Nanothermite עם מרנג דמוי מורפולוגיה: מאבקה לאובייקטים אולטרה נקבובי

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.

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 Cr₂O₃^3,4, Fe₂O₃⁵, המפעילים הוירטואליים ובעלי התשתית₂⁶₃WO⁷, MoO₃⁸ , CuO⁹ ו- Bi₂O₃^10,11, ואילו המלחים מתכתיים בשימוש הם הדאגה שלכם^12,13, iodates^14,15, 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.

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.

תוצאות

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 כ?...

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. לעומ...

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