Exploration of an innovative mechanical activation method for Al powder

Metals are widely used to enhance performances of energetic materials thanks to a high enthalpy release per mass unit. Currently, the most commonly used metal is spherical micrometric aluminum. Such material presents stable properties with time, low cost, relatively low toxicity and high availability. However, it is difficult to ignite and it burns slowly, reducing the advantages obtained from its utilization. The augment of reactivity for aluminum powders is a key subject. In open litterature, considerable results were achieved reducing aluminum size to the nanometric scale. The enhancement of reactivity has also produced some disadvantages like cost increase and rise of health and safety hazards. Mechanical activation via ball milling is an alternative technique able to increase metal powder reactivity. The particle size is still micrometric giving advantages in terms of safety contemporary guaranteeing the reactivity enhancement. Currently, different techniques are available for the production of high energy activated metal powders, but they require long processing time and are not suitable for industrial applications. Moreover, it is still not possible to have an idea of how the process parameters are affecting the properties of the final product. This work explores an innovative procedure for the production of Al-based mechanically activated powders to identify its limits and potentialities. The process variables were changed sistematically to produce both composite (Al-PTFE; Al-VC) and "pure" aluminum powders. The qualities of the proposed method were underlined by the experimental campaign, giving for the first time a clear connection between process parameters and final powder characteristics.

I metalli sono utilizzati per l'incremento delle prestazioni dei materiali energetici grazie all'elevato rilascio entalpico sviluppato per unità di massa combusta. Attualmente il metallo più utilizzato è l'alluminio micrometrico con particelle di forma sferica. Tale materiale presenta caratteristiche stabili nel tempo, ha basso costo, è relativamente poco tossico e largamente disponibile. Tuttavia, l'alluminio micrometrico convenzionale ignisce con difficoltà e brucia lentamente riducendo i vantaggi derivanti dalla sua applicazione. L'incremento di reattività delle polveri di alluminio è pertanto un argomento chiave. Nella letteratura aperta, notevoli risultati sono stati ottenuti riducendo le dimensioni dell'alluminio fino alla scala nanometrica. L'incremento di reattività ha portato tuttavia ad una serie di svantaggi, tra cui l'aumento dei costi e l'incremento dei rischi legati alla salute umana nonchè alla sicurezza dei luoghi di lavoro (aumento dei rischi di incendio ed esplosione). Una tecnica alternativa in grado di incrementare la reattività del micro-alluminio è l'attivazione meccanica tramite ball milling. In questo caso, la granulometria delle polveri rimane micrometrica con notevoli vantaggi in termini di sicurezza, ma la reattività della polvere risulta notevolmete aumentata. Attualmente sono disponibili diverse tecniche per la produzione di polveri metalliche attivate meccanicamente ad alta energia. Tali procedure prevedono trattamenti relativamente lunghi e non sono facilmente scalabili a livello industriale. In aggiunta, nonostante la mole di lavori disponibili, la letteratura non consente ad oggi di avere un'idea, ancorchè imprecisa, degli effetti dei parametri di processo sulle caratteristiche del prodotto finito. Questo lavoro esplora un processo innovativo per la produzione di polveri metalliche attivate meccanicamente per identificarne potenzialità ed eventuali limiti. La sistematica variazione di alcuni parametri di processo è stata applicata a diverse polveri di alluminio per la produzione di materiali attivati compositi (Al-PTFE; Al-VC) e non. La campagna sperimentale condotta ha permesso di evidenziare le qualità del metodo proposto, fornendo per la prima volta una connessione chiara tra proprietà della polvere finale e parametri di processo.