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美国陆军发现提高金属粉末在弹药中的性能石墨烯,激光诱导石墨烯纳米发电机为可穿戴材料提供动力

日期: 2020-01-07 10:44 浏览次数 : 167

[本站2019年1月3日综合报道]美国陆军和顶尖大学研究人员发现一种新方法:通过点燃涂有氧化石墨烯的微米级铝粉末,提升作战系统中含有铝元素的含能材料所释放出的能量。这项研究与美国陆军“远程精确火力”高优先级、现代化项目需求相契合,将能够提升美国陆军弹药中作为推进剂或炸药成分的金属粉末所释放的能量效能。石墨烯是高强度、轻质、导电性和透明性俱佳的军事前沿材料,制备成本较高。而氧化石墨烯制备成本更低,适合大量制造。当前GO作为二维材料,在多个学科和材料应用领域备受关注,而这项研究挖掘了GO作为有效的轻质添加剂,用于使用微米级铝粉的实际能量应用。研究小组在2018年10月份《美国化学学会纳米杂志》上发表了他们的研究成果,合作机构包括美国陆军研发与工程司令部研究实验室、陆军企业研究实验室、斯坦福大学、南加州大学、麻省理工学院以及阿贡国家实验室。这预示着ARL研发功能性颗粒作为新能量的多个项目的开端。在ARL引领下,多个研究机构、大学合作共同开辟出一条发展优质的新型金属推进剂/炸药成分,提升陆军战斗力的新途径。研究人员表示,由于铝理论上可以释放大量的热量,且地球上含量很丰富,获取成本低。因此,uAl已广泛应用于能量领域。但uAl光吸收能力较差,难以被光学闪光照射器点燃,为提升点火过程中铝粉末的光吸收能力,通常使用掺入重金属氧化物的方法,但这将降低混合物的能量效能。此外,纳米级铝粉末容易通过广域光学闪光照射器点燃,释放热量速率较传统单点火方法更快,但纳米级铝粉末非常昂贵。该研究展示了uAl/GO复合材料作为推进剂/炸药成分的潜在价值。研究表明,GO能够通过光学闪光照射器成功点燃uAl,与使用更昂贵的纳米级铝粉末相比,释放能量速度更快,从而显著提升uAl的能量效能。该团队还发现,通过改变GO含量可以控制uAl粉末的点燃和燃烧过程,以实现所需的能量输出。显示uAl/GO复合粒子结构的图像可通过高分辨率透射电子显微镜获得。通过先进TEM显微镜,研究人员能够看到使用简单的机械混合工艺,可将uAl颗粒很好地包裹在GO片材中。除了演示uAl/GO复合材料在光学闪光照射器加热下能够增强燃烧效果外,研究团队还演示了GO在微秒时间尺度上,能够增加uAl反应量。采用含能材料激光诱导空气冲击技术,通过脉冲激光诱导Al/GO复合材料时,Al/GO的放热反应加速了激光诱导冲击速度,使之超过纯Al或纯GO的速度。综上,uAl/GO复合材料可能增加制剂的爆炸力,同时增强燃烧或爆炸效果,从而可用于提升现有武器系统的射程或杀伤力。

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[据美陆军研究实验室官网2018年6月7日报道] 美国陆军研究实验室和得克萨斯理工大学的研究人员制备出一种由TNT和新型纳米铝颗粒组成的新型炸药,可显著提升毁伤效能,这一突破性发现将扩大美军在战争中的战斗火力范围。 在炸药制备过程中,研究人员首先制备出一种新型纳米铝颗粒,并使用六水合碘酸铝取代氧化铝薄膜包覆在纳米氧化铝表层形成核壳结构。在核壳结构中,包覆在纳米氧化铝表层的六水合碘酸铝薄膜可有效地阻止晶态铝核的氧化,从而可最大限度地避免纳米铝颗粒活性的损失。然后,研究人员将上述具有核壳结构的纳米氧化铝添加到TNT炸药中即得新型高能炸药。激光诱导空气冲击波实验证实,由于独特的形态特征和新颖的核壳结构,炸药的爆速提升了30%,爆炸性能得以显著提升。 美陆军实验室披露,利用铝纳米颗粒提升常规军用炸药的爆轰性能显示了巨大前景,这项革命性的研究成果为在炸药配方中添加铝及其他金属纳米颗粒提供了潜在可能,有助于实现扩大美国陆军武器系统杀伤范围和提升其毁伤性能的目的,这也是美陆军“远程精确火力”现代化项目进程中的一个关键指标。

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据本报记者了解到,近日,美国陆军的研究人员与RDECOM实验室、陆军企业研究实验室、斯坦福大学、麻省理工学院、南加州大学和阿贡国家实验室合作,发现了一种方法,通过点燃涂有氧化石墨烯的微米铝粉末,从战场系统中常见的含铝高能材料中可获取更多能量。这项研究可以提高金属粉末在陆军弹药中作为推进剂/爆炸成分的性能。

作者:Rice University

这一发现利用氧化石墨烯作为一种有效的轻质添加剂,而在实际的高能应用中通常使用微米尺寸的铝粉,即直径为百万分之一米的铝颗粒。

从运动中获取能量的可穿戴设备不是一个新想法,但是莱斯大学制造的一种材料可能会使它们更实用。

“因为铝理论上可以释放大量的热量,并且由于其储量丰富而相对便宜,因此微米级的铝粉已被广泛用于高能量应用,”该团队表示。然而,由于铝粉光吸收差,它们很难被光学闪光灯点燃。为了改善点火期间铝粉的光吸收,经常需要与重金属氧化物混合,这降低了能量性能。

化学家詹姆斯·图尔的莱斯实验室已经将激光诱导石墨烯应用于小型、无金属的发电设备中。就像在头发上摩擦气球一样,将LIG复合材料与其他表面接触会产生静电,可用于为设备供电。

纳米Al粉末可以更容易用广域光闪光灯点燃,释放热量的速度比传统的单点火方法要快得多。不幸的是,纳米Al粉末非常昂贵。

由于摩擦生电效应,材料通过接触而聚集电荷。当它们组合在一起然后分开时,表面电荷就会积聚起来,从而可以通过管道输送到发电站。

该小组展示了Al/GO复合材料作为潜在推进剂/炸药成分的价值。本研究表明,GO可以通过光闪光灯有效地点燃Al粉,以更快的速度释放更多的能量,从而大大提高Al的高能性能,而不需用昂贵的纳米Al粉末。研究小组还发现,可以通过改变GO含量来控制铝粉的点火和燃烧,以达到预期的能量输出。

在实验中,研究人员将折叠的LIG条与一系列发光二极管连接起来,发现敲击该LIG条产生的能量足以让它们闪光。一块更大的LIG嵌入触发器中,让佩戴者每走一步都能产生能量,因为石墨烯复合材料与皮肤的反复接触会产生电流来给一个小电容充电。

除了斯坦福小组展示光闪光灯加热Al/GO复合材料增强燃烧效应外,ARL的物理科学家戈特弗里德博士还证明,GO增加了Al在微秒刻度上的反应量,即百万分之一秒-这一制度类似于爆轰事件期间释放的爆炸能量。利用激光诱导高能材料空气冲击技术,用脉冲激光引发Al/GO复合材料时,Al/GO的放热反应加速了激光诱导冲击速度超过纯Al或纯GO的速度。戈特弗里德说,“因此,Al/GO复合材料除了增强燃烧或爆炸效应之外,还具有增加军用配方的爆炸威力的潜力。”因此,这一发现可用于提高现有武器系统的射程和杀伤力。

图尔说:“这可能是一种给小型设备充电的方法,只需在行走过程中使用脚后跟撞击的多余能量,或者在躯干上摆动手臂。”

铝热剂

该项目在美国化学学会杂志ACS Nano上有详细介绍。

铝热剂是铝粉和难熔金属氧化物的混合物。常见铝热剂是铝粉和三氧化二铁粉末按比例配成呈粉红色的混合物,当用引燃剂点燃,反应猛烈进行,得到氧化铝和单质铁并放出大量的热,温度可到2500℃,并发出耀眼的光芒,能使生成的铁熔化。铝热剂是铝热反应的重要成分,铝热反应在轨道焊接等高温户外作业中发挥重要作用。可用于引发一些需要高温的反应。

LIG是一种石墨烯泡沫,当化学物在聚合物或其他材料的表面被激光加热时,只留下二维碳的相互连接的薄片。该实验室首先在普通聚酰亚胺上制备了LIG,然后将该技术扩展到了植物、食品、处理过的纸张和木材。

实验室将聚酰亚胺、软木和其他材料制成了LIG电极,以观察它们产生的能量和抵抗磨损的能力。他们从摩擦电系列两端的材料中得到了最好的结果,这量化了他们通过接触带电产生静电荷的能力。

在折叠结构中,以三苯负性聚酰亚胺为原料,喷涂聚氨酯保护膜,并作为三苯正性材料。当电极结合在一起时,电子从聚氨酯转移到聚酰亚胺。随后的接触和分离驱动电荷,这些电荷可以通过外部电路存储,以重新平衡积聚的静电荷。折叠灯产生约1千伏电压,并在5000次弯曲循环后保持稳定。

最好的配置是由聚酰亚胺-LIG复合材料和铝制成的电极,产生的电压超过3.5千伏,峰值功率超过8毫瓦。

这篇论文的主要作者、莱斯大学博士后研究员迈克尔·斯坦福说:“嵌入触发器中的纳米发电机在行走1公里后能够在电容器上存储0.22毫焦耳的电能。”这种能量储存率足以为可穿戴传感器和电子设备提供人体运动动力。”

论文的合著者是莱斯大学研究生Yieu Chyan、Zhe Wang和本科生John Li、Winston Wang。Tour是T.T.和W.F.Chao的化学主席,同时也是莱斯大学计算机科学和材料科学和纳米工程教授。

空军科学研究办公室支持这项研究。