Combustion transfer through inert barriers in high-porosity nanotermites

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The paper presents the results of an experimental study using high-speed video recording of the combustion propagation through inert barriers in Al/CuO nanothermites placed in closed shells (tubes) made of quartz glass. Viscose and air gaps were used as inert barriers. When the luminous front (which the present authors associate with the burning rate) passes through the barrier made of viscose, its propagation velocity drops noticeably but after it enters the nanothermite, its propagation velocity recovers to the original value. As for the air gaps, when the luminous front expands into the air, its speed increases by a factor of 2–3, then the normal mode of propagation is established. The presence of air gaps in a tube with a thermite mixture makes it possible to significantly reduce the mass of this mixture with a slight decrease in the average burning rate compared to a completely filled tube of the same length.

About the authors

Vladimir G. Kirilenko

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

Author for correspondence.
Email: vladkiril@gmail.com

Candidate of Science in physics and mathematics, senior research scientist

Russian Federation, Moscow

Alexander Yu. 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

Russian Federation, Moscow; Moscow; Moscow

Michael A. 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

Russian Federation, Moscow

References

  1. 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. doi: 10.1007/s10973-005-7342-z.
  2. Zarko, V. E., and A. A. Gromov, eds. 2016. Energetic nanomaterials: Synthesis, characterization, and application. Amsterdam: Elsevier. 485 p.
  3. Bhattacharya, S., A. K. Agarwal, T. Rajagopalan, and V. K. Patel, eds. 2019. Nano-energetic materials: Energy, environment and sustainability. 1st ed. Springer Nature Singapore Pte Ltd. 305 p.
  4. Yetter, R. A. 2021.Progress towards nanoengineered energetic materials. P. Combust. Inst. 38(1):57–81. doi: 10.1016/j.proci.2020.09.008.
  5. Polis, M., A. Stolarczyk, K. Glosz, T. Jarosz, and Quo Vadis . 2022. Nanothermite? A review of recent progress. Materials 15(9):3215. doi: 10.3390/ma15093215.
  6. Weismiller, M. R., J. Y. Malchi, R. A. Yetter, and T. J. Foley. 2009. Dependence of flame propagation on pressure and pressurizing gas for an Al/CuO nanoscale thermite. P. Combust. Inst. 32:1895–1903. doi: 10.1016/ j.proci.2008.06.191.
  7. Densmore, J. M., K. T. Sullivan, A. E. Gash, and J. D. Kuntz. 2014. Expansion behavior and temperature mapping of thermites in burn tubes as a function of fill length. Propell. Explos. Pyrot. 39:416–422. doi: 10.1002/ prep.201400024.
  8. Egan, G., and M. Zachariah. 2015. Commentary on the heat transfer mechanisms controlling propagation in nanothermites. Combust. Flame 162(7):2959–2961. doi: 10.1016/j.combustflame.2015.04.013.
  9. Baijot, V., M. Rouhani, C. Rossi, and A. Esteve. 2017. A multi-phase micro-kinetic model for simulating aluminum-based thermite reactions. Combust. Flame 180:10–19. doi: 10.1016/j.combustflame.2017.02.031.
  10. Jacob, R., D. Kline, and M. Zachariah . 2018. High speed 2-dimensional temperature measurements of nanothermite composites: Probing thermal vs. gas generation effects. J. Appl. Phys. 123(11). doi: 10.1063/1.5021890.
  11. Wang, Y., Ji Dai, J. Xu, Y. Shen, Ch. Wang, Y. Ye, and R. Shen. 2021. Experimental and numerical investigations of the effect of charge density and scale on the heat transfer behavior of Al/CuO nano-thermite. Vacuum 184. doi: 10.1016/j.vacuum.2020.109878.
  12. Dolgoborodov, A. Yu., V. G. Kirilenko, M. A. Brazhnikov, L. I. Grishin, M. L. Kuskov, and G. E. Valyano . 2022. Ignition of nanothermites by a laser diode pulse. Defence Technology 18(2):194–204. doi: 10.1016/j.dt.2021.01.006.
  13. Kirilenko, V. G., A. Yu. Dolgoborodov, M. A. Brazhnikov, L. I. Grishin, M. L. Kuskov, and G. E. Valyano . 2022. Osobennosti goreniya nanotermitov na osnove nanoalyuminiya pri lazernom initsiirovanii [Features of combustion of nanothermite based on nanoaluminum at laser initiation]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 15(1):82–97.
  14. Sanders, V., B. Asay, T. Foley, B. Tappan, A. Pacheco, and S. Son. 2007. Reaction propagation of four nanoscale energetic composites (Al/MoO , Al/WO , Al/CuO, and Bi O ). J. Propul. Power 23:707–714. doi: 10.2514/ 1.26089.
  15. Sullivan, K., and M. R. Zachariah. 2010. Simultaneous pressure and optical measurements of nanoaluminum thermites: Investigating the reaction mechanism. J. Propul. Power 26:467–472. doi: 10.2514/1.45834.
  16. 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.
  17. Jabraoui, H., A. Esteve, M. Schoenitz, E. Dreizin, and C. Rossi. 2022. Atomic Scale insights into the first reaction stages prior to Al/CuO nanothermite ignition: Influence of porosity. ACS Appl. Mater. Inter. 14(25):29451–29461. doi: 10.1021/acsami.2c07069.
  18. Guen, M. Y., and A. V. Miller. 1961. Method for production of metal aerosols. SU Patent 814432.
  19. 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. doi: 10.1088/1757-899X/558/1/012022.
  20. 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. Material Sci. 53(19):13550–13559. doi: 10.1007/ s10853-018-2412-3.
  21. 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.
  22. Kirilenko, V. G., L. I. Grishin, A. Yu. Dolgoborodov, and M. A. Brazhnikov . 2020. Lazernoe initsiirovanie nanotermitov Al/CuO i Al/Bi O [Laser initiation of nanothermites Al/CuO and Al/Bi O ]. Goren. Vzryv (Mosk.) — Combustion and Explosion 13(1):145–155.
  23. Li, Yong, Jian Li, Xian Liu, and Bei Wu. 2021. Test and analysis of the porosity of cotton fiber assembly. J. Eng. Fiber. Fabr. 16:1–7. doi: 10.1177/15589250211024225.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

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».