Using mechanochemical treatment to obtain metal powders for energy-intensive combustible compositions. 2. Structure and reactivity of mechanically activated Al–modifier–SiО2 mixtures

The paper presents the results obtained when studying particles of aluminum-modifier-quartz composites by different physicochemical methods after mechanochemical treatment (MCT) in a planetary centrifugal mill. Graphite (C), polyvinyl alcohol (PVA) and stearic acid (SA) were used as modifiers. To increase the dispersibility of plastic metal powders in the composition (modifier metal), MCT was carried out in the presence of quartz with its mass fraction in the composite ranging from 5 to 20 %. The most significant grinding of aluminum particles was observed with an increase in the graphite content from 5 to 20 %, and SiO2 from 5 to 10 % in the composition of aluminum-modifier-quartz composites. The particle size decreases, while the crystallite size increases with an increase in the quartz content in the composite during the Al–SA–SiO2 system MCT. Al–SA–5%SiO2 showed the maximum defectiveness of aluminum after MCT. For the Al–PVA–SiO2 composition after MCT, an increase in the particle size and, accordingly, a decrease in the specific surface were observed at sufficiently low crystallite size values. It was shown that with an increase in the quartz content in the system, the defective crystal structure of aluminum particles increases as a result of MCT. In this case, the synthesized powder material is a composite formation of aluminum and quartz particles bound by a polymer obtained from polyvinyl alcohol. As a result of Al–modifier–SiO2 mixture MCT, powder activity increases due to the accumulation and redistribution of defects in aluminum particles, as well as changes in the surface structure occurring after modifying additives penetration into the oxide layer to be destroyed. A conceptual model for the transformation of the surface layer and subgrain structure of aluminum particles as a result of MCT is presented.

1. Гогуля М.Ф., Бражников М.А., Махов М.Н., Долгобородов А.Ю., Любимов А.В., Соколова И.Л. Влияние алюминия на метательную способность смесевых составов на основе штатных взрывчатых веществ. Хим. физика. 2012. Т. 31. No. 31. С. 33—66. Gogulya M.F., Brazhnikov M.A., Makhov M.N., Dolgoborodov A.Yu., Lyubimov A.V., Sokolova I.L. The effect of aluminum on the throwing ability of composite compounds based on standard explosives. Khimicheskaya fizika. 2012. Vol. 31. No. 31. P. 33—66 (In Russ.).

2. Хуан Х.Т., Цзоу М.Ш., Го С.Я., Ян Ж. Цз., Ли Ю.К. Эффективность реагирования алюминия в составе топлива для прямоточных гидрореактивных двигателей. Физика горения и взрыва. 2013. Т. 49. No. 5. С. 39—46. Khuan Kh.T., Tszou M.Sh., Go S.Ya., Yan Zh. Tsz., Li Yu.K. The effectiveness of the response of aluminum in the composition of the fuel for direct-flow hydro jet engines. Fizika goreniya i vzryva. 2013. Vol. 49. No. 5. P. 39—46 (In Russ.).

3. Де Лука Л.Т., Галфетти Л., Северини Ф., Меда Л., Марра Ж., Ворожцов А.Б., Седой В.С., Бабук В. А. Горение смесевых твердых топлив с наноразмерным алюминием. Физика горения и взрыва. 2005. Т. 41. No. 6. С. 80—94. De Luka L.T., Galfetti L., Severini F., Meda L., Marra Zh., Vorozhtsov A.B., Sedoi V.S., Babuk V.A. Combustion of composite solid fuels with nanoscale aluminum. Fizika goreniya i vzryva. 2005. Vol. 41. No. 6. P. 80—94 (In Russ.).

4. Абовян Л.С., Нерсисян Г.Н., Харатян С.Л. Активированное горение системы SiO2—Al—C и синтез композиционных порошков SiC/Al2O3. Физика горения и взрыва. 2000. Т. 36. No. 2. С. 51—55. Abovyan L.S., Nersisyan G.N., Kharatyan S.L. Activated combustion of the system SiO2—Al—C and synthesis of composite powders SiC/Al2O3. Fizika goreniya i vzryva. 2000. Vol. 36. No. 2. P. 51—55 (In Russ.).

5. Price E.W., Sigman R.K. Combustion of aluminized solid propellants. In: Solid propellant chemistry, combustion, and motor interior ballictic (Eds. V. Yang, T.B. Brill, W.Z. Ren). 2000. Vol. 185. P. 663—687.

6. Dreizin E.L. Experimental study of stages in aluminium combustion in air. Combust. Flame. 1996. Vol. 105. No. 4. Р. 541—556.

7. Dе Luса L.T., Gаlfеtti L., Соlоmbо G., Mаggi F., Bаndеrа А., Bаbuk V.А., Sinditskii V.P. Microstructure effects in aluminized sоlid rосkеt propellants. J. Propuls. Pоwеr. 2010. Vоl. 26. No. 4. P. 724—733.

8. Покалюхин Н.А. Смесевые энергоемкие материалы: Учеб.-метод. пос. Казань: КГТУ, 2008. Pokalyukhin N.A. Mixed energy-intensive materials: a teaching aid. Kazan’: Kazan. gos. tekhnol. univ., 2008 (In Russ.).

9. Heinicke G. Tribochemistry. Berlin: Akad. Verlag, 1984.

10. Ляхов Н.З., Талако Т.Л., Григорьева Т.Ф. Влияние механоактивации на процессы фазо- и структурообразования при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе. Новосибирск: Параллель, 2008. Lyakhov N.Z., Talako T.L., Grigor’eva T.F. The effect of mechanical activation on the phase and structure formation processes during self-propagating high-temperature synthesis. Novosibirsk: Parallel’, 2008 (In Russ.).

11. Уракаев Ф.Х., Шевченко В.С., Савинцев Ю.П. Изучение абразивно-реакционного взаимодействия минералов с материалом млеющих тел при их механохимической обработке. Химия в интересах устойчивого развития. 2005. No. 13. С. 455—459. Urakaev F.Kh., Shevchenko V.S., Savintsev Yu.P. Study of the abrasive-reaction interaction of minerals with the material of the glueing bodies during their mechanochemical processing. Khimiya v interesakh ustoichivogo razvitiya. 2005. No. 13. P. 455—459 (In Russ.).

12. Авакумова Е.Г. Фундаментальные основы механической активации, механосинтеза и механохимических технологий. Новосибирск: Наука, 2009. Avakumova E.G. Fundamental principles of mechanical activation, mechanosynthesis and mechanochemical technologies. Novosibirsk: Nauka, 2009 (In Russ.).

13. Лернер М.И., Глазкова Е.А., Ворожцов А.Б., Родкевич Н.Г., Волков С.А., Иванов А.Н. Пассивация нанаоразмерного порошка алюминия для применения в высокоэнергетических материалах. Хим. физика. 2015. Т. 1. С. 46—51. Lerner M.I., Glazkova E.A., Vorozhtsov A.B., Rodkevich N.G., Volkov S.A., Ivanov A.N. Passivation of nano-sized aluminum powder for use in high-energy materials. Khimicheskaya fizika. 2015. Vol. 1. P. 46—51 (In Russ.).

14. Стрелецкий А.H., Колбанев КВ., Борунова А.Б., Леонов А.В., Бутягин П.Ю. Механическая активация алюминия. 1: Совместное измельчение алюминия и графита. Коллоид. журн. 2004. Т. 66. No. 6. С. 811—818. Streletskii A.H., Kolbanev K.V., Borunova A.B., Leonov A.V., Butyagin P.Yu. Mechanical activation of aluminum. 1: Cogrinding of aluminum and graphite. Kolloidnyi zhurnal. 2004. Vol. 66. No. 6. P. 811—818 (In Russ.).

15. Стрелецкий А.Н., Колбанев И.В., Борунова А.Б., Бутягин П.Ю. Механическая активация алюминия. 3. Кинетика взаимодействия алюминия с водой. Коллоид. журн. 2005. Т. 67. No. 5. С. 694—701. Streletskii A.N., Kolbanev I.V., Borunova A.B., Butyagin P.Yu. Mechanical activation of aluminum. 3. The kinetics of the interaction of aluminum with water. Kolloidnyi zhurnal. 2005. Vol. 67. No. 5. P. 694—701 (In Russ.).

16. Мофа Н.Н., Садыков Б.С., Баккара А.Е., Мансуров З.А. Особенности горения энергетических конденсированных систем с механоактивированными металлизированными композитами. Тр. 7-й Междунар. конф. «Космический вызов ХХI века» (SPАСЕ’2015). Севастополь, 2015. С. 61—63. Mofa N.N., Sadykov B.S., Bakkara A.E., Mansurov Z.A. Features of combustion of energy condensed systems with mechanically activated metallized composites. In: Proc. 7-th Inter. Conf. «Kosmicheskii vyzov XXI veka» (SPASE’2015). Sevastopol’, 2015. Р. 61—63 (In Russ.).

17. Trunоv M., Shоеnitz M., Drеizin Е. Ignitiоn оf аluminum pоwdеrs undеr diffеrеnt ехpеrimеntаl соnditiоns. Prоpеllаnts, Ехplоsivеs, аnd Pyrоtесhniсs. 2005. Vоl. 30. No. 1. P. 36—43.

18. Dе Luса L.T., Gаlfеtti L., Соlоmbо G., Mаggi F., Pаrаvаn С., Rеinа А., Dоssi S., Fаssinа M., Sоssi А. Mеtаl nаnоpоwdеrs: prоduсtiоn, сhаrасtеrizаtiоn, аnd еnеrgеtiс аppliсаtiоns. Gеrmаny: Wilеy—VHС, 2014.

19. Dоssi S., Pаrаvаn С., Mаggi F., Gаlfеtti L. Еnhаnсing miсrоmеtriс аluminum rеасtivity by mесhаniсаl асtivаtiоn. АIАА. 2015. P. 4206—4221.

20. Стрелецкий А.Н., Колбанев И.В., Трошин К.Я., Борисов А.А., Леонов А.В., Мудрецова С.Н., Артемов В.В., Долгобородов А.Ю. Структура и реакционная способность механоактивированных композицитов Mg(Al)/MoO3. Хим. физика. 2016. Т. 35. No. 7. С. 79—91. Streletskii A.N., Kolbanev I.V., Troshin K.Ya., Borisov A.A., Leonov A.V., Mudretsova S.N., Artemov V.V., Dolgoborodov A.Yu. Structure and reactivity of mechanically activated compositions of Mg(Al)/MoO3. Khimicheskaya fizika. 2016. Vol. 35. No. 7. P. 79—91(In Russ.).

21. Мансуров З.А., Мофа Н.Н., Шабанова Т.А. Механохимическая обработка, особенности структуры, свойств и реакционная способность СВС-систем на основе природных материалов. Ч. 1: Механохимический синтез высокодисперсных наноструктурированных систем на основе кварца. Инж.-физ. журн. 2013. Т. 86. No. 4. С. 793—800. Mansurov Z.A., Mofa N.N., Shabanova T.A. Mechanochemical treatment, structural features, properties and reactivity of SHS systems based on natural materials. Pt 1: Mechanochemical synthesis of highly dispersed quartz-based nanostructured systems. Inzhenerno-fizicheskii zhurnal. 2013. Vol. 86. No. 4. P. 793—800 (In Russ.).

22. Sadykov B., Sabayev Zh., Bakkara A., Deluca L., Mofa N., Mansurov Z. SH-synthesis of aluminosilicate ceramics: mechanochemical activation and regularities of combustion. Sci. Res. Abstr. Appl. Mineralogy & Adv. Mater. AMAM. 2015. Vol. 4. Р. 49.

23. Mansurov Z.A., Mofa N.N., Sadykov B.S., Sabaev Zh.Zh. SHS Production of heat-shield materials from minerals and residual products: influence of preliminary mechanochemical treatment and modifying agents. Int. J. SHS. 2016. Vol. 25. No. 3. Р. 166—172.

24. Смагин А.Г., Ярославский М.И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. М.: Энергия, 1970. Smagin A.G., Yaroslavskii M.I. Quartz piezoelectricity and quartz resonators. Moscow: Energiya, 1970 (In Russ.).

25. Aman S., Tomas J. Mechanoluminescence of quartz particles in stirred media mill. In: Proc. 4-th Inter. Conf. on Mechanochemistry and Mechanical Alloing. Germany, Braunschweig, 2003. P. 56—57.

26. Мофа Н.Н., Садыков Б.С., Баккара А.Е., Мансуров З.А. Получение механохимической обработкой металлических порошков для энергоемких горючих композиций. 1. Особенности структуры и состояния частиц порошков алюминия, полученных в результате механохимической обработки. Изв. вузов. Порошк. металлургия и функц. покрытия. 2018. No. 2. С. 13—22. Mofa N.N., Sadykov B.S., Bakkara A.E., Mansurov Z.A. Fabrication of metallic powders for energy-intensive combustible compositions by mechanochemical treatment. 1. Peculiarities of the structure and state of aluminum powder particles formed by mechanochemical treatment. Russ. J. Non-Ferr. Met. 2018. Vol. 59. No. 4. P. 450—457.

27. Волочко А.Т., Подболотов К.Б., Дятлова Е.М. Огнеупорные и тугоплавкие керамические материалы. Минск: Белорус. наука, 2013. Volochko A.T., Podbolotov K.B., Dyatlova E.M. Refractory and refractory ceramic materials. Minsk: Belorus. nauka, 2013 (In Russ.). 28. Wаtsоn Е.S. А diffеrеntiаl sсаnning саlоrimеtеr fоr qааntitаtivе diffеrеntiаl thеrmаl аnаlysis. Аnаl. Сhеm. 1964. Vоl. 36. P. 1233—1238.

28. Duranti E., Sossi A., Paravan C., Deluca L.T., Vorozhtsev A.B., Gromov A.A., Lerner M.I., Rodkevich N.G., Savin N. Nanosized aluminum powders as energetic additives for hybrid propulsion: physical analyses and performance tests. In: Proc. 21-st AIDAA Congr. Italy, Venice, 2011.

29. Mаnsurоv Z.А., Mоfа N.N., Sаdykоv B.S., Shаbаnоvа T.А. Асtivаtiоn оf thе tесhnоlоgiсаl соmbustiоn prосеss оf охidе systеms by diffеrеnt mоdifying аdditivеs. Аdv. Сеrаm. Sсi. Еng. 2013. Vоl. 2. No. 3. Р. 106—112.