Onderzoekers van het Amerikaanse leger en topuniversiteiten ontdekten een nieuwe manier om meer energie te halen uit energetische materialen die aluminium bevatten, gebruikelijk in slagveldsystemen, door aluminiummicronpoeders te ontsteken die zijn gecoat met grafeenoxide.

Deze ontdekking valt samen met een van de moderniseringsprioriteiten van het leger:precisiebranden op lange afstand. Dit onderzoek zou kunnen leiden tot verbeterde energetische prestaties van metaalpoeders als drijfgas/explosieve ingrediënten in legermunitie.

Geprezen als een wondermateriaal, grafeen wordt beschouwd als het sterkste en lichtste materiaal ter wereld. Het is ook de meest geleidende en transparante, en duur om te produceren. De toepassingen zijn talrijk, uitbreiden naar elektronica door touchscreen-laptops mogelijk te maken, bijvoorbeeld, met lichtgevende diode, of LCD, of in organische lichtemitterende diode, of OLED-schermen en medicijnen zoals DNA-sequencing. Door grafiet te oxideren is het goedkoper om massaal te produceren. Het resultaat:grafeenoxide (GO).

Hoewel GO een populair tweedimensionaal materiaal is dat grote belangstelling heeft gewekt in tal van disciplines en materiaaltoepassingen, deze ontdekking maakt gebruik van GO als een effectief lichtgewicht additief voor praktische energetische toepassingen met aluminiumpoeders van micronformaat (μAl), d.w.z., aluminiumdeeltjes met een diameter van een miljoenste meter.

Het onderzoeksteam publiceerde hun bevindingen in de oktobereditie van ACS Nano met medewerking van het RDECOM Research Laboratory, het bedrijfsonderzoekslaboratorium van het leger (ARL), Stanford universiteit, Universiteit van zuid Californië, Massachusetts Institute of Technology en Argonne National Laboratory.

Dit nieuw gepubliceerde werk markeert een begin bij ARL voor de ontwikkeling van gefunctionaliseerde deeltjes als nieuwe energie onder verschillende nieuwe hefboomprogramma's onder leiding van Drs. Chi-Chin Wu en Jennifer Gottfried. ARL leidt gezamenlijke wetenschappelijke inspanningen met de Universiteit van Tennessee, Texas Tech-universiteit, leger onderzoek, Ontwikkelings- en engineeringcentrum in Picatinny, NJ, en met het Air Force Research Laboratory dat een nieuwe onderzoeksroute tot stand brengt om superieure nieuwe metalen drijfgas / explosieve ingrediënten te ontwikkelen om meer levens voor de strijders van het leger te beschermen.

"Omdat aluminium (Al) theoretisch een grote hoeveelheid warmte kan afgeven (tot wel 31 kilojoule per gram) en relatief goedkoop is vanwege zijn natuurlijke overvloed, μAlpowders worden veel gebruikt in energetische toepassingen, " zei Wu. Echter, ze zijn zeer moeilijk te ontsteken door een optische flitslamp vanwege de slechte lichtabsorptie. Om de lichtabsorptie van mAl tijdens ontsteking te verbeteren, het wordt vaak gemengd met zware metaaloxiden die de energetische prestaties verminderen, ' zei Wu.

Al-poeders van nanometerformaat (d.w.z. een miljardste van een meter in diameter) kan gemakkelijker worden ontstoken door een optische flitslamp met groot oppervlak om warmte veel sneller af te geven dan kan worden bereikt met conventionele éénpuntsmethoden zoals hotwire-ontsteking. Helaas, Al-poeders van nanometerformaat zijn erg duur.

Het team demonstreerde de waarde van μAl/GO-composieten als potentieel drijfgas/explosieve ingrediënten door middel van een gezamenlijke onderzoeksinspanning onder leiding van professor Xiaolin Zheng van Stanford University en ondersteund door Dr. Chi-Chin Wu en Dr. Jennifer Gottfried van ARL. Dit onderzoek toonde aan dat GO de efficiënte ontsteking van μAl mogelijk maakt via een optische flitslamp, waardoor meer energie sneller vrijkomt, waardoor de energetische prestaties van μAl aanzienlijk worden verbeterd boven die van het duurdere Al-poeder van nanometerformaat. Het team ontdekte ook dat de ontsteking en verbranding van μAl-poeders kan worden gecontroleerd door het GO-gehalte te variëren om de gewenste energie-output te bereiken.

Afbeeldingen die de structuur van de μAl / GO-composietdeeltjes tonen, werden verkregen door transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie (TEM) uitgevoerd door Wu, een materiaalonderzoeker die het plasmaonderzoek leidt voor de Energetic Materials Science Branch in de Lethality Division van de Weapons and Materials Research Directorate bij ARL. "Het is opwindend om met onze eigen ogen te zien door geavanceerde microscopie zoals TEM hoe een eenvoudig mechanisch mengproces kan worden gebruikt om de μAl-deeltjes mooi in een GO-vel te wikkelen, " zei Wu.

Naast het aantonen van verbeterde verbrandingseffecten van optische flitslampverwarming van de μAl / GO-composieten door de Stanford-groep, Gottfried, een natuurkundige bij ARL, toonde aan dat de GO de hoeveelheid μAl die reageerde op de microseconde tijdschaal verhoogde, d.w.z., een miljoenste van een seconde een regime analoog aan het vrijkomen van explosieve energie tijdens een ontploffing. Na initiatie van de μAl/GO-composiet met een gepulseerde laser met behulp van een techniek die laser-geïnduceerde luchtschok van energetische materialen (LASEM) wordt genoemd, de exotherme reacties van de μAl / GO versnelden de resulterende laser-geïnduceerde schoksnelheid tot boven die van pure μAl of pure GO. Volgens Gottfried "de μAl/GO-composiet heeft dus het potentieel om de explosieve kracht van militaire formuleringen te vergroten, naast het versterken van de verbrandings- of ontploffingseffecten." this discovery could be used to improve the range and/or lethality of existing weapons systems.