Mechanical activation of Al-Mg fuel powders for green propellants

Solid rocket motors are widely used in space propulsion thanks to their advantages. Unfortunately they are characterized by high environmental impact, caused by presence of ammonium perchlorate (AP). Environmentally-friendly propellants the so called "Green Propellants", are largely studied to overcome such issues. One of possible oxidizer salts able to replace AP is ammonium nitrate (AN). The main problems of AN are due to its inability to burn properly aluminum and to slow burning rate of AN-based propellants. Objective of this work is to design, produce and test a family of novel metal ingredients (mechanically activated aluminum-magnesium powders) capable of increasing AN-based propellants burning performance. The new Al+Mg powder compositions are able to enhance burning rate of propellants which use AN as oxidizer salt. With mechanical activation the powders reactivity was further increased. Key parameters that influence mechanical activation treatments were initially analyzed. To promote aluminum magnesium combination, small amount of additives were used (nano-aluminim (nAl) and phosphorus pentoxide (P2O5)). The DT/TG analyses carried out at the Space Propulsion Laboratory (SPLab), Department of Aerospace Science and Technology, Politecnico di Milano, focused on the effect of mechanical activation on the powders reactivity. The analysis of the experimental results evidenced that mechanical activation represents a good technique to enhance powders reactivity. Activating magnesium powder mixed with small percentage of nAl or P2O5 has caused a decrements of oxidation onset value. Furthermore, final composition powder (Al+Mg+additive) mechanical activated have shown first exothermic peak at about 525 °C that it is not registered for mechanical mixing powders.

I motori a propellente solido sono una soluzione largamente usata per applicazioni spaziali grazie ai molti vantaggi offerti. I propellenti usati in questi propulsori hanno putroppo un forte impatto ambientale dovuto alla presenza di perclorato d'ammonio(AP) usato come sale ossidante. I cosiddetti "Propellenti Green ” , intesi come propellenti a basso impatto ambientale, sono studiati per ridurre le conseguenze sul ambiente causate dai propellenti standard. Uno dei possibili ossidanti in grado di sostituire l’AP è il nitrato di ammonio (AN). I due problemi più rilevanti, dovuti all'uso di questo tipo di ossidante sono la sua scarsa capacità di combustione con alluminio, e la bassa velocità di combustione dei propellenti a base di AN. Gli obbiettivi di questa tesi sono produrre e testare una nuova famiglia di polveri metalliche composte da alluminio e magnesio(Mg) attivati meccanicamente. Miscelare magnesio con l'alluminio ha lo scopo di incrementare la capacità di combustione dei propellenti a base di AN. L'attivazione meccanica è un'altra strategia adottata per incrementare ulteriormente la reattività delle polveri metalliche. I paramenti che influenzano l'attivazione meccanica sono stati inizialmente studiati. Per incrementare ulteriormente la reattività delle polveri piccole quantità di additivo sono state aggiunte (nono-alluminio (nAl) e pentossido di fosforo (P2O5)). Le analisi DT/TG sono state fatte sulle polveri presso il Space Propulsion Laboratory (SPLab), Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano, concentrandosi sull'effetto che l'attivazione meccanica ha sulle polveri metalliche. I risultati della campagna sperimentale hanno dimostrato che l'attivazione meccanica è una buona strategia per aumentare la reattività delle polveri. Nelle polveri con magnesio additivato in piccola percentuale con nAl o P2O5 l'attivazione meccanica ha causato un'anticipazione dell'onset di ossidazione. Nelle polveri finali (Al+Mg+additivo), l'attivazione meccanica ha fatto insorgere un picco di ossidazione intorno a 525 °C non presente nelle polveri semplicemente miscelate.