Effects of nano-sized aluminium powder dispersion on the mechanical and ballistic properties of solid fuels

Hybrid rocket engines have been studied for decades, but the low solid fuel regression rate and the low combustion efficiency, typical of these propulsive systems, hampered their development toward launch and in-space applications. The addition of energetic additives in the inert polymeric solid fuel could increase the solid fuel regression rate and the combustion efficiency. The use of micrometric particles resulted to be inefficient, while nanopowders seems to be a promising solution due to their higher heat release near the fuel surface and their prompt reactivity (in turn yielding possible improved combustion efficiency). Although their reactivity, nanopowders present also a high surface energy, leading to clustering phenomena that influence the solid fuel grain mechanical properties and the ballistic performance of the fuel formulation. The difficulty to obtain a good particle dispersion influences both ballistic and mechanical properties of the final nanocomposite. In this work, HTPB-based solid fuels with the addition of 5, 10 and 30 wt. % stearic acid passivated nano-sized aluminum powders were studied. For each filler loading, various manufacture procedures were applied to obtain samples with a different dispersion of the nanoparticles in the polymeric matrix. The dispersion state for each formulation was analyzed quantitatively by an in-house program starting from SEM images. Dynamo mechanic analysis were performed by DMA 2980 studying the flexural behavior to determine the effects of dispersion on the composite mechanical properties. The influence of the powder dispersion on the ballistic parameters was investigated by a 2D radial micro-burner. Regression rate data were obtained by a time resolved technique developed at SPLab. Dispersion analysis showed that, under the tested experimental conditions, the manufacture procedures influence the filler dispersion in the solid fuels. The dynamo mechanic analysis showed that the filler content and its dispersion influenced the polymer reinforcement. In particular, at high particle concentration, a better dispersion of the powder provided an increment in the elastic modulus of about 40% with respect to the standard manufacturing procedure. The ballistic tests, instead, showed how the additive dispersion affects the ballistic performance in different ways according to the amount of filler in the formulation. For the 5% wt. filler load, a better dispersed system leaded to a decrement in the average regression rate of 5.5% and a lower G_ox sensitivity with respect to the standard manufacturing procedure. At 30% wt. powder loading, a better dispersed system provided a higher regression rate for all the investigated G_ox interval and a higher mass flux sensitivity leading to an increment of the average solid fuel regression rate of 86% with respect to a worse dispersed system.

I motori ibridi sono stati studiati per decenni, ma il basso rateo di regressione della matrice solida e la ridotta efficienza di combustione, tipico di questi sistemi propulsivi, hanno impedito il loro completo sviluppo in ambito propulsivo per applicazioni di lancio ed applicazioni in-space. L’aggiunta di additivi energetici all’interno dell’inerte matrice polimerica che costituisce il combustibile solido, potrebbe aumentare il rateo di regressione del grano solido e l’efficienza di combustione. L’utilizzo di particelle micrometriche è risultato essere inefficiente, mentre le nanopolveri sembrano essere una promettente soluzione grazie all’elevato rilascio entalpico vicino alla superficie di combustione. Nonostante la loro elevata reattività, le nanopolveri presentano un’elevata superficie specifica che comporta fenomeni di aggregazione tra le particelle. La difficoltà nell’ottenere una buona dispersione delle nanopolveri è intriseca dei nanocompositi e il grado di dispersione influenza sia le proprietà balistiche sia le proprietà meccaniche del composto finale. In questo studio è stato analizzato un combustibile solido a base di HTPB al quale è stato aggiunto della polvere nanometrica di alluminio passivata con acido stearico in tre diverse quantità (rispettivamente 5, 10 e 30%). Per ciascuna concentrazione di additivo, sono state svolte diverse metodologie di manifattura per ottenere campioni con una differente dispersione delle nanopolveri nella matrice polimerica. Lo stato di dispersione per ogni formulazione è stato analizzato quantitativamente grazie ad un programma sviluppato presso il laboratorio di propulsione aerospaziale e nanoenergetica (SPLab) del Politecnico di Milano partendo da immagini ottenute tramite SEM. Sono state svolte analisi dinamo-meccaniche dei compositi, ottenuti con le diverse metodologie di manifattura, studiando il comportamento a flessione per determinare gli effetti della dispersione sulle proprietà meccaniche. L’influenza della dispersione dell’additivo energetico sulle proprietà balistiche è stata investigata grazie ad un micro-bruciatore radiale. I dati relativi al rateo di regressione del grano di combustibile solido sono stati ricavati da una tecnica risolta nel tempo sviluppata al Politecnico di Milano. L’analisi sulla dispersione ha mostrato che le procedure di manifattura influenzano la dispersione della polvere all’interno del combustibile solido e dalle analisi dinamo-meccaniche è emerso che il quantitativo di additivo e il suo livello di dispersione influenzano le proprietà meccaniche. In particolare, ad elevate concentrazioni di additivo, una migliore dispersione della polvere fornisce un incremento del modulo elastico di circa il 40% rispetto alla procedura standard di manifattura. I test balistici, invece, mostrano come la dispersione dell’additivo influenzi le proprietà balistiche in modo differente a seconda della quantità di polvere presente nel combustibile. A basse concentrazioni di additivo (5% in peso), un sistema meglio disperso comporta una riduzione del 5.5% nella velocità media di regressione per l’intervallo di G_ox investigati e una minore sensibilità al flusso di ossidante rispetto ad un sistema prodotto con una procedura standard. Ad elevati carichi di particolato solido, un sistema meglio disperso risulta avere una maggiore velocità di regressione per tutto l’intervallo di G_ox considerati ed una maggiore sensibilità al flusso di ossidante.