Thermite for Demise (T4D): sintering and characterisation of energetic metal powder composites

The growing number of satellites in Low Earth orbit (LEO) has led to a significant increase in the amount of objects re-entering Earth's atmosphere. To reduce risks to people and property, design strategies are starting to be adopted to ensure the complete destruction of components during re-entry. This approach is based on the principle of Design for Demise (D4D). A promising D4D approach, called Thermite for Demise (T4D), involves integrating energetic, thermite-based materials into resilient components, to aid the natural heating caused by re-entry. Prior implementations using loose powders suffered from poor thermal transfer efficiency, while pelletized forms lacked structural integrity. This thesis work investigates the applicability of powder metallurgy for consolidating thermite into sintered metal matrix composites, a novel class of energetic structural materials. Fuel-rich thermite mixtures consisting of aluminium and various metal oxides (Fe2O3, Fe3O4, and WO3) were prepared and consolidated through uniaxial pressing and high-vacuum sintering. The resulting samples were examined using microscopy and subjected to mechanical and ignition tests. The results confirmed effective sintering, particularly with tungsten oxide (WO3), resulting in mechanical improvements over green compacts and visible diffusion bonding in the aluminium matrix. Measurements showed no significant densification, possibly due to excessive initial compaction and oxide phase transitions. Particle size distribution was critical to the success of the sintering process. Traditional hot-wire ignition techniques were ineffective due to the sintered matrix's high thermal conductivity. A new ignition methodology using electric self-heating enabled initiation and demonstrated the reactivity of the sintered thermite under relevant atmospheric conditions. These results confirm the viability of sintered thermite for future T4D systems that require both energetic properties and structural integrity.

L’incremento della popolazione satellitare in orbita bassa (LEO) ha comportato un aumento significativo del numero di oggetti che rientrano nell’atmosfera terrestre. Al fine di ridurre i rischi per la popolazione e le infrastrutture, si stanno iniziando ad adottare strategie di progettazione che garantiscano la completa distruzione dei componenti durante il rientro, secondo il principio del Design for Demise (D4D). Una soluzione D4D promettente, nota come Thermite for Demise (T4D), prevede l’integrazione di materiali energetici, a base di termite, all’interno di componenti particolarmente resistenti, con l’obiettivo di amplificare il naturale riscaldamento dovuto al rientro. Tuttavia, l’impiego della termite in forma di polvere libera ha evidenziato una bassa efficienza nel trasferimento termico, mentre la compattazione in pellet ha presentato carenze in termini di integrità strutturale. Questo lavoro di tesi indaga l’applicabilità della metallurgia delle polveri (P/M) per il consolidamento di termite in materiali compositi sinterizzati a matrice metallica (MMC), una forma innovativa di materiale strutturale energetico. Sono state preparate miscele di termite ricche di combustibile, a base di alluminio e diversi ossidi metallici (Fe2O3, Fe3O4, WO3), e consolidate mediante pressatura uniassiale e sinterizzazione in alto vuoto. I campioni ottenuti sono stati sottoposti ad osservazioni metallografiche, prove meccaniche e test di accensione. I risultati hanno evidenziato una sinterizzazione efficace, particolarmente nel caso del WO3, con miglioramenti meccanici rispetto ai compatti "green" e formazione di legami per diffusione nella matrice di alluminio. Le misure di densificazione si sono rivelate non conclusive, verosimilmente a causa dell’elevata compattazione iniziale e di transizioni di fase degli ossidi. La distribuzione granulometrica è risultata determinante per il buon esito del processo. L'accensione a filo caldo è risultata inefficace, a causa dell’elevata conducibilità della matrice sinterizzata. Nuove metodologie di accensione mediante auto-riscaldamento elettrico hanno invece consentito l’innesco, dimostrando la mantenuta reattività dei provini sinterizzati in condizioni atmosferiche rilevanti. Questi risultati confermano la potenziale applicabilità della termite sinterizzata in futuri sistemi T4D che richiedano sia proprietà energetiche che integrità strutturale.