Characterization of nanometer-sized aluminium dispersion in polymeric matrixes

The design of large scale hybrid rocket engines has been so far hampered by several drawbacks, such as the low regression rate and poor combustion efficiency. This is due to the mainly diffusive nature of the hybrid combustion flame. One of the techniques used to overcome this limitation is the employment of nano-sized aluminum (nAl) powders which are expected to provide a high enthalpy release closer to the regressing surface, enhancing the regression rate. Nevertheless, these powders show a marked clustering tendency (in turn due to the reduced particle size). This limits the effective and uniform nanoparticle distribution in the hosting (polymeric) matrix. The use of manufacturing techniques and specific coatings can improve the nAl dispersion and hinder cluster formation, but a quantitative approach for the characterization of additive dispersion is still lacking. This work proposes two methods based on diagnostic techniques traditionally not used to characterize energetic materials. The first one relies on Atomic Force Microscopy, while the second one is based on the application of dynamic nanoindentation to evaluate mechanical properties which are proportional to powder dispersion level. The two methods quantify the influence of different manufacturing techniques (such as simple mechanical mixing, ultrasonication and resonant acoustic mixing) and different particle coatings (such as cathecol, stearic acid and Fluorel) on nAl dispersion. The repeatability of the manufacturing process is also evaluated: ultrasonication yelds an improved nAl dispersion but mechanical mixing delivers more consistent and repeatable results under the investigated operating conditions. The presence of micron-sized aluminum particles seems to reduce cluster sizes with respect to specimens loaded only with nAl. The influence of powder dispersion on the composite mechanical properties is also observed: the storage modulus is proportional to the homogeneity of the nAl dispersion, while the loss modulus and loss factor are proportional to cluster size and morphology.

Il progetto di motori a razzo ibridi di grande scala fino ad oggi è stato impedito da varie problematiche: una di questi è la bassa velocità di regressione causata dalla natura prevalentemente diffusiva del processo di combustione ibrida. Un modo per ovviare a questo svantaggio consiste nell' utilizzare polveri nanometriche di alluminio in grado di fornire un rilascio di entalpia più vicino alla superficie di regressione. Queste polveri tendono però a formare cluster (a causa delle ridotte dimensioni), limitando l' efficace e uniforme distribuzione delle nanoparticelle nella matrice polimerica. L' utilizzo di alcune tecniche di manifattura e di speciali coating è in grado di mitigare questi svantaggi, ma ad oggi non esiste un metodo quantitativo che possa misurare il livello di dispersione delle particelle. Questa ricerca propone due metodi basati su tecniche di diagnostica tradizionalmente non utilizzate per la caratterizzazione dei materiali energetici. Il primo si basa sulla spettroscopia a forza atomica (AFM), mentre il secondo utilizza la nanoindentazione dinamica per valutare proprietà meccaniche dei materiali compositi proporzionali alla dispersione delle polveri. Questi metodi sono usati per quantificare l' influenza di diverse manifatture (come ultrasonicazione, miscelazione meccanica e miscelazione acustica) e di diversi coating (come cathecol, acido stearico e Fluorel) sul grado di dispersione del nAl. L' analisi della ripetibilità dei processi di manifattura dei combustibili solidi mostra che l' ultrasonicazione può consentire una migliore dispersione di nAl, ma la miscelazione meccanica fornisce risultati più consistenti e quindi più ripetibili nelle condizioni operative indagate. La presenza di particelle di micro-alluminio sembra determinare una riduzione delle dimensioni dei cluster rispetto al caso con solo nano-alluminio. Il grado di dispersione delle polveri influenza le proprietà meccaniche dei combustibili solidi: la componente elastica del modulo complesso è proporzionale all' omogeneità della dispersione del nAl, mentre la componente dissipativa è proporzionale alle dimensioni e morfologia dei cluster.