In the last twenty years important research has been carried out about the use of nano-sized aluminum powder in the energetic materials field. Their usage is rather broad: it is possible to remember solid and hybrid rockets in aerospace propulsion, but one has to mention also explosives and thermite reactions. The choice of nanometric powders (instead of the more common and cheap micrometric ones) grants for sure more reactivity, but reduces the metallic content and increases the cost of the material. In order to solve this problem and to obtain a powder that is at the same moment reactive, cheap and with high metallic content the SPLab of Politecnico di Milano has been carrying out research for many years in the field of mechanical activation using high energy ball milling. The results obtained using mechanically activated powder show clearly that this technology ensures similar, or even improved, performances with repect to the nanometric powder. On the other hand, at the moment an industrial use of this method is not viable as the quantity of the obtained powder per cycle is rather low: from fraction of gram to some grams, at maximum. The goal of this work is to start the scale-up of this technology, with a special focus on maximizing the powder obtained per cycle within the limits of the available machine. In order to reach this objective a new modelling tool was developed and the new ideas obtained from its results were later experimentally tried, to verify the expected improvements and to further improve the model itself. The results of this work show an innovative and promising scale-up path for this technology, suggesting a model capable of predicting the characteristics of the powder after the mechanical activation process.

Nel campo dei materiali energetici si studia ormai da più di vent'anni l'uso di polveri nanometriche di alluminio. Le applicazioni sono molto variegate: nell'ambito della propulsione aerospaziale si ricordano i razzi a propellente solido ed ibrido, ma si sono raggiunti importanti risultati anche per quanto riguarda l'esplosivistica e le reazioni termitiche. La scelta di polveri nanometriche di alluminio (al posto delle più comuni ed economiche micrometriche) porta sicuramente ad un incremento della reattività del materiale al costo, tuttavia, di una riduzione del contenuto metallico e ad un notevole incremento dei costi. Per risolvere questi problemi ed ottenere una polvere che sia al contempo reattiva, ad alto contenuto metallico ed economica, all'SPLab del Politecnico di Milano si indaga ormai da anni la possibilità di attivare meccanicamente tramite ball-milling ad alta energia la polvere micrometrica. I risultati ottenuti dalla polvere attivata meccanicamente mostrano chiaramente quanto questa tecnologia assicuri prestazioni vicine, se non addirittura superiori, a quelle della polvere nanometrica. Tuttavia, al momento è impensabile un utilizzo su larga scala di questo metodo, data la bassissima quantità di polvere prodotta ad ogni ciclo: frazioni di grammo o pochi grammi al massimo. L'obiettivo di questo lavoro è iniziare lo scale-up della tecnologia, massimizzando la polvere prodotta ad ogni ciclo nei limiti del macchinario disponibile attualmente. Per raggiungere questo obiettivo è stata messa a punto una nuova modellazione del problema, dai cui risultati si sono ottenute nuove idee verificate in seguito sperimentalmente, con l'obiettivo di assicurarsi che il miglioramento atteso fosse reale e di perfezionare ulteriormente il modello stesso. I risultati del lavoro indicano un innovativo e promettente percorso per lo scale-up della tecnologia, suggerendo un modello capace di predire le caratteristiche della polvere a valle del processo di attivazione meccanica.

Optimization of mechanical activation processes

FINAZZI, ALESSANDRO
2018/2019

Abstract

In the last twenty years important research has been carried out about the use of nano-sized aluminum powder in the energetic materials field. Their usage is rather broad: it is possible to remember solid and hybrid rockets in aerospace propulsion, but one has to mention also explosives and thermite reactions. The choice of nanometric powders (instead of the more common and cheap micrometric ones) grants for sure more reactivity, but reduces the metallic content and increases the cost of the material. In order to solve this problem and to obtain a powder that is at the same moment reactive, cheap and with high metallic content the SPLab of Politecnico di Milano has been carrying out research for many years in the field of mechanical activation using high energy ball milling. The results obtained using mechanically activated powder show clearly that this technology ensures similar, or even improved, performances with repect to the nanometric powder. On the other hand, at the moment an industrial use of this method is not viable as the quantity of the obtained powder per cycle is rather low: from fraction of gram to some grams, at maximum. The goal of this work is to start the scale-up of this technology, with a special focus on maximizing the powder obtained per cycle within the limits of the available machine. In order to reach this objective a new modelling tool was developed and the new ideas obtained from its results were later experimentally tried, to verify the expected improvements and to further improve the model itself. The results of this work show an innovative and promising scale-up path for this technology, suggesting a model capable of predicting the characteristics of the powder after the mechanical activation process.
DOSSI, STEFANO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
18-dic-2019
2018/2019
Nel campo dei materiali energetici si studia ormai da più di vent'anni l'uso di polveri nanometriche di alluminio. Le applicazioni sono molto variegate: nell'ambito della propulsione aerospaziale si ricordano i razzi a propellente solido ed ibrido, ma si sono raggiunti importanti risultati anche per quanto riguarda l'esplosivistica e le reazioni termitiche. La scelta di polveri nanometriche di alluminio (al posto delle più comuni ed economiche micrometriche) porta sicuramente ad un incremento della reattività del materiale al costo, tuttavia, di una riduzione del contenuto metallico e ad un notevole incremento dei costi. Per risolvere questi problemi ed ottenere una polvere che sia al contempo reattiva, ad alto contenuto metallico ed economica, all'SPLab del Politecnico di Milano si indaga ormai da anni la possibilità di attivare meccanicamente tramite ball-milling ad alta energia la polvere micrometrica. I risultati ottenuti dalla polvere attivata meccanicamente mostrano chiaramente quanto questa tecnologia assicuri prestazioni vicine, se non addirittura superiori, a quelle della polvere nanometrica. Tuttavia, al momento è impensabile un utilizzo su larga scala di questo metodo, data la bassissima quantità di polvere prodotta ad ogni ciclo: frazioni di grammo o pochi grammi al massimo. L'obiettivo di questo lavoro è iniziare lo scale-up della tecnologia, massimizzando la polvere prodotta ad ogni ciclo nei limiti del macchinario disponibile attualmente. Per raggiungere questo obiettivo è stata messa a punto una nuova modellazione del problema, dai cui risultati si sono ottenute nuove idee verificate in seguito sperimentalmente, con l'obiettivo di assicurarsi che il miglioramento atteso fosse reale e di perfezionare ulteriormente il modello stesso. I risultati del lavoro indicano un innovativo e promettente percorso per lo scale-up della tecnologia, suggerendo un modello capace di predire le caratteristiche della polvere a valle del processo di attivazione meccanica.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/151667