머 랭 같은 형태와 Nanothermite: 초 다공성 개체에 느슨한 분말에서

요약

이 원고는 직접 산 (H₃포₄) 알루미늄 nanopowder와의 반응에 의해 가연성 aluminophosphate 매트릭스의 합성을 설명합니다. 이 반응은 초과 알루미늄 텅스텐 삼산화 물 nanopowder의 수행은, 그것은 고체, 다공성 nanothermite 거품에 리드.

초록

이 문서에서 설명 하는 프로토콜의 목표는 다공성, 단일 개체의 형태로 aluminothermic 작곡 (nanothermites)을 준비 하는입니다. Nanothermites는 이루어진 무기 연료는 산화 제 가연성 물자. Nanothermite 폼에 알루미늄은 연료와 알루미늄 인산 염 및 텅스텐 삼산화 산화 moieties. Nanothermites에서 가장 높은 화 염 전파 속도 (FPVs)는 느슨한 분말에서 관찰 하 고 FPVs nanothermite 분말 pelletizing 감소 하는. 물리적인 관점에서 nanothermite 루스 파우더는 준 시스템입니다. 그들의 구성 요소의 밀도 차이에서 비롯 된 현상, 정착 하 여 충격 또는 진동에 의해 또는 시간이 지남에 입자의 분리에 의해 유도 된 의도 압축에 의해 그들의 속성을 변경할 수 있습니다. 분말에서 개체를 이동 하는 것은 불꽃 시스템에서 nanothermites를 통합 하는 것은 극복 되어야 한다 도전 이다. Nanothermite 개체는 모두 높은 오픈 다공성 및 좋은 기계적인 힘 있어야 합니다. Nanothermite 폼 두 이러한 조건을 모두 충족 하 고 그들은 직접 산에서 나노 크기의 aluminothermic 혼합물 (알/진저₃) 분산 하 여 준비가. 산 성 솔루션과 알루미늄의 반응 어떤 알 그리고₃ 나노 입자 포함에 알 포₄ "시멘트"를 제공 합니다. Nanothermite 폼에 알루미늄 인산 염 바인더와 산화 제 듀얼는 역할을 한다. 이 메서드는 텅스텐 삼산화 물, 준비 과정에 의해 변경 되지 함께 사용할 수 있습니다. 그것은 아마 고성능 nanothermites의 준비를 위해 일반적으로 사용 되는 몇 가지 산화물을 연장 될 수 있습니다. 우와₃-기반된 nanothermite 폼이이 문서에 설명 된 특히 충격 및 그들을 멀리 보다 느슨한 알/진저₃ 분말 처리를 안전 하 게 마찰을 구분 하지 않습니다. 이러한 자료의 빠른 연소 불꽃 점화기에 흥미로운 애플 리 케이 션 있다. 뇌관 뇌관으로 있는 그들의 사용 그들의 구성에서 보조 폭발물의 필요 합니다.

서문

이 문서는 폼¹나노 크기의 aluminothermic 혼합물 (알/진저₃) 느슨한 분말 상태에서 변형 하는 방법에 보고 합니다. Nanothermites은 nanopowders²의 형태로 감소 금속, 금속 산화물/소금의 물리적 혼합에 의해 준비 가장 자주 활기찬 작곡 굽기 빨리. Nanothermites를 준비 하는 데 사용 하는 가장 대표적인 산화물은 크롬₂O₃^3,4, Fe₂O₃⁵, MnO₂⁶, WO₃⁷, 무₃⁸ , CuO⁹ 및 Bi₂O₃^10,11, 금속 소금 사용 하면서는 브롬^12,13,^14,15, iodates periodates¹⁶,¹⁷ 또는 persulfates¹⁸황산 염화 한다. 알루미늄 nanopowder 연료 때문에 높은 산화 열 (10-25 kJ/g)¹⁹, 빠른 반응 속도 론²⁰, 낮은 독성²¹_, 및 공정 등 수많은 그들의 바람직한 속성을 nanothermites로 서 최고의 선택입니다. 그것은 정확 하 게 세²²되었습니다 일단 안정성의 정도.

그러나 알-기반 nanothermites, 화 염 정면 높은 속도에서 전파 (0.1-2.5 km/s), 하지만이 수 없습니다,, 폭발²³로 간주 됩니다. 반응 메커니즘은 실제로 unreacted 물자의 다공성에 뜨거운 가스의 대류에 의해 구동 됩니다. 다른 말로 다공성 nanothermites의 빠른 레코딩에 필수적 이다. 그러나, 느슨한 nanothermite 분말은 물리적 관점에서 안정적 이다. 그들은 충격 또는 진동, 압축 하 고 그들의 조밀 구성 요소 (일반적으로 산화물) 중력의 효과 의해 구성에서 점차적으로 분리. Nanothermite 다공성의 안정화 미래 불꽃 시스템의 통합에 대 한 중요 한 도전입니다.

여기에 설명 된 준비 과정의 주요 장점은 높은 다공성, 단단한, nanothermite monoliths, 붙여넣기를 형성 성형에 의해 형성 수 있습니다 게입니다. 또한, nanothermite 폼 충격, 마찰 및 nanothermite 루스 파우더에 비해 정전기에 매우 민감한 없습니다. 이 대 게 그들 특히 안전 손잡이 및 기계, 예를 들어 톱 질 또는 시추에 의해.

느슨한 nanothermite 분말을 누르면 또는 pelletized 때 그들의 다공성 감소와 개체 형성 된다. 이러한 자료의 단결력 나노 입자의 집계에 대 한 책임은 표면 힘에서 유래. Nanothermite 펠 릿의 기계적 강도 탄소 나노 섬유, 이러한 개체²⁴를 강화 하는 프레임 워크 역할을 하는 존재 향상 될 수 있습니다. 불행히도, 강하게 누르면 nanothermites의 반응성을 감소 합니다. 프 렌 티 스 외.에 따르면 나노-알/나노-WO₃ 작곡의 눌러 두 배나⁷에 의해 그들의 반응 속도의 붕괴를 유도합니다. 결론적으로, 대부분 폭발물, 반대 눌러 nanothermites는 형성 될 수 없습니다.

날짜 하려면, nanothermites를 구성 하기 위한 매우 몇 가지 방법 nanothermites 다루는 과학 문학에서 보고 되었습니다. Nanothermites 기판, 전기 이동 법²⁵또는 계속 되는 층²⁶에 그들의 구성 요소의 스퍼터 링에 의해 액체 중에 분산 된 그들의 구성 요소 분말에서 입금 될 수 있습니다. 두 방법 모두 느슨한 분말 보다 덜 반응 되며 준비는 기판에서 delaminate 하는 경향이 짙은 예금을 이어질.

"3 차원" 개체 nanothermite의 구성의 준비 Tillotson 외 에 의해 제안 되었다 ⁵, 깊은 상처 외 epoxides²⁷에 의해 금속 소금의 고 솔루션으로 구성 된에 의해 개발 된 졸-겔 합성을 사용. Nanothermite monoliths는 고 전에 솔에 알 nanopowder 분산에 의해 준비 된다. 젤은 이후 xerogels을 생산 하는 열 챔버 또는 aerogels를 초 임계 CO₂ 의 사용을 포함 하는 복잡 한 공정에 의해 건조 됩니다. Nanothermite aerogels 뿐만 아니라 강한 반응성을가지고 하지만 그들의 우수한 기계적 성질 때문에 기계로 가공 될 수 있습니다. 또한, 졸-겔 과정 혼합에서 산화물 연료 (알)와 동질성의 타의 추종을 불허 학위 마이크로-및 mesoporous 재료를 합성 하 있습니다. 이러한 흥미로운 기능을에 불구 하 고 솔-젤 과정의 사용에 의해 제한 됩니다: (i) 수많은 매개 변수;에 따라 일괄 합성의 복잡성 (ii) 합성 부산물 (불순물) 최종 소재, 그리고 (iii)에서 프로세스의 다른 단계에 필요한 아주 긴 시간의 피할 수 없는 존재.

Nanothermite의 가연성 매트 알과 CuO 나노²⁸청구 하는 솔루션에서 니트로 (바인더)의 전기에 의해 준비 되었다. 이러한 nanothermite 펠트는 선험적으로 비 다공성 서브 마이크로미터 스케일 직경을 가진 섬유의 구성 됩니다. 이 자료에는 다공성 섬유의 얽 힘에 의해 정의 됩니다. Nanothermite의 샘플 화상 천천히 매트 (0.06-1.06 m/s)는 불꽃 앞 몇 백 m/s²⁹의 속도로 전파 느슨한 분말 상태에서 순수 나노 크기의 알/CuO 혼합물에 비해. 마지막으로, 상당히 그들의 열 감도 증가 하 고 변경 하는 그들의 장기 화학 안정성 때문에 nanothermites에 대 한 바인더의 니트로 사용, 적합 하지 않습니다.

Nanothermites의 막 양 그 외 여러분 에서 복잡 한 계층적 MnO₂/SnO₂ heterostructures 알 나노⁶와 혼합에 의해 준비 되었다. 이 자료에서 산화 단계는 매우 구체적인 형태, MnO₂ 나노 와이어 SnO₂ 지점에 의해 보호 됩니다. 그것의 매우 특별 한 구조 때문에 산화물 알 나노 트랩 뿐만 아니라도 막의 기계적 저항을 보장.MnO₂/SnO₂/Al 막의 준비 과정은 매우 간단 하다; nanothermite는 준비 되었습니다, 막으로 여과 케이크를 사용 하 여 액체에 포함 된 필터링 구성 됩니다.

요약 하면, 유일한 nanothermite 과학 문학에서 언급 하는 개체는 기판, aerogels, 또는 매트에 입금 됩니다. 단단한 폼의 형태에서 nanothermites 준비의 아이디어 기능 불꽃 시스템에 이러한 에너지 자료의 통합에 대 한 새로운 지평을 엽니다. 이 문서에 보고 된 발포 과정은 간단 하 게 수행 하 고 거의 모든 nanothermite 알루미늄 nanopowder에서 준비에 적용할 수 있습니다. 거품이는 대리인은 직접 산 (H₃포₄), 일반적인, 저렴 하 고 비 독성 화학, 시멘트 (알 포₄) 및 가스 (H₂, H₂O 증기) 생성의 다공성 나노 알으로 반작용 하는 소재¹. 알루미늄 인산 염은 정력적 인 폴리머 (니트로) 등 유기 바인더 반대로 높은 온도에서 특히 안정 된다. 그러나, 알 포₄ "부정적인 폭발물" 시미즈³⁰에 의해 제안 된의 개념에 따라 높은 온도에서 나노 알으로 산화 제로 동작 합니다.

프로토콜

주의: 높은 속도 비디오 투시 검사 및 거품/연소 과정의 관찰을 허용 하는 기갑 창 폭발에서 입증 된 챔버에이 문서에서 설명 하는 모든 반응을 수행 합니다. Aluminothermic 구성 및 공기에서 수소 폭발의 잠재적인 점화에서 발생 하는 실험적인 위험에 관한 처리. 이런 이유로, 항상 적절 한 배기 환기 장비는 폭발에서 입증 된 챔버에 작동 합니다. 기억 그 정력적 인 물자에 실험 불꽃 위험을 충분히 알고는, 경험 있는 과학자에 의해 실시 해야 합니다 그리고 현지 법률 및 안전 규정에 따라 모든 테스트를 수행 해야 합니다. 저자가이 결과의 부적절 한 사용에 대 한 책임을 거절 하는 참고.

1입니다. Aluminophosphate 매트릭스의 준비

참고: 실험은 실 온 (15-25 ° C)에서 수행 됩니다.

1. 알루미늄 nanopowder의 3.00 g 무게.
2. 150 mL 비 커에 직접 산 (H₃포₄)의 상용 솔루션 (85%)의 4.00 g 무게; dropwise 파스퇴르 피 펫 3ml 폴 리 에틸렌으로 산을 추가.
   1. 필요에 따라 직접 산에 0-이온된 물 2 mL에서에서 볼륨을 추가할 수 있습니다.
   2. 약 100 rpm에서 비 커를 손으로 회전 감속 하 여 솔루션을 균질.
3. 폭발 약 실에 있는 산을 포함 하는 비 커를 놓습니다.
4. 알루미늄 nanopowder 단계 1.1 H₃포₄ 솔루션을 포함 하는 비 커에서에서 무게를 부 어.
5. 스테인리스 주걱;으로 신속 하 게 혼합 1 분 미만에서이 단계를 수행 합니다.
6. 즉시 폭발 챔버를 닫습니다.
7. 발포 반응 발생할 때까지 기다립니다.
8. 그 후, 냉각 aluminophosphate 매트릭스에 대 한 추가 10 분 기다립니다.
9. 실험실 활 통을 사용 하 여 폭발 약 실에서 비 커를 제거 합니다.
10. 신중 하 게 그것을 위반 하 여 비 커 벽에 고착 샘플을 복구 합니다. 산 성 잔류물의 존재의 주의 장갑 없이 자료를 처리 하지 마십시오.

2입니다. Nanothermite 폼의 합성

참고: 실험은 실 온 (15-25 ° C)에서 수행 됩니다.

1. Nanothermite 혼합물의 준비
   1. 100 mL 둥근 바닥 플라스 크에 각각 3.00 g와 알 그리고₃ nanopowders의 3.45 g 무게.
   2. Nanopowders는 2500 rpm에서 소용돌이 믹서 믹스.
   3. 부드럽게 그것을 균질을 스테인레스 주걱으로 혼합물을 저 어. 이 작업 동안 둥근 바닥 플라스 크의 유리 벽과 주걱 사이 어떤 마찰을 하지 마십시오.
      참고:이 단계에는 실험 해야 합니다 접지는 혼합물의 점화를 일으킬 수 있는 모든 정전기 방전을 피하기 위하여.
   4. 2.1.2 작업을 반복 합니다.
2. H ₃ 포 ₄ 솔루션의 준비
   1. 150 mL 비 커에 직접 산 (H₃포₄)의 상용 솔루션 (85%)의 4.00 g 무게; dropwise 파스퇴르 피 펫 3ml 폴 리 에틸렌으로 산을 추가.
   2. 희석된 H₃포₄ 솔루션의 준비:
      1. 샘플 단계 2.2.1에서에서 준비 하 고 deionised 0 ~ 2 mL 물 1 mL를 폴 리 에틸렌을 파스퇴르 피 펫 추가.
      2. 약 100 rpm의 속도로 손으로 적용 비 커의 느린 회전 운동에 의해 솔루션을 균질.
3. Nanothermite 폼의 준비
   1. 폭발 챔버에는 2.2 단계에서 준비 하는 산을 포함 하는 비 커를 놓습니다.
   2. Nanothermite 단계 H₃포₄ 솔루션을 포함 하는 비이 커에 2.1에서에서 준비 하 거 라.
   3. 스테인리스 주걱;으로 신속 하 게 혼합 1 분 미만에서이 단계를 수행 합니다.
   4. 즉시 폭발 챔버를 닫습니다.
   5. 발포 반응 발생할 때까지 기다립니다.
   6. 나중에, nanothermite 거품의 냉각에 대 한 추가 10 분 기다립니다.
   7. 실험실 활 통을 폭발 약 실에서 비 커를 제거 합니다.
   8. 신중 하 게 그것을 위반 하 여 비 커 벽에 고착 샘플을 복구 합니다. 산 성 잔류물의 존재의 주의 장갑 없이 자료를 처리 하지 마십시오.

3입니다. Nanothermite 폼의 연소

1. Aluminophosphate 매트릭스 단계 1.10에서에서 준비 또는 준비 단계 폭발 챔버에 2.3.8에서에서 nanothermite 폼 놓습니다.
2. 3.1 단계에서 샘플 가까운 불꽃 점화기를 놓습니다.
3. 폭발 챔버를 닫습니다.
4. 보안 전자 장치에는 점화를 연결 합니다.
5. 화재 불꽃 체인입니다.
6. 10000 30000 프레임/s에서 작동 하는 초고속 카메라와 기갑된 창을 통해 연소를 관찰 합니다.

결과

Aluminophosphate 매트릭스 결정된 알루미늄 (Al) 및 알루미늄 인산 염 (알 포₄) 포함 되어 있습니다. 이 단계의 존재는 x 선 회절 (그림 1)에 의해 확인 되었다. 또한, 중량 측정 실험은 비정 질 알 루미나 비 결정 부분을 포함 하는이 자료 나타났습니다. 이 자료에서 알루미늄 인산 염 바인더와 산화 제 둘 다 작동합니다. 알 포₄ 의 산화 속성 ?...

토론

산 nanopowders의 혼합 공정 고 폭발 챔버의 폐쇄는 안전 이유를 위해 신속 하 게 수행 되어야 합니다. 반응 지연 어느 정도 (1-10 분), 실험 조건에 따라 달라질 수 있습니다. 그것은 실내 온도 너무 높은 경우 또는 발포 반응의 초기 활성화를 일으킬 수 있는 스포트 라이트 같은 외부 난방 소스 존재 단축은. 반대로, 그것은 실내 온도가 낮을 때 증가 합니다. 너무 많은 발포 지연의 경우 (> 15 분), 반응...

자료

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