Stöße oder Vibrationen oder durch die Trennung von Partikeln im Laufe der Zeit durch Absetzen Phänomene, stammt aus der Dichteunterschiede der Komponenten verändert werden. Aus einem Pulver auf ein Objekt bewegen, ist die Herausforderung, die überwunden werden muss, um Nanothermites in pyrotechnische Systeme zu integrieren. Nanothermit Objekte müssen eine hohe offene Porosität und gute mechanische Festigkeit haben. Nanothermit Schäume erfüllen beide Kriterien, und sie werden durch Dispergieren eine Nanogrösse aluminothermischen Mischung (Al/WO₃) in Orthophosphorsäure Säure vorbereitet. Die Reaktion von Aluminium mit der sauren Lösung gibt die AlPO₄ "Zement" in welche Al und WO₃ Nanopartikel eingebettet sind. Aluminium-Phosphat spielt in Nanothermit Schäume die Doppelrolle von Bindemittel und Oxidationsmittel. Diese Methode kann mit Wolfram Trioxid verwendet werden, die nicht von der Vorbereitungsprozess geändert wird. Es könnte wahrscheinlich auf einige Oxide ausgedehnt werden, die häufig für die Herstellung von Hochleistungs-Nanothermites verwendet werden. WO₃-basierte Nanothermit-Schaumstoffe, die in diesem Artikel beschriebenen sind besonders unempfindlich gegenüber Auswirkungen und Reibung, wodurch sie weit sicherer zu handhaben als loses Al/WO₃ Pulver. Die schnelle Verbrennung dieser Materialien hat interessante Anwendungen in pyrotechnische Zünder. Ihre Verwendung in Sprengkapseln als Primer müsste die Aufnahme von einem sekundären Sprengstoff in ihrer Zusammensetzung.

Einleitung

Dieser Artikel berichtet über eine Methode zur Umwandlung Nanogrösse aluminothermischen Mischungen (Al/WO₃) aus einem losen Puder Zustand Schäume¹. Nanothermites sind schnell brennen energische Kompositionen, die am häufigsten durch die physische Vermischung von metallischen Oxid/Salz mit einem reduzierenden Metall, in Form von Nanopulver²hergestellt werden. Die repräsentativsten Oxide benutzt, um Nanothermites vorzubereiten sind Cr₂O₃^3,4, Fe₂O₃⁵, MnO₂⁶, WO₃⁷, MoO₃⁸ , CuO⁹ und Bi₂O₃^10,11, während die metallischen Salze verwendet werden Perchlorate^12,13iodates^14,15, periodates¹⁶,¹⁷ oder Persulfate¹⁸Sulfate. Aluminium-Nanopowder ist die beste Wahl als Brennstoff für Nanothermites aufgrund ihrer zahlreichen wünschenswerten Eigenschaften wie eine hohe Oxidation Hitze (10-25 kJ/g)¹⁹, schnelle Reaktionskinetik²⁰, geringe Toxizität²¹_, und eine faire Maß an Stabilität, sobald es genau passivierte²²wurde.

In Al-basierte Nanothermites, breitet sich die Flammenfront bei hohen Geschwindigkeiten (0,1 - 2,5 km/s), aber dies kann jedoch, als Detonation²³betrachtet werden. Der Reaktionsmechanismus ist tatsächlich durch die Konvektion der heißen Gase in die Porosität des nicht umgesetztes Material getrieben. Das heißt, ist die Porosität für das schnelle Brennen von Nanothermites. Lose Nanothermit Pulver ist jedoch nicht stabil aus physikalischer Sicht. Sie sind durch Stöße oder Vibrationen verdichtet, und ihre dichtesten Komponente (in der Regel das Oxid) trennt schrittweise aus der Zusammensetzung von der Wirkung der Schwerkraft. Die Stabilisierung von Nanothermit Porosität ist eine entscheidende Herausforderung für ihre Integration in zukünftige pyrotechnische Systeme.

Der Hauptvorteil des Vorbereitungsprozesses beschriebenen soll hochporöse, solide, Nanothermit Monolithen, die gestaltet werden kann, durch Formen der Paste, aus der sie sich bilden. Darüber hinaus sind Nanothermit Schäume ziemlich unempfindlich gegen Stoß, Reibung und elektrostatische Entladung, die im Vergleich zu Nanothermit loser Puder. Diese Unempfindlichkeit macht sie besonders sicher zu handhaben und Maschine, zum Beispiel durch Sägen oder bohren.

Wenn lose Nanothermit Pulver gepresst oder granuliert, deren Porosität verringert und Objekte entstehen. Der Zusammenhalt solcher Materialien stammt aus der Oberfläche Kräfte, die für die Aggregation von Nanopartikeln verantwortlich sind. Die mechanische Festigkeit von Nanothermit Pellets kann in Gegenwart von Kohlenstoff-Nano-Fasern, als einen Rahmen, um diese Objekte²⁴verstärken fungierende verbessert werden. Leider verringert sich stark drücken die Reaktivität des Nanothermites. Nach Prentice Et Al.induziert die drängenden Nano-Al/Nano-WO₃ Kompositionen einen Zusammenbruch ihrer Reaktion Geschwindigkeit um zwei Größenordnungen⁷. Zusammenfassend kann nicht im Gegensatz zu den meisten Sprengstoffe, Nanothermites durch Drücken der Taste geformt werden.

Bisher wurden nur wenige Methoden zur Strukturierung von Nanothermites in der wissenschaftlichen Literatur Umgang mit Nanothermites beschrieben. Nanothermites kann auf Substrate, entweder aus der Pulver verstreut in einem flüssigen Medium durch Elektrophorese²⁵oder durch das Sputtern von deren Komponenten in aufeinanderfolgenden Schichten²⁶Komponenten abgeschieden werden. Beide Ansätze führen zu dichten Ablagerungen, die sind weniger reaktiv als loser Puder und neigen dazu, vom Substrat Delaminieren auf denen sie zubereitet werden.

Die Vorbereitung von "dreidimensionalen" Objekten bestehend aus Nanothermit wurde von Tillotson Et Al. vorgeschlagen. ⁵, wer benutzt die Sol-Gel-Synthese entwickelt von Gash Et Al. , die Vergelung Lösungen der Metallsalze Epoxide²⁷besteht. Nanothermit Monolithen werden durch Dispergieren Al Nanopowder in der Sol vor Gelier-vorbereitet. Die Gele werden anschließend in einer Wärmekammer Xerogels herstellen oder durch einen komplexen Prozess unter Verwendung von überkritischem CO₂ , der Aerogele erhalten getrocknet. Nanothermit Aerogele haben starke Reaktivität nicht nur, sondern auch aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen Eigenschaften bearbeitet werden können. Darüber hinaus erlaubt es die Sol-Gel-Verfahren, Mikro- und mesoporösen Materialien mit einem unvergleichlichen Maß an Homogenität zwischen dem Kraftstoff (Al) und das Oxid in der Mischung zu synthetisieren. Trotz dieser interessanten Features, wird durch die Verwendung von Sol-Gel-Verfahren beschränkt: (i) die Komplexität der Batch-Synthese, das hängt von vielen Parametern; (Ii) die unvermeidbare Anwesenheit von Synthese Nebenprodukte (Verunreinigungen) im Endmaterial, und (Iii) die sehr lange Zeit durch die verschiedenen Schritte des Prozesses benötigt.

Brennbare Matten von Nanothermit wurden durch Elektrospinnen Nitrocellulose (Binder) von Lösungen mit Al und CuO Nanopartikel²⁸aufgeladen vorbereitet. Diese Nanothermit Filze bestehen aus Fasern mit Sub-Mikrometer Skala Durchmessern, die a priori nicht porös sind. In diesen Materialien wird die Porosität durch die Verschränkung von Fasern definiert. Die Proben von Nanothermit Matten brennen langsam (0,06 - 1,06 m/s) im Vergleich zu reinen Nanogrösse Al/CuO Mischungen in einem losen Puder Zustand, in dem die Flammenfront breitet sich mit einer Geschwindigkeit von mehreren hundert m/s²⁹. Schließlich ist die Verwendung von Nitrozellulose als Bindemittel für Nanothermites nicht ideal, weil es wesentlich ihre thermische Empfindlichkeit erhöht und ihre chemische Langzeitstabilität ändert.

Membranen der Nanothermites wurden von Yang Et Al. von komplexen hierarchischen MnO₂/SnO₂ Heterostrukturen gemischt mit Al Nanopartikel⁶vorbereitet. In diesen Materialien hat die Oxid-Phase eine ganz bestimmte Morphologie, in der MnO₂ Nano-Drähte SnO₂ Zweige abgedeckt sind. Wegen seiner besonderen Struktur das Oxid nicht nur fallen Al Nanopartikel, sondern sorgt auch für die mechanische Festigkeit der Membran.Der Ausarbeitung der MnO₂/SnO₂/Al Membranen ist sehr einfach; Filterung der Nanothermit enthalten in der Flüssigkeit, in der es mit der Filtration Kuchen als Membran erstellt wurde, bestehend aus.

Zusammenfassen, die einzige Nanothermit sind Objekte, die in der wissenschaftlichen Literatur genannten Ablagerungen auf Substrate, der Aerogele oder Matten. Die Idee der Nanothermites in Form von festen Schäume Vorbereitung eröffnet neue Horizonte für die Integration dieser energetischen Materialien in funktionale Pyrotechnik-Systeme. Der Schäumprozess berichtet in diesem Artikel ist einfach durchzuführen und kann praktisch auf jedem Nanothermit aus Aluminium Nanopowder vorbereitet angewendet werden. Die Schaummittel ist Orthophosphorsäure Säure (H₃PO₄), eine gemeinsame, kostengünstige und ungiftig Chemikalie, die reagiert mit Nano-Al, geben den Zement (AlPO₄) und die Gase (H₂, H₂O Dampf), die die Porosität des erstellen die Werkstoff-¹. Aluminium-Phosphat ist besonders stabil bei hohen Temperaturen, im Gegensatz zu organischen Bindemitteln wie energetische Polymere (Nitrozellulose). Jedoch verhält sich AlPO₄ als ein Oxidationsmittel in Richtung Nano-Al bei hohen Temperaturen nach dem Konzept der "negativen Sprengstoff" von Shimizu³⁰vorgeschlagen.

Protokoll

Achtung: Führen Sie alle Reaktionen, die in diesem Artikel in einer Explosion bewährten Kammer mit einer gepanzerten Fenster, die visuelle Kontrolle und Beobachtung der Schaumbildung/Verbrennungsprozessen können, durch high-Speed-video beschrieben. Achten Sie darauf, über die experimentelle Risiken bei der möglichen Zündung des aluminothermischen Kompositionen und die Wasserstoffexplosion in der Luft. Arbeiten Sie aus diesem Grund immer in einer Explosion bewährten Kammer mit entsprechenden Absaugung ausgestattet. Denken Sie daran, dass Versuche auf energetische Materialien von erfahrenen Wissenschaftlern durchgeführt werden müssen, die pyrotechnische Gefahren voll bewusst sind, und dass alle Prüfungen in Übereinstimmung mit lokalen Gesetzen und Sicherheitsvorschriften durchgeführt werden müssen. Beachten Sie, dass die Autoren keine Verantwortung für unsachgemäßen Gebrauch dieser Ergebnisse zurückgehen.

1. Vorbereitung einer Aluminophosphate Matrix

Hinweis: Bei Raumtemperatur (15-25 ° C) werden Experimente durchgeführt.

1. Wiegen Sie 3,00 g Aluminium Nanopowder.
2. Eine kommerzielle Lösung (85 %) der Orthophosphorsäure Säure (H₃PO₄) in einem 150 mL Becherglas 4,00 g wiegen; die Säure tropfenweise mit einer 3 mL Polyethylen Pasteurpipette hinzufügen.
   1. Optional kann die Orthophosphorsäure Säure ein Volumen von 0 - 2 mL entionisiertem Wasser hinzugefügt werden.
   2. Die Lösung durch die Verlangsamung das Becherglas von hand mit ca. 100 u/min rotierende zu homogenisieren.
3. Stellen Sie den Becher mit der Säure in die Explosionskammer.
4. Gießen Sie die Aluminium-Nanopowder wog Schritt 1.1 in das Becherglas mit der H₃PO₄ Lösung.
5. Mischen Sie schnell mit einem Edelstahl-Spatel; führen Sie diesen Schritt in weniger als einer Minute.
6. Geschlossen Sie die Explosionskammer sofort.
7. Warten Sie, bis die schäumende Reaktion auftritt.
8. Danach warten Sie eine weitere 10 min für die Aluminophosphate-Matrix zu kühlen.
9. Entfernen Sie den Becher aus der Explosionskammer über ein Labor Bogen Tong.
10. Wiederherstellen Sie die Probe, die an der Wand Becher hält sich durch sorgfältig zu brechen. Hüten Sie sich vor das Vorhandensein von sauren Rückständen und berühren Sie nicht die Materialien ohne Handschuhe.

2. Synthese von Nanothermit Schäume

Hinweis: Bei Raumtemperatur (15-25 ° C) werden Experimente durchgeführt.

1. Vorbereitung der Nanothermit Mischung
   1. Wiegen Sie in einem 100 mL Rundboden Kolben 3,00 g und 3,45 g Al und WO₃ Nanopulver, beziehungsweise.
   2. Mischen Sie die Nanopulver mit einem Vortex-Mixer bei 2.500 u/min in Betrieb.
   3. Rühren Sie die Mischung vorsichtig mit einem Spatel aus rostfreiem Stahl, um es zu homogenisieren. Vermeiden Sie Reibungen zwischen der Glaswand des Kolbens Rundboden und dem Spatel während dieses Vorgangs.
      Hinweis: In diesem Schritt muss der Experimentator geerdet werden um eine elektrostatische Entladung zu vermeiden, der die Zündung des Gemisches führen könnte.
   4. Wiederholen Sie den Vorgang 2.1.2.
2. Vorbereitung der H ₃ PO ₄ Lösungen
   1. Eine kommerzielle Lösung (85 %) der Orthophosphorsäure Säure (H₃PO₄) in einem 150 mL Becherglas 4,00 g wiegen; die Säure tropfenweise mit einer 3 mL Polyethylen Pasteurpipette hinzufügen.
   2. Vorbereitung des verdünnten H₃PO₄ Lösungen:
      1. Nehmen Sie das Beispiel in Schritt 2.2.1 vorbereitet und 0 bis 2 mL vollentsalztes Wasser mit einer 1-mL-Polyethylen Pasteurpipette.
      2. Die Lösung durch die langsame Drehbewegung des Bechers per hand aufgetragen, mit einer Geschwindigkeit von ca. 100 u/min zu homogenisieren.
3. Vorbereitung von Nanothermit Schäumen
   1. Stellen Sie den Becher mit der Säure in Schritt 2.2 in die Explosionskammer vorbereitet.
   2. Gießen Sie das Nanothermit in Schritt 2.1 in das Becherglas mit der H₃PO₄ Lösung vorbereitet.
   3. Mischen Sie schnell mit einem Edelstahl-Spatel; führen Sie diesen Schritt in weniger als einer Minute.
   4. Geschlossen Sie die Explosionskammer sofort.
   5. Warten Sie, bis die schäumende Reaktion auftritt.
   6. Danach warten Sie eine weitere 10 min für die Abkühlung des Schaums Nanothermit.
   7. Entfernen Sie den Becher aus der Explosionskammer mit ein Labor Bogen Tong.
   8. Wiederherstellen Sie die Probe, die an der Wand Becher hält sich durch sorgfältig zu brechen. Achten Sie auf das Vorhandensein von sauren Rückständen und vermeiden Sie Umgang mit den Materialien ohne Handschuhe zu.

(3) Verbrennung von Nanothermit Schäume

1. Legen Sie die Aluminophosphate-Matrix in Schritt 1.10 vorbereitet oder Nanothermit Schaum zubereitet im Schritt 2.3.8 in die Explosionskammer.
2. Legen Sie eine pyrotechnische Zünder in der Nähe der Probe aus Schritt 3.1.
3. Schließen Sie die Explosionskammer.
4. Verbinden Sie der Zünder mit einem sicheren elektronischen Gerät.
5. Feuer der pyrotechnischen Kette.
6. Beobachten Sie die Verbrennung durch das gepanzerte Fenster mit eine ultraschnelle Kamera funktioniert bei 10.000 bis 30.000 Bilder/s.

Ergebnisse

Die Aluminophosphate-Matrix enthält kristallisiertes Aluminium (Al) und Aluminium-Phosphat (AlPO₄). Das Vorhandensein dieser Phasen bestätigte sich durch Röntgenbeugung (Abbildung 1). Darüber hinaus haben gravimetrische Experimente gezeigt, dass dieses Material auch einen nicht-kristallinen Teil enthält, der amorphem Aluminiumoxid ist. In diesen Materialien verhält sich Aluminium-Phosphat, sowohl als Bindemittel und Oxidationsmittel. Die oxid...

Diskussion

Der Mischvorgang Nanopulver mit Säure und der Schließung der Explosionskammer müssen schnell, aus Gründen der Sicherheit durchgeführt werden. Die Verzögerung der Reaktion kann zu einem gewissen Grad (1-10 min), abhängig von den experimentellen Bedingungen variieren. Es wird verkürzt, wenn die Raumtemperatur zu hoch ist oder in Gegenwart von externen Wärmequellen wie ein Scheinwerfer, die frühzeitige Aktivierung der schäumende Reaktion hervorrufen können. Dagegen ist es erhöht, wenn die Raumtemperatur niedrig...

Materialien

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