Forskare från den amerikanska armén och toppuniversitet upptäckte ett nytt sätt att få ut mer energi ur energirika material som innehåller aluminium, vanligt i slagfältssystem, genom att antända aluminiummikronpulver belagda med grafenoxid.

Denna upptäckt sammanfaller med en av arméns moderniseringsprioriteringar:Long Range Precision Fires. Denna forskning kan leda till förbättrad energiprestanda hos metallpulver som drivmedel/explosiva ingredienser i arméns ammunition.

Prisad som ett mirakelmaterial, grafen anses vara det starkaste och lättaste materialet i världen. Det är också det mest ledande och transparenta, och dyr att producera. Dess applikationer är många, utvidgas till elektronik genom att möjliggöra bärbara datorer med pekskärm, till exempel, med lysdiod, eller LCD, eller i organisk ljusemitterande diod, eller OLED-skärmar och medicin som DNA-sekvensering. Genom att oxidera grafit är det billigare att massproducera. Resultatet:grafenoxid (GO).

Även om GO är ett populärt tvådimensionellt material som har väckt stort intresse inom många discipliner och materialtillämpningar, denna upptäckt utnyttjar GO som en effektiv lättviktstillsats för praktiska energitillämpningar med aluminiumpulver i mikronstorlek (μAl), dvs. aluminiumpartiklar en miljondels meter i diameter.

Forskargruppen publicerade sina resultat i oktoberupplagan av ACS Nano med samarbete från RDECOM Research Laboratory, arméns företagsforskningslaboratorium (ARL), Stanford University, University of Southern California, Massachusetts Institute of Technology och Argonne National Laboratory.

Detta nya publicerade arbete signalerar en början vid ARL för utvecklingen av funktionaliserade partiklar som ny energi under flera nya hävstångsprogram ledda av Drs. Chi-Chin Wu och Jennifer Gottfried. ARL leder gemensamma vetenskapliga ansträngningar med University of Tennessee, Texas Tech University, Arméforskning, Utvecklings- och ingenjörscentrum i Picatinny, N.J., och med Air Force Research Laboratory som etablerar en ny forskningsväg för att utveckla överlägsna nya metalldrivmedel/explosiva ingredienser för att skydda fler liv för arméns krigsfighters.

"Eftersom aluminium (Al) teoretiskt kan frigöra en stor mängd värme (så mycket som 31 kilojoule per gram) och är relativt billigt på grund av dess naturliga överflöd, μAlpuder har använts i stor utsträckning i energitillämpningar, sade Wu. Men de är mycket svåra att tända av en optisk blixtlampa på grund av dålig ljusabsorption. För att förbättra ljusabsorptionen av mAl under antändning, det är ofta blandat med tungmetalloxider som minskar den energiska prestandan, " sa Wu.

Al-pulver i nanometerstorlek (dvs. en miljarddels meter i diameter) kan antändas lättare av en optisk blixtlampa med stor yta för att frigöra värme i mycket snabbare takt än vad som kan uppnås med konventionella enpunktsmetoder såsom hotwire-tändning. Tyvärr, nanometerstora Al-pulver är mycket dyra.

Teamet visade värdet av μAl/GO-kompositer som potentiella drivmedel/explosiva ingredienser genom ett forskningssamarbete ledd av professor Xiaolin Zheng vid Stanford University och med stöd av ARL:s Dr Chi-Chin Wu och Dr Jennifer Gottfried. Denna forskning visade att GO kan möjliggöra effektiv tändning av μAl via en optisk blixtlampa, frigör mer energi i en snabbare takt, vilket avsevärt förbättrar μAls energiprestanda utöver det för det dyrare nanometerstora Al-pulvret. Teamet upptäckte också att antändning och förbränning av μAl-pulver kan kontrolleras genom att variera GO-innehållet för att uppnå önskad energiproduktion.

Bilder som visar strukturen hos μAl/GO-kompositpartiklarna erhölls genom högupplöst transmissionselektron (TEM) mikroskopi utförd av Wu, en materialforskare som leder plasmaforskningen för Energetic Materials Science Branch i Lethality Division av Weapons and Materials Research Directorate vid ARL. "Det är spännande att med våra egna ögon genom avancerad mikroskopi som TEM se hur en enkel mekanisk blandningsprocess kan användas för att snyggt slå in μAl-partiklarna i ett GO-ark, sa Wu.

Förutom att demonstrera förbättrade förbränningseffekter från optisk blixtlampuppvärmning av μAl/GO-kompositerna av Stanford-gruppen, Gottfried, en fysikalisk forskare vid ARL, visade att GO ökade mängden μAl som reagerar på mikrosekunders tidsskalan, dvs. en miljondels sekund en regim analog med frigörandet av explosiv energi under en detonationshändelse. Vid initiering av μAl/GO-kompositen med en pulsad laser med en teknik som kallas laserinducerad luftchock från energetiska material (LASEM), de exoterma reaktionerna av μAl/GO accelererade den resulterande laserinducerade chockhastigheten utöver den för ren μAl eller ren GO. Enligt Gottfried, "μAl/GO-kompositen har således potential att öka den explosiva kraften hos militära formuleringar, in addition to enhancing the combustion or blast effects." As a result, this discovery could be used to improve the range and/or lethality of existing weapons systems.