В энергетических применениях, таких как пропелленты, пиротехника и взрывчатые вещества, Al широко используется из-за его высокой энтальпии горения, легкой доступности, низкой токсичности и хорошей стабильности.
Алюминий, будь то порошки или чешуйки, используется для увеличения энергии и повышения температуры пламени в ракетных топливах (прямой, но неуклюжий способ увеличения удельного импульса (Is)); это также добавлено к взрывчатым веществам, чтобы увеличить воздушный взрыв, поднять температуру реакции, создать зажигательные эффекты, и увеличить энергию пузыря в подводном оружии. В ракетном двигателе процессы горения обычных порошков Al (mAl) микронного размера протекают относительно далеко от поверхности ракетного топлива и не вносят существенного вклада в скорость горения ракетного топлива. Наоборот, сверхмелкозернистые энергетические частицы, особенно наноразмерные, представляют собой объекты, характеризующиеся очень маленьким размером и, следовательно, очень высокой удельной площадью поверхности.
Таким образом, они кажутся очень привлекательными из-за их различных химических и физических свойств по сравнению с соответствующими объемными или микронными материалами. В частности, наноразмерный Al (nAl) широко используется для повышения производительности, увеличивая скорость горения и эффективность сгорания энергетических систем, что приводит к более коротким задержкам зажигания и более короткому времени горения агломератов по сравнению с энергетическими системами, содержащими mAl. Фактически, быстрое ускорение исследований в области реактивных наноматериалов на основе металлов может быть легко прослежено до развития в производстве nAl.
В новаторских экспериментах, проведенных в 1959 году в Институте химической физики (ИХФ), Москва, Россия, наблюдалось заметное увеличение устойчивых скоростей горения топлива и уменьшение размеров конденсированных продуктов сгорания Al (CCP). Этот прорыв вызвал большие надежды у тех, кто занимается толчком. Более высокие плотности энергии и более высокие скорости высвобождения энергии были ожидаемы по сравнению с обычными энергетическими ингредиентами в целом. Предусматривается также возможность уменьшить потери производительности двухфазного (2P) потока в твердотопливных ракетных двигателях (SRM), связанные с газодинамическим расширением, путем сжигания порошка nAl вместо обычного топлива mAl. Кроме того, в сочетании с обычными энергетическими материалами микронного размера было показано, что наноэнергетические материалы позволяют более точно контролировать скорость выделения энергии. Это открыло путь для широкого спектра применений, которые простираются далеко за пределы области твердого ракетного двигателя, рассматриваемой ниже. Эта статья основана на серии недавних публикаций глав книг и, как таковая, в значительной степени опирается на соответствующие расширенные списки литературы. В документе предполагается провести обзор развития, нынешнего состояния и перспектив в области твердых ракетных топлив, дополненных нанометаллами, в частности nAl.
В дополнение к реакционноспособным наноматериалам на основе алюминия был также достигнут значительный прогресс в создании улучшенных взрывоопасных материалов, нанокатализаторов, углеродных нанотрубок и пропитанного пористого кремния. Технические интересы, безусловно, распространяются на широкий спектр применений, но внимание, прежде всего, сосредоточено на ингредиентах и составах топлива, используемых для космических исследований. Обзор был недавно предложен в работе. Различные методы производства наноразмерных порошков не рассматриваются в настоящей работе; заинтересованный читатель обращается к широкой литературе, уже доступной. В течение многих столетий рудиментарные формы твердого ракетного двигателя основывались на черном порошке после случайной алхимической деятельности в Китае, датируемой приблизительно 220 г. до н.э. Значительные успехи были достигнуты в Европе, когда в 1863–1888 гг. Были внедрены бездымные ракетные топлива на основе нитроцеллюлозы (НК). Дальнейшие успехи были достигнуты в Михайловской артиллерийской академии, Ленинграде (ныне Санкт-Петербург), Россия, в 1925 году (бездымное топливо для ракетных снарядов на основе пироксилина) и в 1933 году (двухосновный порошок N для SRM). Решительные успехи были достигнуты в США, когда в рамках программы GALCIT, посвященной ракетам с реактивным взлетом (JATO), были применены литейные композитные топлива. В июне 1942 года Парсонс, самоучка и очень эксцентричный химик, сочетающий органическую матрицу (асфальт) с кристаллическим неорганическим окислителем (KClO4), добился успеха в создании первого литейного композитного твердого топлива. Композитные топлива в конечном итоге заменили двухосновные топлива в большинстве ракетных применений. Проект GALCIT стал началом современной твердой ракетной техники. Но стремление к увеличению и увеличению производительности в настоящее время подходит к концу, о чем свидетельствует кривая сплющивания доставленных Is за последние десятилетия. По крайней мере, в западном мире современное состояние твердотопливных двигателей для освоения космоса представлено препаратами AP / HTPB (гидроксильно-концевые полибутадиены) / Al. Расширенные ингредиенты изучаются в работе. Все далеко от приложений полета. Напротив, некоторые наноразмерные катализаторы.
Нанометаллы: избыток энергии?
Наноэнергетические материалы (nEM), энергетические нанокомпозиты, метастабильные межмолекулярные композиты (MIC) и т. Д., Часто основанные на металлическом топливе, представляют собой новый класс материалов, обладающих наноразмерным диапазоном и скоростями реакций, которые на порядок выше по сравнению с обычными высокоэнергетическими материалами. Наноструктурированные энергетические материалы характеризуются наноразмерными размерами по меньшей мере в одном измерении. Графен является недавним примером двухмерной структуры, представляющей собой лист углерода, состоящий из нескольких (не более десяти) слоев атомов углерода. Часто принимают общепринятую классификацию, при которой ультрадисперсные частицы попадают в диапазон 1000 нм100 нм, тогда как наноразмерные частицы - это частицы в диапазоне 100-10 нм. Таким образом, 100 нм можно грубо рассматривать как обычную границу между сверхтонкими и наноразмерными объектами. Для удобства выражение наноалюминий (например) будет использоваться во всей этой статье без различия между ультрадисперсными и наноразмерными частицами, хотя эта статья по существу имеет дело со сверхтонкими частицами. Энергетическая нанотехнология в целом пытается преодолеть упомянутый химический энергетический тупик, следуя другому подходу, то есть искать не новые молекулы, а в «нижней шкале». Этот новый путь вначале выглядел революционным и в течение последних двух десятилетий привлек большое внимание во многих лабораториях по всему миру. Первоначально утверждалось, что nAl, образованный процессом EEW (электрический взрыв проводов), обладает необычными физическими и химическими свойствами и «обладает сохраняемой энергией, которая полезна для повышения эффективности ракетных и взрывчатых веществ». Алекс, известная коммерческая форма nAl, как предполагалось, содержал дополнительное количество запасенной внутренней энергии, порядка 400 кал / г, что связано с неравновесным процессом EEW. Эта привлекательная идея была неоднократно подтверждена, но не было найдено никаких экспериментальных или теоретических подтверждений. Сегодня преимущества и ограничения намного лучше поняты. В их первом поколении общая технология изготовления nEM была и остается механическим смешиванием отдельных порошков, заимствуя у пиротехники традиционный подход, разработанный давно: представляющие интерес наночастицы сначала синтезируются, а затем внедряются в матричный материал. Полученная смесь с другими компонентами микронного размера обладает большой удельной поверхностью энергетического наноингредиента, часто металлического порошка, увеличивающего скорость реакции и уменьшающего задержку воспламенения всей смеси. Около двух десятилетий экспериментальных исследований подтвердили улучшение баллистических свойств, но также выявили слабые места. В попытке избежать недостатков были реализованы новые производственные стратегии, в том числе:
- Объемные наноструктурированные энергетические материалы, посредством которых смешивание нанокомпозитов осуществляется путем объединения в единый процесс синтеза наночастиц и образования соединений. Расширение производства наноэнергетических материалов EEW до двух ингредиентов (как правило, двух металлов) с использованием их синергетического сочетания. Усовершенствование традиционных энергетических материалов микронного размера (mEM) для достижения сверхтонких свойств посредством химической или механической активации.
- Повышение эффективности традиционных окислителей МЕМ путем введения новых ингредиентов, таких как графен, или технологий производства, таких как капсулирование.
- Создание нанокомпозитных материалов по новым технологиям производства. Подход "снизу вверх", основанный на наночастицах или нанопленках, полученных из элементарных атомов или молекул (включая MIC смешанных наночастиц оксида металла, нанокомпозитов, полученных в золь-геле, и нанопленок) и подход "сверху вниз", основанный на измельчении массы материалы для достижения наноразмерного смешивания между компонентами (такие как остановленное реактивное измельчение или коротко ARM техника). Рафинирование наноразмерных энергетических материалов с помощью технологий нанесения покрытий. В целом, прогресс достигается в соответствии с многочисленными, а иногда и пересекающимися принципами, с перекрывающимися механическими, химическими и производственными эффектами.
