Characterization of advanced fine and ultrafine particles for rocket propulsion applications

Solid Rocket Propulsion is nowadays a mature technology. As a result, improvements in performance are becoming more and more challenging. Research is focusing in replacing ordinary High Energy Materials with novel additives, such as nano-scale Aluminum, metal hydrides and bi-component metals. Hybrid Rocket Engine is today a promising technology but its known low-regression rate has so far discouraged its use in large-scale operations. The energy additives mentioned above could be an effective solution for overtaking this obstacle. In this work, a 100 nm Aluminum powder and a micron-sized Aluminum-Dodecaboride (AlB12) powder were studied bare or coated in multiple fashions. nAl (ALEX™) was produced by the Electric Explosion of the Wire and AlB12 by Self-propagating High temperature Synthesis. Investigation included thermo-physical characterization of the particles. In particular, the known clustering behavior of bare nano-sized Aluminum particles was analyzed, as well as the effect of two dispersion mechanisms. It was found that clustering greatly increases the average diameter of an ALEX™ powder, roughly of a factor 2. Particles were dispersed for 15 minutes in Ethyl Acetate solution either in a high-shear homogenizer or in an ultrasound bath. Both dispersion processes proved reducing clustering, with the latter being more effective. Bare ALEX™ was coated with 8 different coating agents in order to carry on a comparative study of their thermo-physical properties. It was concluded that Capric Acid-coated ALEX™ (2% weight fraction) could be a good energetic additive for Solid Rocket Motors propellant, mostly for its excellent granulometric properties. Viton-coated ALEX™ (1% weight fraction, 0.5% Catechol as a coupling agent) displayed remarkable thermal-reactivity parameters. In particular, its extremely high value of Maximum Oxidation Rate makes it suitable for both SRM and HRE applications. Full characterization of AlB12 powers in three granulometries was carried out. It was found that, despite their micron size, these powders possess an extremely high Specific Surface. Moreover, AlB12 displays excellent resistance to aging. However, due to the high Boron content, bare AlB12 oxidizes similarly to Boron. The melting of its oxide layer before the oxidation of the bulk AlB12 engenders a thermodynamic trap, yielding poor thermo-reactivity characteristics. For this reason, bare AlB12 is presumed inadequate for addition into energetic systems. The most dispersed batch of AlB12 was coated with HTPB (0.5% weight fraction, 1% TMCA as a coupling agent) and Viton (1% weight fraction, 0.5% Catechol as a coupling agent). It was assessed that even though both coating layers diminished the Specific Surface of the initial powder, on the temperature range studied they drastically reduced the endothermic reaction related to the thermodynamic trap phenomenon. This resulted in good thermo-reactivity characteristics, making these coated powders suitable for addition into the solid propellant of Solid Rocket Motors and Hybrid Rocket Engines.

La propulsione a razzo a propellente solido è una tecnologia oramai matura. In conseguenza di ciò, ottenere miglioramenti delle prestazioni è diventato sempre più impegnativo. La ricerca si sta focalizzando nel rimpiazzare materiali ad alta energia di comune utilizzo con additivi di nuova generazione, come ad esempio alluminio nanometrico, idrati di metallo e metalli bicomponenti. I razzi a propulsione ibrida sono oggi una tecnologia promettente ma la loro nota bassa velocità di regressione ha per il momento scoraggiato il loro utilizzo per operazioni in grandezza naturale. Gli additivi energetici testé menzionati potrebbero essere una soluzione efficace per ovviare a questa problematica. In questo lavoro, una polvere di alluminio con diametro medio nominale di 100 nm (ALEX™) e una micrometrica di dodecaborato di alluminio (AlB12) sono state studiate sia come ‘di fabbrica’ che ricoperte con diversi materiali. Il nanoalluminio è stato prodotto con la tecnica di esplosione elettrica del filo (EEW) mentre l’ AlB12 con la sintesi auto-propagativa ad alta temperatura (SHS). La ricerca si è focalizzata sulla caratterizzazione termofisica di queste particelle. In particolar modo, è stato analizzato il tipico fenomeno di clustering (raggruppamento a bassa temperatura) dimostrato dalle polveri nanometriche di alluminio e l’effetto che due meccanismi di dispersione hanno avuto su questa tematica. È stato trovato che il clustering aumenta di circa un fattore 2 il diametro medio di una polvere di ALEX™. Due campioni di ALEX™ furono dispersi in Etilacetato per 15 minuti rispettivamente con un omogeneizzatore ed una vasca ad ultrasuoni. Entrambe le metodologie di dispersione hanno dimostrato di ridurre il raggruppamento delle particelle, essendo la vasca ad ultrasuoni la soluzione più efficace. In seguito, la polvere di ALEX™ fu ricoperta con 8 diversi agenti di coating in modo tale da eseguire uno studio comparativo delle proprietà termofisiche di questi nuovi materiali. È stato concluso che ALEX™ ricoperto con acido caprico potrebbe essere un buon additivo energetico per razzi a propellente solido in virtù delle sue eccellenti proprietà granulometriche. ALEX™ ricoperto con Viton e Pirocatechol come agente accoppiante ha ottenuto ottimi risultati in termini di reattività ad alta temperatura. In particolare, grazie al suo alto valore di massimo rateo di ossidazione, potrebbe essere un buon candidato anche per l’aggiunta in propellenti ibridi. Successivamente è stata compiuta una caratterizzazione completa della polvere di AlB12 in tre granulometrie diverse. Si è visto che, nonostante la loro dimensione, queste particelle possiedono un’altissima superficie specifica nonché una singolare resistenza all’invecchiamento. Tuttavia, a causa di un alto contenuto di Boro, l’AlB12 ossida in maniera simile al Boro. La fusione dello strato di ossido precedentemente a quella del nucleo di AlB12 crea una trappola termodinamica che riduce drasticamente i parametri di reattività della polvere. Per questa ragione l’ AlB12 non è stato ritenuto adatto all’utilizzo in sistemi energetici. Due campioni della granulometria più fine di AlB12 sono stati in seguito ricoperti con HTPB e Viton. È stato trovato che, nonostante gli strati di coating diminuiscano la superficie specifica delle polveri, nella gamma di temperature investigate riescono quasi ad eliminare la reazione endotermica relativa al fenomeno della trappola termodinamica. Questo risulta in buone caratteristiche di reattività, rendendo le polveri possibili candidati all’aggiunta nel propellente di motori a razzo solidi ed ibridi.