Synthesis of reactive structures by ball milling and ultrasonic consolidation

Abstract

Πηγές ενέργειας στη νανο- και στη μικο- κλίμακα έχουν ελκύσει το ενδιαφέρον ως πιθανά ικανά εργαλεία στη νανοκατασκευστική και μικροκατασκευαστική. Υπερλεπτά πολύστρωματικά υμένια (ΠΥ) χρησιμοποιούνται σαν νανοθερμικές πηγές, και εμφανίζονται υποσχόμενα στη θερμική νανοτεχνολογία, αφού μπορούν να διεγερθούν με χαμηλής ενέργειας σπίθα από μια μπαταρία και εκθέτουν αντιδράσεις εξώθερμης αυτό-διάδοσης (ΑΕΑΔ). Ωστόσο, η χρήση ΠΥ περιορίζεται λόγω του υψηλού κόστους παραγωγής. Αυτή η διατριβή είχε σαν στόχο την αναζήτηση τρόπου προσέγγισης της εξώθερμης συμπεριφοράς των ΠΥ με την παραγωγή αντιδρουσών συσσωματωμάτων χρησιμοποιώντας Μηχανική Άλεση (ΜΑ) και Υπερηχητική Συνένωση Κόνεων (ΥΣΚ). Πειράματα ΜΑ εκτελέστηκαν σε αναμειγμένες σκόνες Al/Ni έχουν δείξει ότι μπορούν να παραχθούν συσσωματώματα που αποτελούνται από λεπτά-στρώματα στη νανοκλίμακα. Αυτές οι σκόνες έχουν χαρακτηριστικά παρόμοια σε θερμική ανάπτυξη και χημικό σχηματισμό με αυτά των ΠΥ τα οποία έχουν διπλοστρωματικά υμένια στη νανοκλίμακα, μολονότι με χαμηλότερες ταχύτητες θερμικών μετώπων. Πειράματα θερμικής ανάφλεξης έχουν δείξει ότι σχεδόν αδιαβατικές αντιδράσεις μπορούν να συμβούν στα συσσωματώματα, τα οποία μπορούν να αναφλεχθούν σχετικά εύκολα με την εφαρμογή τοπικά ενός μικρού πυρσού προπανίου. Σωματίδια Al/Ni με συνολική σύνθεση NiAl μπορούν να παράγουν σκόνες με παρόμοια λεπτά στρώματα στη δομή τους, τα οποία μετά από συσσωμάτωση σε θερμοκρασία δωματίου μπορούν να αναφλεχθούν με τη χρήση χαμηλής ενέργειας σπίθας από μια μπαταρία, και να αντιδράσουν με τρόπο αυτό-διάδοσης με ομοιόμορφα θερμικά μέτωπα τα οποία έχουν ταχύτητες μέχρι 0.24 m/s. Η μέθοδος ΥΣΚ χρησιμοποιήθηκε κυρίως για τη σύνθεση συσσωματωμάτων σε θερμοκρασία δωματίου. Η συνένωση κόνεων είχε επιτευχθεί σε μια διαδικασία πολλών βημάτων η οποία ενέπλεκε ταυτόχρονη εφαρμογή πίεσης και υπερηχητικών κυμάτων. Ο μικρός χρόνος επεξεργασίας και η μη αναγκαιότητα ειδικών συνθηκών επεξεργασίας κάνουν την ΥΣΚ μια μέθοδο πολύ υποσχόμενη.

Nanoscale and microscale heating sources, produced by methods have received increasing attention in recent years as enabling tools for nanofabrication/-manufacturing. Multilayer films/foils (MFs) employed as nanoheater sources appear very promising in thermal nanotechnology, since they can be ignited relatively easily with a low-energy spark from a battery, and show self-propagating exothermic reactions (SPER). However, the usage of MFs is restricted due to their high production costs. This thesis was directed towards finding a way of approaching the exothermic behaviour of MFs by producing reactive compacts using mainly Ball Milling (BM), and Ultrasonic Powder Consolidation (UPC). BM experiments performed on Al/Ni powder mixtures showed that highly reactive compacts with nanoscale lamellae can be produced that exhibit similar thermal and phase formation characteristics to MFs with nanoscale bilayer thicknesses, albeit at lower thermal front velocities. Ignition experiments indicated near adiabatic reactions occurring within the pellets, which could be relatively easily ignited with a locally applied small propane torch. Low-energy BM of Al/Ni particles with an overall composition of NiAl can produce powders with similar lamella structures, which upon cold-compaction into pellets can be locally ignited using a low energy spark from a battery and react in a self-propagating manner with uniform thermal fronts having velocities up to 0.24 m/s. UPC was mainly used for the synthesis compacts. Powder consolidation was achieved by a multistep procedure involving simultaneous application of pressure and ultrasonic vibrations. Short processing times and non-requirement of special processing conditions make the ultrasonic powder consolidation process very promising.