Reactivity characterization of nanometric and activated Al-based thermites

Thermites are pyrotechnic mixtures of metal powders and metal oxides that, when ignited, generate an exothermic oxidation-reduction reaction called also thermite reaction. The use of nano-sized particles instead of micro-sized ingredients decreases the mass transport limitations and increases reactivity of the thermite mixture, allowing an intimate contact between the fuel and oxidizer. In the years, challenges in dealing with nanoparticles arises, the focus is on aspects of handling, mixing and fabrication. To avoid some of the issues related to the use of nanomaterials, a new approach to the preparation of fast-burning thermites has been developed. It is a technique for the preparation of activated thermites starting from a mixture of standard micrometric particles. The materials thus produced, referred to as Mechanically Activated Energetic Composites (MAECs), are micro-sized powders, which can be handled using conventional techniques. The powder reactivity plays a key role. A complete characterization of thermite is important to obtain a correct modelling of the combustion. At the SPLab of Politecnico di Milano, this new type of thermite has been produced in high-energy ball mills (HEBM) and a new experimental set-up has been designed with the aim of measuring the ignition temperatures and the pressure pulse of the thermites. These are two important parameters to determine the reactivity of the material. A two color pyrometer, a microphone and a photodiode are chosen as instruments for the experimental campaign. Four different aluminum-based thermites are tested.

Le termiti sono miscele pirotecniche formate da un metallo in polvere e da un ossido metallico che possono generare una reazione di ossido-riduzione chiamata reazione termitica. In questi materiali, l’utilizzo di polveri nanometriche diminuisce le limitazioni del trasporto di massa ed aumenta il rateo di reazione e la reattività della miscela termitica, permettendo un maggior contatto tra combustibile ed ossidante. Negli anni sono sorte delle problematiche relative all’utilizzo di polveri nanometriche, in particolare riguardanti il loro trattamento, la loro miscelazione e la loro fabbricazione. Con il fine di evitare queste problematiche è stato sviluppato recentemente un nuovo approccio per la preparazione delle termiti. Tale tecnica permette la preparazione di termiti o materiali energetici attivati partendo da una miscela con particelle micrometriche capace di reagire esotermicamente. I materiali così prodotti, chiamati “Composti energetici Attivati Meccanicamente” (MAECs), sono polveri micrometriche che possono essere maneggiate usando tecniche convenzionali. La reattività della polvere ha un ruolo fondamentale. Allo SPLab del Politecnico di Milano sono state prodotte nuove tipologie di termiti sfruttando una nuova tecnica di attivazione meccanica ad alta energia (HEBM). Al fine di testare i nuovi materiali, è stata progettata una nuova linea sperimentale con lo scopo di misurare la temperatura di accensione ed il picco di pressione delle termiti prodotte. Questi sono due parametri importanti per determinare la reattività del materiale. Per condurre la campagna sperimentale si è fatto uso di un pirometro a 2 colori, un microfono ed un fotodiodo oltre che un apposito filo per consentire il riscaldamento e l’accensione delle polveri. Sono stati testati quattro differenti tipi di termiti a base di polvere di alluminio.