Open-literature review on nano-aluminum combustion : fundamentals and experimental efforts

Aluminum particles are widely used for different propulsion and energy conversion applications due to their high energy density. There are different applications of Aluminum particles in which the combustion of micron-sized or nano-sized Aluminum particles is implemented. Gradually, the interest of the propulsion community in the combustion and application of nano-sized Aluminum particles is increased. The reason behind this interest is due to the drawbacks of the micron-sized Aluminum and the advantages of the nanosized Aluminum particles. Micron-sized Aluminum particles exhibit various drawbacks, such as high ignition temperatures, low energy release rates, low reactivity, particle agglomeration, and high melting temperatures. Thanks to their large specific surface area, nano-aluminum particles exhibit special and advantageous properties such as low ignition temperatures, high energy release rates, and low melting temperatures. In this work, a comprehensive review of experimental studies that are performed for nano-aluminum particles is provided. Firstly, an open-literature review that is about the experimental efforts that investigate the combustion behavior of nano-aluminum particles is provided. Combustion behaviors of nano and micron-sized Aluminum particles are also contrasted. Then, an open literature review about the usage areas of nano-aluminum is performed, and the performance obtained with nano and micron-sized Aluminum particles is contrasted for the corresponding usage areas. Moreover, an open-literature review of the studies that experimentally investigate the ignition behavior of nano-aluminum particles is performed. The ignition behaviors of nano and micron-sized Aluminum particles are also compared. In addition, a review is performed for the studies which experimentally determine the physicochemical properties of nano-sized Aluminum particles. The physicochemical properties of nano and micron-sized Aluminum particles are also compared. Lastly, an open literature review of the studies regarding the synthesis methods, passivation methods, and aging behavior of the nano-aluminum particles is conducted.

Grazie alla loro elevata densità di energia, le particelle di alluminio sono ampiamente utilizzate in diverse applicazioni per la propulsione e conversione di energia. Esistono diverse applicazioni delle particelle di alluminio in cui viene implementata la combustione di particelle di dimensioni micrometriche o nanometriche. L’interesse verso la combustione ed applicazione di particelle di alluminio di dimensioni nanometriche da parte della comunità scientifica attiva nell’ambito della propulsione è andata gradualmente aumentando nei primi anni 2000. La ragione di tale crescente interesse si ricollega agli svantaggi dell’alluminio di dimensioni micrometriche e, di contro, ai vantaggi delle particelle di dimensioni nanometriche. Le particelle di alluminio di dimensioni micrometriche presentano, infatti, vari inconvenienti, come alte temperature di ignizione, ratei di ossidazione relativamente bassi, bassa reattività, agglomerazione delle particelle in combustion nei propellenti/combustibili solidi. Al contrario, le nanoparticelle, a causa della loro superficie specifica piuttosto elevata, presentano proprietà particolarmente vantaggiose come basse temperature di ignizione, elevata velocità di rilascio di energia. Nel presente studio si fornisce una panoramica completa delle ricerche sperimentali eseguite sulle nanoparticelle di alluminio. Si fornisce, innanzitutto, una rassegna della letteratura disponibile sulle attività sperimentali incentrate sullo studio del comportamento di combustione delle nanoparticelle di alluminio. In secondo luogo, si fornisce una rassegna della letteratura sulle aree di utilizzo del nanoalluminio. Si offre, inoltre, una rassegna della letteratura circa le ricerche che indagano in maniera sperimentale il comportamento di ignizione delle nanoparticelle. Ancora, si procede ad una rassegna degli studi finalizzati a determinare sperimentalmente le proprietà fisico-chimiche delle particelle di alluminio di dimensioni nanometriche. Viene infine condotta una rassegna della letteratura circa gli studi riguardanti i metodi di sintesi, i metodi di passivazione e il comportamento all’invecchiamento delle nanoparticelle di alluminio.