REACTIVITY OF NANOTHERMITS WHEN IGNITION BY A HOT BODY

Abstract

Наноразмерные энергетические композиты, также известные как метастабильные межмолекулярные композиты, представляет собой захватывающий новый класс энергетических материалов. Примерами наноразмерных термитов являются частицы металлов и оксидов металлов размером от 30 до 200 нанометров. Эти материалы могут найти широкое применение, в том числе, в составе изделий, изготовленных с помощью аддитивных технологий. Однако реакционное поведение этих материалов остается недостаточно изученными. Очевидно, на энергетические свойства термитов влияет способ предварительной обработки частиц и гомогенность термитной смеси, что особенно важно именно для наноразмерных частиц, которые склонны образовывать агломераты. Для оценки реакционной способности нанотермитов мы предлагаем математическую модель зажигания тонкой таблетки смеси порошков горячим телом. В качестве меры реакционной способности мы рассматриваем время задержки зажигания. В этом исследовании рассматриваются два разных композита вида наноалюминий/оксид металла (CuO и Fe2O3), с различной предварительной подготовкой смеси. Используется ультразвуковая обработка суспензий частиц и воздействие химическими агентами, способствующими гомогенизации смеси. Приводятся результаты расчетов и эксперимента по определению времени задержки зажигания от горячего тела. Показано, что улучшение диспергирования и перемешивания частиц компонентов смеси приводят к заметному уменьшению времени зажигания (а значит, увеличению реакционной способности термита). Полученные выражения позволяют оценить время зажигания и критические условия зажигания нанотермитных смесей в зависимости от кинетических параметров и окружающих условий. С другой стороны, данные зависимости позволяют получить кинетические параметры нанотермитов из анализа экспериментальных результатов по зажиганию горячим телом. Nanoscale energy composites, also known as metastable intermolecular composites, represent an exciting new class of energy materials. Examples of nanoscale thermites are particles of metals and metal oxides ranging in size from 30 to 200 nanometers. These materials can be widely used, including as part of products made using additive technologies. However, the reaction behavior of these materials remains insufficiently studied. Obviously, the energy properties of thermites are affected by the method of particle pretreatment and the homogeneity of the thermite mixture, which is especially important for nanosized particles that tend to form agglomerates. To assess the reactivity of nanothermites, we propose a mathematical model for the ignition of a thin tablet of a mixture of powders by a hot body. As a measure of reactivity, we consider the ignition delay time. This study considers two different nanoaluminum/metal oxide composites (CuO and Fe2O3), with different premix preparations. Ultrasonic treatment of suspensions of particles and exposure to chemical agents that promote the homogenization of the mixture are used. The results of calculations and an experiment to determine the ignition delay time from a hot body are presented. It has been shown that improved dispersion and mixing of particles of the mixture components lead to a noticeable decrease in the ignition time (and hence, an increase in the reactivity of thermite). The obtained expressions make it possible to estimate the ignition time and critical conditions for the ignition of nanothermic mixtures depending on the kinetic parameters and environmental conditions. On the other hand, these dependences make it possible to obtain the kinetic parameters of nanothermites from the analysis of experimental results on ignition by a hot body.