Fast nanostructured thermites and their diagnostics

Nanoscale energetic materials are becoming more and more of interest in the present days, due to their high energy density and fast burning rates. In this framework, nanometric thermites can conjugate highly exothermic reactions and great tunability of the behavior, thus being appealing for a variety of applications. However, their extreme reactivity can be also source of hazards, due to accidental ignition. Therefore, experimental techniques to determine the initiation level, namely the sensitivity of a material, need to be implemented for a quantification of the risk. This dissertation treats the determination of the sensitivity of thermites, starting from the design of the experimental lines to the actuation of a test campaign. Two apparatuses were planned, for the evaluation of the impact and electrostatic discharge sensitivities. A robust design technique was implemented, supported by uncertainty studies based on both analytical and random sampling (Monte Carlo). This ensured proper applicability of the two devices for an experimental campaign based on up-and-down methods, that are commonly used for explosive characterization. The Bruceton statistical method was selected as foundation of the test sequences, and further studies were done to assess the uncertainty of the sensitivity estimation, investigating the extent of the coupling effects of the system, the number of experiments and the properties of the substance under analysis. The ESD machine was finally built and operated, gathering valuable data on micro-, nano- and activated thermites based on aluminum plus bismuth trioxide or copper oxide. The results confirmed the great sensitivity of both the nanosized and nanostructured powders, with the Bi2O3-based compositions that outscored the CuO-based ones. The effect of mechanical activation was found dependent on the composition, sometimes increasing or reducing the reactivity with respect to the nanometric compounds. This suggested that the choice of the oxidizer might be a coupled factor to be accounted for desensitization of thermites. In conclusion, it was confirmed that strict protocols were mandatory to ensure operational safety: this can have great repercussions on the way the powders have to be produced, stored and transported.

L'interesse verso materiali energetici dalle composizioni nanometriche sta crescendo sempre più in questo momento storico, grazie alla loro alta densità energetica e alle alte velocità di combustione. In questo contesto, le termiti nanometriche coniugano reazioni fortemente esotermiche alla estesa possibilità di modificare e personalizzare il loro comportamento, rendendole appetibili per una varietà di impieghi. Tuttavia, la loro elevata reattività può essere fonte di pericolo, soprattutto dovuto all'accensione accidentale. Pertanto, tecniche sperimentali per la determinazione della soglia di ignizione, nota come sensitività del materiale, sono necessarie per una quantificazione del rischio. Questa tesi tratta la stima della sensitività delle termiti, a partire dalla progettazione delle linee sperimentali fino all'attuazione di una campagna sperimentale. Due apparati sono stati pianificati, rispettivamente per la valutazione della sensitività agli impatti e alle scariche elettrostatiche. I dimensionamenti sono stati basati su tecniche di analisi robusta, sia con metodi analitici che con metodi fondati sul campionamento casuale (Monte Carlo). Ciò serve a garantire una propria applicazione degli apparati per una campagna sperimentale basata su metodi up-and-down, molto spesso usati per la caratterizzazione degli esplosivi. L'analisi statistica di Bruceton è stata assunta come fondamento delle sequenze dei test, e ulteriori studi numerici sono stati svolti per quantificare l'incertezza della stima della sensitività, dovuta agli effetti di accoppiamento di sistema, numero di esperimenti e variabilità della sostanza analizzata. Infine, l'apparato per lo studio del rischio elettrico `e stato assemblato e messo in funzione, permettendo la raccolta di dati molto utili su termiti micrometriche, nanometriche e attivate basate su alluminio più triossido di bismuto o ossido di rame. I risultati hanno confermato l'estrema sensitività delle polveri sia nanometriche che nanostrutturate, specialmente con le composizioni al Bi2O3 che hanno mostrato prestazioni superiori alle polveri con CuO. L'effetto dell'attivazione meccanica si è dimostrato dipendente dalla composizione, talvolta aumentando o riducendo la reattività rispetto ai composti nanometrici. Per la desensibilizzazione delle termiti, questo suggerisce che la scelta dell'ossidante potrebbe essere un fattore chiave accoppiato all'attivazione. In conclusione, è stata confermata la necessità di redigere protocolli stringenti per operare in sicurezza: ciò ha sicuramente grandi ripercussioni sul modo in cui queste polveri sono preparate, conservate e trasportate.