МАЛОГАЗОВЫЕ НАНОТЕРМИТЫ И ОТНОСИТЕЛЬНАЯ СИЛА ВЗРЫВА СМЕСИ Аl/MoO3 С ФТОРПОЛИМЕРОМ: EDN: NFKCYF

Виталий Олегович  Попов; Виталий Николаевич Комов; Валерий Викторович Малыхин

doi:10.25712/ASTU.2072-8921.2022.4.2.005

Авторы

Виталий Олегович Попов Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН) https://orcid.org/0000-0001-5079-8303
Виталий Николаевич Комов Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН)
Валерий Викторович Малыхин Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН)

DOI:

https://doi.org/10.25712/ASTU.2072-8921.2022.4.2.005

Ключевые слова:

нанокомпозит; нанотермит; полимерное связующее; относительная взрывная сила

Аннотация

Кратко рассмотрены распространённые и наиболее изученные нанотермитные композиции различного состава и представлены результаты экспериментального сравнения относительной силы взрыва смесей нанопорошков Al/MoO₃ с фторполимером. Представлены системы, основными представителями которых являются нанотермитные композиты для пиравтоматики и микроинициаторов. Рассматривается проблема разработки безгазовых (малогазовых), быстро сгорающих пиротехнических составов на основе нанотермитов. В экспериментальной части обсуждается влияние фторполимера Ф-42Л на относительную силу взрыва пиротехнической композиции, основанной на термитной реакции между нанопорошками алюминия (горючее) и оксидом молибдена (окислитель). Было показано, что фторполимер уменьшает относительную силу взрыва нанокомпозита, а определяющей химической реакцией взрывного превращения смеси Al/MoO₃/Ф-42Л является реакция Al с фторполимером.

Биография автора

Валерий Викторович Малыхин, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН)

V.V. Malykhin – Candidate of Chemical Sciences, head of laboratory of chemistry of nitrogen-containing compounds, Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies of the Siberian Branch оf the Russian Academy of Sciences (IPCET SB RAS), tel.: (3854)301293, e-mail: astro-78@mail.ru.

Библиографические ссылки

Громов А.А., Хабас Т.А., Ильин А.П. Горение нанопорошков металлов / Громов А.А. Томск: Дельтаплан, 2008. 382 с.

Гусейнов Ш.Л. Нанопорошки алю-миния, бора, боридов алюминия и кремния в высокоэнергетических материалах. Москва: ТОРУС ПРЕСС, 2015. 256 с.

Kim S. et al. Burning structures and propagation mechanisms of nanothermites // Proceedings of the Combustion Institute. 2022.

Rossi C. et al. Nanoenergetic Materi-als for MEMS: A Review // Journal of Microelec-tromechanical Systems. 2007. Vol. 16, № 4. P. 919–931.

Yu C. et al. Aluminum/lead tetroxide nanothermites for semiconductor bridge applica-tions // Chemical Engineering Journal. 2023. Vol. 451. P. 138614.

Шидловский А.А. Основы пиротех-ники: учебное пособие. Изд.: 2 перераб. Москва: Государственное издательство обо-ронной промышленности, 1954. 284 с.

Yang H. et al. Underwater self-sustaining combustion and micro-propulsion properties of Al@FAS-17/PTFE-based direct-writing nanothermite // Chemical Engineering Journal. 2023. Vol. 451. P. 138720.

Фролов Ю.В. Наноразмерные ком-поненты в энергетических метериалах: плюсы и минусы // Горение и взрыв. 2009. № 2. С. 171–172.

Piercey D.G., Klapoetke T.M. Na-noscale Aluminum -Metal Oxide (Thermite) Reac-tions for Application in Energetic Materials // Central European Journal of Energetic Materials. 2010. Vol. 7, № 2. P. 115–129.

Cheng J. et al. Doping of Al/CuO with microwave absorbing Ti3C2 MXene for im-proved ignition and combustion performance // Chemical Engineering Journal. 2023. Vol. 451. P. 138375.

Nicollet A. et al. Fast circuit breaker based on integration of Al/CuO nanothermites // Sens Actuators A Phys. 2018. Vol. 273. P. 249–255.

Egorshev V.Y., Sinditskii V.P., Yartsev K.K. Combustion of high-density CuO/Al nanothermites at elevated pressures // International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics Chengdu, Sichuan Province, China, September 24–27. 2013. P. 287–290.

Dolgoborodov A.Y. Mechanically ac-tivated oxidizer-fuel energetic composites // Combust Explos Shock Waves. 2015. № 1. P. 102–116.

Luo Q. et al. Constant volume com-bustion properties of Al/Fe2O3/RDX nanocom-posite: the effects of its particle size and chem-ical constituents // Combust Flame. 2022. Vol. 238. P. 111938.

Kelly D.G. et al. Formation of Addi-tive-Containing Nanothermites and Modifications to their Friction Sensitivity // Journal of Energet-ic Materials. 2017. Vol. 35, № 3. P. 331–345.

Weir C., Pantoya M.L., Daniels M.A. The role of aluminum particle size in electrostatic ignition sensitivity of composite energetic mate-rials // Combust Flame. 2013. Vol. 160, № 10. P. 2279–2281.

Steelman R. et al. Desensitizing nano powders to electrostatic discharge ignition // J Electrostat. 2015. Vol. 76. P. 102–107.

Гордеев В.В. и др. Исследование свойств нанотермита Bi2O3/Al и композиций на его основе // Южно-Сибирский вестник. 2018. № 4. С. 261–268.

Apperson S.J. Characterization and MEMS applications of nanothermite materials. University of Missouri--Columbia, 2010.

Wang H. et al. Unzipping polymers significantly enhance energy flux of aluminized composites // Combust Flame. 2022. Vol. 244. P. 112242.

Dombroski D.M.B. et al. Joining and welding with a nanothermite and exothermic bonding using reactive multi-nanolayers – A re-view // J Manuf Process. 2022. Vol. 75. P. 280–300.

Sevely F. et al. Developing a Highly Responsive Miniaturized Security Device Based on a Printed Copper Ammine Energetic Compo-site // SSRN Electronic Journal. 2022.

Feng S., Zhu W. Unraveling the ad-hesive properties, thermal stability, and initial diffusion mechanisms of Al/NiO nanothermites with various dominant surfaces: A first-principles study // Appl Surf Sci. 2022. Vol. 603. P. 154399.

Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горе-ние для синтеза материалов: введение в структурную макрокинетику. – М.: ФИЗМАТ-ЛИТ, 2013 – 400 с. / Под ред.: Мукасьян А.С. Москва: ФИЗМАТЛИТ, 2013. 400 с.

Рогачев А.С. Динамика структур-ных превращений в процессах безгазового горения. Докт. дисс.-. Черноголовка: ИСМАН, 1994.

Филоненко А.К., Вершинников В.И. Газовыделения от примесей при безгазовом горении смесей переходных металлов с бо-ром // Хим. физика. 1984. № 3. С. 430–434.

Шкиро В.М., Нерсинян Г.А., Боро-винская И.П. Исследование закономерностей горения смесей тантала с углеродом // Физи-ка горения и взрыва. 1978. №. 33, № 4. С. 58–64.

Kecskes L.J., Niiler A. Impurities in the Combustion Synthesis of Titanium Carbide // Journal of the American Ceramic Society. 1989. Vol. 72, № 4. P. 655–661.

Гордеев В.В., Казутин М.В., Козы-рев Н.В. Определение предпочтительных па-раметров ультразвукового воздействия при изготовлении нанотермита Al/CuO // Южно-Сибирский вестник. 2017. № 4. С. 121–125.

Храповский В.Е., Сулимов А.А. О механизме конвективного горения пористых систем // Физика горения и взрыва. 1988. № 2. С. 39–44.

REFERENCES

Apperson, S. J. (2010). Characterization and MEMS applications of nanothermite materials [University of Missouri--Columbia]. https://doi.org/10.32469/10355/11999

Cheng, J., Zhang, Z., Wang, Y., Li, F., Cao, J., Gozin, M., Ye, Y., & Shen, R. (2023). Doping of Al/CuO with microwave absorbing Ti3C2 MXene for improved ignition and combustion performance. Chemical Engineering Journal, 451, 138375. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138375

Dolgoborodov, A. Y. (2015). Mechanically activated oxidizer-fuel energetic composites. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 1, 102–116.

Dombroski, D. M. B., Wang, A., Wen, J. Z., & Alfano, M. (2022). Joining and welding with a nanothermite and exothermic bonding using reactive multi-nanolayers – A review. Journal of Manufacturing Processes, 75, 280–300. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.12.056

Egorshev, V. Y., Sinditskii, V. P., & Yartsev, K. K. (2013). Combustion of high-density CuO/Al nanothermites at elevated pressures. International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics Chengdu, Sichuan Province, China, September 24–27, 287–290.

Feng, S., & Zhu, W. (2022). Unraveling the adhesive properties, thermal stability, and initial diffusion mechanisms of Al/NiO nanothermites with various dominant surfaces: A first-principles study. Applied Surface Science, 603, 154399. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154399

Kecskes, L. J., & Niiler, A. (1989). Impurities in the Combustion Synthesis of Titanium Carbide. Journal of the American Ceramic Society, 72(4), 655–661. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1989.tb06190.x

Kelly, D. G., Beland, P., Brousseau, P., & Petre, C.-F. (2017). Formation of Additive-Containing Nanothermites and Modifications to their Friction Sensitivity. Journal of Energetic Materials, 35(3), 331–345. https://doi.org/10.1080/07370652.2016.1193072

Kim, S., Johns, A. A., Wen, J. Z., & Deng, S. (2022). Burning structures and propagation mechanisms of nanothermites. Proceedings of the Combustion Institute. https://doi.org/10.1016/j.proci.2022.07.113

Luo, Q., Liu, G., Zhu, M., & Jiang, X. (2022). Constant volume combustion properties of Al/Fe2O3/RDX nanocomposite: the effects of its particle size and chemical constituents. Combustion and Flame, 238, 111938. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2021.111938

Nicollet, A., Salvagnac, L., Baijot, V., Estève, A., & Rossi, C. (2018). Fast circuit breaker based on integration of Al/CuO nanothermites. Sensors and Actuators A: Physical, 273, 249–255. https://doi.org/10.1016/j.sna.2018.02.044

Piercey, D. G., & Klapoetke, T. M. (2010). Nanoscale Aluminum -Metal Oxide (Thermite) Reactions for Application in Energetic Materials. Central European Journal of Energetic Materials, 7(2), 115–129. https://www.researchgate.net/publication/267997933_Nanoscale_Aluminum_-Metal_Oxide_Thermite_Reactions_for_Application_in_Energetic_Materials

Rossi, C., Zhang, K., Esteve, D., Al-phonse, P., Tailhades, P., & Vahlas, C. (2007). Nanoenergetic Materials for MEMS: A Review. Journal of Microelectromechanical Systems, 16(4), 919–931. https://doi.org/10.1109/JMEMS.2007.893519

Sevely, F., Wu, T., de Sousa, F. S. F., Seguier, L., Brossa, V., Charlot, S., Esteve, A., & Rossi, C. (2022). Developing a Highly Responsive Miniaturized Security Device Based on a Printed Copper Ammine Energetic Composite. SSRN Electronic Journal. https://doi.org/10.2139/ssrn.4123084

Steelman, R., Clark, B., Pantoya, M. L., Heaps, R. J., & Daniels, M. A. (2015). Desensitizing nano powders to electrostatic discharge ignition. Journal of Electrostatics, 76, 102–107. https://doi.org/10.1016/j.elstat.2015.05.008

Wang, H., Wang, Y., Garg, M., Moore, J. S., & Zachariah, M. R. (2022). Unzipping polymers significantly enhance energy flux of aluminized composites. Combustion and Flame, 244, 112242. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2022.112242

Weir, C., Pantoya, M. L., & Daniels, M. A. (2013). The role of aluminum particle size in electrostatic ignition sensitivity of composite energetic materials. Combustion and Flame, 160(10), 2279–2281. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2013.05.005

Yang, H., Xu, C., Wang, W., Tang, P., Li, X., He, S., Bao, H., Man, S., Tang, D., Li, X., Yang, G., & Qiao, Z. (2023). Underwater self-sustaining combustion and micro-propulsion properties of Al@FAS-17/PTFE-based direct-writing nanothermite. Chemical Engineering Journal, 451, 138720. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138720

Yu, C., Zheng, Z., Gu, B., Chen, Y., Xu, J., Zhang, L., Shi, W., Wang, J., Song, C., Chen, J., Ma, K., & Zhang, W. (2023). Aluminum/lead tetroxide nanothermites for semiconductor bridge applications. Chemical Engineering Journal, 451, 138614. https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.138614

Gordeev V.V., Kazutin M.V., & Kozyrev N.V. (2017). Determination of the pre-ferred parameters of ultrasonic exposure in the manufacture of Al/CuO nanothermite. South Si-berian Bulletin, 4, 121-125.

Gordeev, V. V., Kazutin, M. V., Kozyrev, N. V., & Komov, V. N. (2018). Investi-gation of the properties of Bi2O3/Al nanothermite and compositions based on it. South Siberian Bulletin, 4, 261-268.

Gromov A.A., Khabas T.A., & Ilyin A.P. (2008). Combustion nanopowders metals. Edited by: A.A. Gromov. Hang glider.

Huseynov, S. L. (2015). Nanopow-ders of aluminum, boron, aluminum and silicon borides in high-energy materials. TORUS PRESS.

Rogachev, A. S. (1994). Dynamics of structural transformations in the processes of gas-free combustion. Doct. diss.- ISMAN.

Rogachev, A. S., & Mukasyan, A. S. (2013). Gorenje for the synthesis of materials: introduction to structural macrokinetics. - M.: FIZMATLIT, 2013 – 400 p. (A. S. Mukasyan, Ed.). FIZMATLIT.

Filonenko, A. K., & Vershinnikov, V. I. (1984). Gas emissions from impurities during gas-free gorenje mixtures of transition metals with boron. Chem. Physics, 3, 430-434.

Frolov, Yu. V. (2009). Nanoscale components in energy materials: pros and cons. Gorenje i Explosion, 2, 171-172.

Khrapovsky, V. E., & Sulimov, A. A. (1988). On the mechanism of convective com-bustion of porous systems. Combustion, Ex-plosion, and Shock Waves, 2, 39-44.

Shidlovskiy, A. A. (1954). Funda-mentals of Pyrotechnics: a textbook (Ed.: 2nd edition). State Publishing House of the Automotive Industry.

Shkiro, V. M., Nersinyan, G. A., & Borovinskaya, I. P. (1978). Investigation of the gorenje-ness of the combustion of mixtures of tantalum with carbon. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 33(4), 58-64.