Investigation of ESD sensitivity in energetic materials: mathematical models and experimental design

In recent years, the space sector has conducted increasing research on energetic materials, which are compositions capable of releasing significant amounts of energy. Among the most versatile energetic materials are thermites, whose chemical composition consists of a fuel and an oxidizer that can be fine-tuned to achieve specific performance characteristics, such as high flame temperature. This makes them useful for applications in completely oxygen-free environments. To ensure safe and reliable use, it is essential to conduct thor- ough characterization of energetic materials and their high sensitivities to stimuli such as heat, friction, and electrostatic discharge (ESD). The completion of the design of an ESD machine, which was developed over the last three years in the Space Propulsion Laboratory of Politecnico di Milano (SPLab), was accompanied by research on statistical models necessary for reliable and repeatable testing. An algorithm was implemented to perform uncertainty analysis of testing machines and to define the framework of future experimental campaigns. Activated micrometric mixtures of Al/WO3, Al/Bi2O3, and Al/MoO2 were prepared and tested using the ESD machine. The Gaussian distribution model, based on mean and standard deviation computed through the Bruceton method, was found to be not fully reliable in representing the sensitivities of energetic materials. Conversely, Weibull distributions were found to be more versatile and a suitable alterna- tive. Two fixed sample designs based on the Weibull distribution (e.g. the Weibull-Model) were successfully implemented to analyse experimental results and estimate the probabil- ity of thermite ignition related to ESD sensitivity. Further improvements to the previous configuration of the ESD machine were made, and a secondary experimental campaign was carried out. The Weibull-Model proved effective in highlighting the difference in ESD sensitivity estimation between the two sample populations.

Negli ultimi anni, il settore spaziale ha condotto sempre più ricerche sui materiali en- ergetici, dei composti capaci di rilasciare notevoli quantità di energia. Tra i materiali energetici più versatili si trova la termite, la cui composizione chimica è composta da un combustibile e un ossidante che possono essere ottimizzati per ottenere specifiche carat- teristiche di prestazione, come ad esempio alte temperature di fiamma. Ciò li rende utili per applicazioni in ambienti completamente privi di ossigeno. Per garantire un uso sicuro e affidabile, è essenziale condurre una caratterizzazione chimica e fisica accurata dei ma- teriali energetici, come anche della loro elevata sensibilità a stimoli come calore, attrito e scariche elettrostatiche denominate ESD. Il completamento del design dell’apparato per testare ESD, sviluppato gli ultimi tre anni nel Space Propulsion Laboratory del Politec- nico di Milano (SPLab), è stato accompagnato alla ricerca di modelli statistici necessari per effettuare test affidabili e ripetibili. È stato inoltre implementato un algoritmo per effettuare l’analisi dell’incertezza di macchine di prova per definire il framework di future campagne sperimentali. Miscele micrometriche attivate di termite (Al/WO3, Al/Bi2O3 e Al/MoO2) sono state preparate e testate utilizzando l’apparato. Il modello sulla dis- tribuzione gaussiana, basate sulla media e sulla deviazione standard calcolate attraverso il metodo Bruceton, è risultato inadatto a rappresentare le sensibilità dei materiali ener- getici. Al contrario, la distribuzione di Weibull è risultata più versatile e perciò valida alternativa. Due modelli di campionamento fisso basati sulla distribuzione di Weibull (fra cui il Weibull-Model) sono stati implementati con successo per analizzare i risultati speri- mentali e stimare la probabilità di accensione della termite in seguito a ESD. Una seconda campagna sperimentale è stata condotta in seguito ad ulteriori miglioramenti apportati alla precedente configurazione dell’apparato per testare ESD del SPLab. Il modello di Weibull si è dimostrato efficace nel mettere in evidenza la differenza nella stima della sensibilità ESD tra le due popolazioni di campioni.