The synthesis and characterization of nanothermites and their precursors

Abstract

Nanothermites have attracted attention as “next generation” or “green alternative” energetic materials. The advantages of nanothermites include the ability to alter the fuel and oxidizer ratio, options of different fuels and oxidizers, and the possibility of remote ignition. However, nanothermites are exceedingly sensitive to friction and electrostatic discharge. Their sensitivity and unpredictability represent a safety issue during production and use and thus prevents the transfer of nanothermites to real-life applications. The main goal of the project is to minimize the sensitivities of nanothermites.

This project is divided into two parts, as two different routes were used to achieve the goal of desensitizing nanothermites.The first part of the project investigated if sensitivities of nanothermites could be described as a function of the different layers of nanothermites. Three different types of nano aluminum were used, nano aluminum with oxide passivation (O-Al), palmitic acid coated nano aluminum (L-Al), and Viton coated nano aluminum (V-Al). Nanothermites were made by sonicating each nano aluminum with MoO3 at a 1.2:1 molar ratio in either acetone or isopropanol (IPA). Nanothermites were allowed to settle for various amount of time and pipetted into vials to dry layer by layer. Coatings affect the settling significantly as both L-Al and V-Al started to settle within the first 15 minutes after sonication while O-Al was evenly distributed among the layers. However, it appeared that nanothermite sensitivity does not have a clear relationship with either aluminum coating or the layers of nanothermites.

The goal of the second part of the project was to find oxidizers that could make nanothermites less sensitive. It focused on the synthesis and characterization of nano metal molydates, as well as the characterization of nano aluminum made by wire explosion (Alex). Co-precipitation method (CPS) and solution combustion synthesis (SCS) were used to synthesize the molybdates. The identities of the products were confirmed using X-ray Powder Diffraction (XRD). CaMoO4, SrMoO4, and BaMoO4 were synthesized successfully using CPS and MgMoO4, CaMoO4, SrMoO4, NiMoO4, ZnMoO4, Fe2MoO4, and CuMoO4 were synthesized using SCS with varying degrees of impurities. Products of CPS were nano sized distinct particles while products of SCS exhibit porous structures composed of heavily agglomerated nanoparticles. Additional characterizations, resistivities and surface areas, of MgMoO4, CaMoO4, SrMoO4, and BaMoO4 synthesized using both methods were completed. The products of SCS had lower resistivity and lower surface area than those of CPS. The active content of Alex was determined to be 90.4%. Aging tests were performed to determine the stability of Alex, which was believed to be extremely sensitive to moisture. Aging tests found that contrary to popular belief, Alex was able to resist oxidation by water for up to 100 days at a humidity level of 32.5%; however Alex wasoxidized completely in approximately 50 days under high humidity condition, at a humidity of 75.5%.

Al/CaMoO4 (CPS), Al/SrMoO4 (CPS), Al/BaMoO4 (CPS), Al/MgMoO4 (SCS), Al/CaMoO4 (SCS), and Al/SrMoO4 (CPS) nanothermites were made, and SEM images were taken. Nano aluminum particles were mixed more homogeneously with the CPS molybdates that aluminum particles mixed relatively evenly in between molybdate particles. SCS molybdates contained heavily agglomerated particles that could not be broken up by sonication. In some areas, aluminum particles were shown to cluster in one area instead of spreading out between the molybdates; in other areas, aluminum particles spread out and covered the surface of the molybdate. Possible future direction includes focusing on thermochemical, friction, and electrostatic discharge testing.

Les nanothermites ont attiré l’attention en tant que matériaux énergétiques de « nouvelle génération » ou « alternative verte ». Les avantages des nanothermites comprennent la possibilité de modifier le rapport carburant/oxydant, les options de différents carburants et oxydants et la possibilité d’allumage à distance. Cependant, les nanothermites sont extrêmement sensibles au frottement et au décharge électrostatique. Leur sensibilité et leur imprévisibilité représentent un problème de sécurité durant la production et de l’utilisation et empêchent ainsi le transfert des nanothermites vers des applications réelles. L’objectif principal du projet est de minimiser les sensibilités des nanothermites.

Ce projet est divisé en deux parties. La première partie du projet a étudié les différentes couches de nanothermites. Trois types différents de nano-aluminium ont été utilisés, le nano-aluminium avec passivation d’oxyde (O-Al), le nano-aluminium revêtu d’acide palmitique (L-Al) et le nano-aluminium revêtu de Viton (V-Al). Les nanothermites ont été fabriquées en sonifiant chaque nanoaluminium avec du MoO3 à un rapport molaire de 1,2 :1 dans de l’acétone ou de l’isopropanol (IPA). Les nanothermites ont été laissées se déposer pendant une durée variable et pipetées dans des flacons pour sécher couche par couche. Les revêtements affectent la sédimentation de manière significative car L-Al et V-Al se sont comportés différemment de O-Al. Cependant, il est apparu que la sensibilité à la nanothermite n’a pas de relation claire avec le revêtement d’aluminium ou les couches de nanothermites.

La deuxième partie du projet portait sur la synthèse et la caractérisation de nanomolybdates métalliques, ainsi que sur la caractérisation de nanoaluminium fabriqué par explosion de fil (Alex). La méthode de co-précipitation (CPS) et la synthèse par combustion en solution (SCS) ont été utilisées pour synthétiser les molybdates. L’identité des produits a été confirmée par diffraction des rayons X sur poudre (XRD). CaMoO4, SrMoO4 et BaMoO4 ont été synthétisés avec succès à l’aide de CPS et MgMoO4, CaMoO4, SrMoO4, NiMoO4, ZnMoO4, Fe2MoO4 et CuMoO4 ont été synthétisés à l’aide de SCS avec divers degrés d’impuretés. Les produits de CPS étaient des particules distinctes de taille nanométrique tandis que les produits de SCS présentent des structures poreuses composées de nanoparticules fortement agglomérées. Des caractérisations supplémentaires, des résistivités et des surfaces de MgMoO4, CaMoO4, SrMoO4 et BaMoO4 synthétisés à l’aide des deux méthodes ont été réalisées. Les produits de SCS avaient une résistivité et une surface plus faibles que ceux de CPS. Le contenu actif d’Alex a été déterminé à 90,4 %. Des tests de vieillissement ont révélé qu’Alex était capable de résister à l’oxydation par l’eau jusqu’à 100 jours à un taux d’humidité de 32,5 % et qu’il était complètement oxydé en environ 50 jours à un taux d'humidité de 75,5 %. Des nanothermites Al/CaMoO4 (CPS), Al/SrMoO4 (CPS), Al/BaMoO4 (CPS), Al/MgMoO4 (SCS), Al/CaMoO4 (SCS) et Al/SrMoO4 (CPS) ont été réalisées et des images SEM ont été pris. Les nanoparticules d’aluminium ont été mélangées de manière plus homogène avec les molybdates CPS que les particules d’aluminium mélangées de manière relativement uniforme entre les particules de molybdate. Les molybdates SCS contenaient des particules fortement agglomérées qui ne pouvaient pas être brisées par sonication. Dans certaines régions, il a été démontré que les particules d’aluminium se regroupaient dans une zone au lieu de se répandre entre les molybdates; dans d’autres zones, des particules d’aluminium s’étalent et recouvrent la surface du molybdate. Les travaux futurs porteront sur les tests thermochimiques, de frottement et de décharge électrostatique.