Mechanically activated powders as alternative to nanometric aluminum in solid propellants : potentialities and perspectives

The performance enhancement of solid rocket motors is of primary importance to face the future challenges in the space propulsion field. This technology suffers from losses due to the presence of condensed combustion products, linked to the aggregation-agglomeration process occurring on the burning propellant surface. The reduction of 2P-losses is a feasible strategy to increase the delivered specific impulse of SRMs. In this respect, the reactivity increase of aluminum powders used in propellant formulations is a key subject. In literature, considerable results were obtained reducing metal size to the nanometric scale. However, some issues like cost increase, health and safety concerns lead to the investigation of new high-energy materials. In this scenario, the mechanical activation represents an alternative technique able to increase metal powder reactivity. This work is about the influence of the parameters of mechanical activation on the final product. The aim is exploring the process not only as a method to increase the reactivity of microaluminum, but as a method for the production of powders to be proposed as an alternative to nanoaluminum for applications in SRMs. Four activation procedures are selected for powders production. After a detailed characterization, After detailed characterization, powders with a high specific surface area and high reactivity are identified.The effects of the particular morphology of activated powders are studied through the manufacturing of solid propellants. The ballistic analysis results evidenced the potentialities of the method to obtain alternative ingredients to nanoaluminum.

Il miglioramento delle prestazioni dei razzi a propellente solido è di primaria importanza per affrontare le sfide future nel campo della propulsione spaziale. Questa tecnologia risente delle perdite dovute ai prodotti di combustione in fase condensata, legati al processo di aggregazione-agglomerazione che si ha sulla superficie del propellente in combustione. La riduzione di queste perdite è una possibile strategia per aumentare l’impulso specifico dei razzi a propellente solido. A tal proposito, l'aumento della reattività delle polveri di alluminio utilizzate nelle formulazioni dei propellenti è un argomento chiave. In letteratura sono stati ottenuti notevoli risultati riducendo le dimensioni della polvere metallica alla scala nanometrica. Tuttavia, il sorgere di alcune questioni come l'aumento dei costi, le preoccupazioni per la salute e la sicurezza portano allo studio di nuovi materiali ad alta energia. In questo scenario, l'attivazione meccanica si figura come tecnica alternativa per aumentare la reattività della polvere metallica. Questo lavoro tratta degli effetti dei parametri di attivazione meccanica sul prodotto finale. Con riferimento ai propellenti solidi, l'obiettivo è quello di esplorare il processo non solo come metodo per aumentare la reattività della microalluminio, ma anche come metodo per la produzione di polveri da proporre come alternativa al nanoalluminio per applicazioni nei razzi a propellente solido. Per la produzione di polveri vengono selezionate quattro procedure di attivazione. Dopo una caratterizzazione dettagliata, si identificano polveri con una elevata superficie specifica e alta reattività. Gli effetti della particolare morfologia delle polveri attivate sono studiati attraverso la produzione di propellenti solidi. I risultati dell'analisi balistica evidenziano le potenzialità del metodo per ottenere ingredienti alternativi alla nanoalluminio.