Specific features of combustion of nanothermites based on nanoaluminum at laser initiation

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

The work deals with thermites based on mixtures of nanosized Al with oxides of copper, bismuth, molybdenum, and nickel. New data have been obtained on the minimum initiation energy and burning rate depending on the density and the ratio of the components. The thermites were initiated by a laser diode pulse with a wavelength of 808 nm and a radiation power density of up to 700 W/cm2. The parameters of ignition and burning were recorded using a multichannel pyrometer and high-speed video camera. The brightness temperature of nanothermite combustion products has been measured. The effect that inert light-absorbing nanosized additives have on the threshold parameters of laser-induced initiation and on the burning rate of the mixtures has been studied. Based on the results obtained, the assumptions were made regarding the mechanism of initiation and the reaction process induced by laser pulse radiation.

全文:

受限制的访问

作者简介

Vladimir Kirilenko

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences

编辑信件的主要联系方式.
Email: vladkiril@gmail.com

Candidate of Science in physics and mathematics, senior research scientist

俄罗斯联邦, 4 Kosygin Str., Moscow 119991

Leonid Grishin

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences; National Research Nuclear University MEPhI

Email: lenya-grishin@mail.ru

junior research scientist, Ph.D. student

俄罗斯联邦, 13-2 Izhorskaya Str., Moscow 125412; 31 Kashirskoe Sh., Moscow 115409

Alexander Dolgoborodov

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences; Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences; National Research Nuclear University MEPhI

Email: aldol@ihed.ras.ru

Doctor of Science in physics and mathematics, chief research scientist, head of laboratory, teacher

俄罗斯联邦, 4 Kosygin Str., Moscow 119991; 13-2 Izhorskaya Str., Moscow 125412; 31 Kashirskoe Sh., Moscow 115409

Michael Brazhnikov

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: birze@inbox.ru

Candidate of Science in pedagogy, senior research scientist

俄罗斯联邦, 4 Kosygin Str., Moscow 119991

Michael Kuskov

N. N. Semenov Federal Research Center for Chemical Physics of the Russian Academy of Sciences

Email: mkuskov72@gmail.com

Candidate of Science in physics and mathematics, senior research scientist

俄罗斯联邦, 4 Kosygin Str., Moscow 119991

Georgii Valyano

Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences

Email: gev06@bk.ru

senior research scientist

俄罗斯联邦, 13-2 Izhorskaya Str., Moscow 125412

参考

  1. Brish, A. A., I. A. Galeev, B. N. Zaitsev, E. A. Sbitnev, and L. V. Tatarintsev. 1966. Laser-excited detonation of condensed explosives. Combust. Explo. Shock Waves 2(3):81–82.
  2. Sivan, J., Y. Haas, D. Grinstein, Sh. Kochav, G. Yegudayev, and L. Kalontarov. 2015. Boron particle size effect on B/KNO3 ignition by a diode laser. Combust. Flame 162(2):516–527.
  3. Herreros, D. N., and X. Fang. 2017. Laser ignition of elastomer-modified cast double-base (EMCDB) propellant using a diode laser. Opt. Laser Technol. 89:21–26.
  4. Kim, Ji Hoon, Myung Hoon Cho, Kyung Ju Kim, and Soo Hyung Kim. 2017. Laser ignition and controlled explosion of nanoenergetic materials: The role of multi-walled carbon nanotubes. Carbon 118:268–277. doi: 10.1016/j.carbon.2017.03.050.
  5. Korotkikh, A. G., I. V. Sorokin, E. A. Selikhova, and V. A. Arkhipov. 2020. Effect of B, Fe, Ti, Cu nanopowders on the laser ignition of Al-based high-energy materials. Combust. Flame 222:103–110.
  6. Hu, Peng, Mingchun Xian, Lizhi Wu, Haonan Zhang, Yinghua Ye, and Ruiqi Shen. 2021. Laser ignition of a laser-thermal differential composite system based on non-uniform absorption. Chem. Eng. J. 421(2). doi: 10.1016/j.cej.2020.127869.
  7. Uhlenhake, K. E., D. Olsen, M. Gomez, M. rnek, M. Zhou, and S. F. Son. 2021. Photoflash and laser ignition of full density nano-aluminum PVDF films. Combust. Flame 233. doi: 10.1016/j.combustflame.2021.111570.
  8. Zarko, V. E., and A. A. Gromov, eds. 2016. Energetic nanomaterials: Synthesis, characterization, and application. Amsterdam: Elsevier. 485 p.
  9. Pantoya, M., and J. Granier. 2006. The effect of slow heating rates on the reaction mechanisms of nano and micron composite thermite reactions. J. Therm. Anal. Calorim. 85:37–43.
  10. Bhattacharya, S., A. K. Agarwal, T. Rajagopalan, and V. K. Patel, eds. 2019. Nano-energetic materials: Energy, environment and sustainability. Springer, Singapore. 305 p.
  11. Pantoya, M., and J. Granier. 2004. Laser ignition of nanocomposite thermites. Combust. Flame 138(4):373–383.
  12. Sanders, V., B. Asay, T. Foley, B. Tappan, A. Pacheco, and S. Son. 2007. Reaction propagation of four nanoscale energetic composites (Al/MoO3, Al/WO3, Al/CuO, and Bi2O3). J. Propul. Power 23:707–714.
  13. Egorshev, V. Y., V. P. Sinditskii, and K. K. Yartsev. 2013. Combustion of high-density CuO/Al nanothermites at elevated pressures. 10th Autumn Seminar (International) on Propellants, Explosives and Pyrotechnics Proceedings. 287–290.
  14. Petre, C., D. Chamberland, T. Ringuette, S. Ringuette, S. Paradis, and R. Stowe. 2014. Low-power laser ignition of aluminum/metal oxide nanothermites. Int. J. Energetic Materials Chemical Propulsion 13:479–494.
  15. Aduev, B. P., M. V. Anan’eva, A. A. Zvekov, et al. 2014. Micro-hotspot model for the laser initiation of explosive decomposition of energetic materials with melting taken into account. Combust. Explo. Shock Waves 50(6):704–710.
  16. Kolesov, V. I., and D. I. Patrikeyev. 2017. Gorenie nanotermitov v vakuume [Combustion of nanothermites at subatmospheric pressure]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 10(1):69–72.
  17. Saceleanu, F., M. Idir, N. Chaumeix, and J. Z. Wen. 2018. Combustion characteristics of physically mixed 40 nm aluminum/copper oxide nanothermites using laser ignition. Front. Chem. 6:465. doi: 10.3389/fchem.2018.00465.
  18. Gordeyev, V. V., M. V. Kazutin, N. V. Kozyrev, A. O. Kashkarov, I. A. Rubtsov, K. A. Ten, and S. I. Rafeychik. 2018. Issledovanie mekhanizma goreniya nanotermitnykh sistem [Investigation of the mechanism of combustion nanothermite systems]. Polzunovskiy Vestnik 2:96–101.
  19. Kirilenko, V. G., L. I. Grishin, A. Yu. Dolgoborodov, and M. A. Brazhnikov. 2020. Lazernoe initsiirovanie nanotermitov Al/CuO и Al/Bi2O3 [Laser initiation of nanothermites Al/CuO and Al/Bi2O3]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 13(1):145–155.
  20. Dolgoborodov, A. Yu., V. G. Kirilenko, M. A. Brazhnikov, L. I. Grishin, M. L. Kuskov, and G. E. Valyano. 2021. Ignition of nanothermites by a laser diode pulse. Defence Technology 18(2):194–204. doi: 10.1016/j.dt.2021.01.006.
  21. Guen, M. Y., and A. V. Miller. 1961. Method for production of metal aerosols. SU Patent 814432.
  22. Kuskov, M. L., A. N. Zhigach, I. O. Leipunskii, A. N. Gorbachev, E. S. Afanasenkova, and O. A. Safronova. 2019. Combined equipment for synthesis of ultrafine metals and metal compounds powders via flow-levitation and crucible methods. IOP Conf. Ser. — Mat. Sci. 558:012022.
  23. Dolgoborodov, A. Yu., V. G. Kirilenko, A. N. Streletskii, I. V. Kolbanev, A. A. Shevchenko, B. D. Yankovskii, S. Y. Ananev, and G. E. Valyano. 2018. Mekhanoaktivirovanyy termitnyy sostav Al/CuO [Mechanoactivated thermite composition Al/CuO]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 11(3):117–124.
  24. Streletskii, A. N., I. V. Kolbanev, G. A. Vorobieva, A. Y. Dolgoborodov, V. G. Kirilenko, and B. D. Yankovskii. 2018. Kinetics of mechanical activation of Al/CuO thermite. J. Mater. Sci. 53(19):13550–13559.
  25. Yankovsky, B. D., A. Yu. Dolgoborodov, L. I. Grishin, and S. Yu. Ananev. 2021. Study of combustion wave propagation in linear charges from mechanically activated thermite mixtures. J. Phys. Conf. Ser. 1787:012017. doi: 10.1088/1742-6596/1787/1/012017.
  26. Gogulya, M. F. 1988. Temperatury udarnogo szhatiya kondensirovannykh sred [Temperature of shock compression of condensed matter]. Moscow: MEPhI. 68 p.
  27. Grishinin, S. G., A. A. Solodovnikov, and G. P. Startsev. 1958. Fotograficheskiy metod izmereniya temperatury istochnikov sveta [Photographic method for measuring the temperature of light sources]. Trudy Komissii po pirometrii pri VNIIM [Proceedings of the Commission on Pyrometry at VNIIM]. Moscow: Standartgiz. Vol. 1.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Figure 1 The SEM images of nAl (a), nBi2O3 (b), nMoO3 (c) and nanothermite (NT): Al/CuO 19/81 (d), Al/Bi2O3 15/85 (e), and Al/MoO3 30/70 (f)

下载 (354KB)
索引源数据
3. Figure 2 Surface structure of Al/CuO (Ψ = 1.1) samples of different porosity: (a) ε = 90%; and (b) ε = 78%

下载 (249KB)
索引源数据
4. Figure 3 Schematic of the experimental setup: 1 — control computer; 2 — power supply and control unit; 3 — laser diode; 4 — focusing lenses; 5 — camcorder Phantom Miro LC-310; 6 — protective glass plates; 7 — target with sample; 8 — optical fiber; 9 — pyrometer; and 10 — digital oscilloscope

下载 (62KB)
索引源数据
5. Figure 4 Oscillograms: 1 — laser pulse (timp = 1820 μs); and 2 — TTL pulse (timp = 1900 μs)

下载 (68KB)
索引源数据
6. Figure 5 Characteristic records of radiation at NT ignition: signals from the rear (1) and front (2) surfaces

下载 (77KB)
索引源数据
7. Figure 6 Critical energy density of NT Al/CuO (Ψ = 1.1) ignition on porosity: 1 — 207 W/cm2; and 2 — 650 W/cm2

下载 (69KB)
索引源数据
8. Figure 7 Burning velocity vs. porosity for NT Al/CuO (Ψ = 1.1): 1 — data of the present authors; 2 — data [12]; and 3 — data [18]

下载 (70KB)
索引源数据
9. Figure 8 Effect of carbon black content on time delay and critical energy of NT Al/CuO (Ψ = 1.1, ε = 89%) initiation

下载 (71KB)
索引源数据
10. Figure 9 Brightness temperature of combustion products: 1 — Al/CuO (Ψ = 1.1); 2 — Al/CuO (Ψ = 1.1) +1% carbon black; 3 — Al/MoO3 (Ψ = 1.2); and 4 — Al/Bi2O3 (Ψ = 1.6)

下载 (284KB)
索引源数据
11. Figure 10 Initial stage of NT laser ignition

下载 (68KB)
索引源数据
12. Figure 11 Reaction development after laser pulse completion: signals from the front (1) and rear (2) surfaces

下载 (120KB)
索引源数据
13. Figure 12 Frames of high-speed shooting of reaction propagation over the sample surface at laser initiation of NT at ε = 89%

下载 (311KB)
索引源数据
14. Figure 13 Frames of high-speed shooting of reaction propagation over the sample surface of NT at ε = 52%

下载 (104KB)
索引源数据
15. Figure 14 Burning velocity vs. tube length for NT Al/CuO (Ψ = 1.1, ε = 87%)

下载 (66KB)
索引源数据
16. Figure 15 Frames of high-speed shooting of reaction propagation of NT Al/CuO (Ψ = 1.1, ε = 87%) in a glass tube of 450 millimeter length

下载 (170KB)
索引源数据
17. Figure 16 Change in the burning velocity of NT Al/CuO (Ψ = 1.1, ε = 87%) along the axis of the tube of 450 millimeter length

下载 (69KB)
索引源数据

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».