ESTUDO DA REAÇÃO AL/NiO E AL/Ni PARA APLICAÇÃO EM INFLAMADORES NÃO PIROTÉCNICOS

Abstract

Mixtures of thermites and metals at the micrometric level as well as at the nanometric level are currently widely studied, due to their high energy density, high flame temperature and low quantities of gases released, making these mixtures more environmentally friendly, compared to classical pyrotechnic substances. Thus, the objective of this work was to develop a non-pyrotechnic igniter, characterizing and choosing the most appropriate electrical bridge and characterizing the mixtures of thermites, Al and NiO, and the metal/metal mixtures of Al and Ni. Four metallic wires were characterized in terms of the energy released as a function of the electrical voltage applied with the help of an electrical circuit (RC – resistance, capacitor) in series. The metallic wires trained to be an electrical bridge for the igniter were Kanthal D, tungsten (W) with a diameter of 0.05 mm, W with a diameter of 0.10 mm and W with a diameter of 0.25 mm. The length (l) of the metal bridges was 2, 5, 10 and 15 mm. A 2 mm bridge of 0.05 W diameter released a smaller amount of energy of 0.111 J, and a 10 mm bridge of 0.10 mm diameter released a greater amount of energy of 3.662 J. However, we chose to This is because it uses igniters with a diameter of 0.05 mm and l equal to 5 mm, to release sufficient energy to start the mixtures and because they are simpler to construct, achieving a better electrical resistance compared to a smaller one. The mixtures of Al and NiO, as well as Al and Ni, were prepared in ratio of 2:3 and 1:1 respectively, by three mixing methods, manual mortar, magnetic stirrer, and planetary mixer with the intention of obtaining different levels of homogeneity and reach nanometric particles, starting from micrometric particles. The particle size distribution (PSD) technique confirmed the decrease in the average particle size for the mixtures prepared by planetary mixing, while, using the SEM/EDX technique (scanning electron microscopy/ energy dispersive x-ray spectrometry) aggregates were observed. The ease of aggregation of the particles presented in the mixtures was confirmed by the Z potential technique. From the thermograms obtained by DSC/TGA (differential scanning calorimetry/thermogravimetric analysis), the lack of differences between the mixing methods used is visible. For the thermite mixtures, the activation energy (Ea) was successfully determined and was 241.79, 230.96 and 141.25 for the mixing methods, manual mortar, magnetic stirrer, and planetary mixer. On the other hand, the Ea for the Al and Ni mixture was impossible to determine. The initiation of compacts with a diameter of 5 mm and a thickness of 3 mm was successful with the chosen W bridge igniter and applied electrical transfers greater than 35 V. However, the initiation of compacts with the same characteristics was not possible for the mixtures of Al and Ni. The non-pyrotechnic igniter with a metal bridge with a diameter of 0.05 mm and l equal to 5 mm and an Al and NiO compact initiated the used fuse cords, triggering an initiation chain and achieving the objective of this work.

As misturas de termite e de metais a nível micrométrico assim como, a nível nanométrico, são atualmente muito estudadas, devido à elevada densidade de energia que possuem, elevada temperatura de chama e baixa quantidades de gases libertadas tornando estas misturas mais sustentáveis com o meio ambiente em comparação com as substâncias pirotécnicas clássicas. Assim, o objetivo deste trabalho foi desenvolver um inflamador não pirotécnico, caraterizando e escolhendo a ponte elétrica mais adequado e caraterizando as misturas de termite, Al e NiO, e as misturas metal/metal de Al e Ni.Quatro fios metálicos foram caraterizados quanto a energia libertada em função da tensão elétrica aplicada com a ajuda de um circuito elétrico (RC – resistência, condensador) em série. Os fios metálicos estudados para serem a ponte elétrica do inflamador, foram de Kanthal D, tungsténio (W) de diâmetro de 0,05 mm, W de diâmetro de 0,10 mm e W de diâmetro de 0,25 mm. O comprimento (l) das pontes metálicas estudadas foi de 2, 5, 10 e 15 mm. A ponte de 2 mm de W de diâmetro de 0,05 libertou a menor quantidade de energia 0,111 J, e a ponte de 10 mm diâmetro de 0,10 mm libertou a maior quantidade de energia de 3,662 J. Contudo, optou-se por utilizar inflamadores de W de diâmetro de 0,05 mm de l igual a 5 mm, por libertar energia suficiente para iniciar as misturas e por serem mais fáceis de construir, atingindo-se uma resistência elétrica melhor em comparação com um l menor.As misturas de Al e NiO assim como Al e Ni, foram preparadas em proporções de 2:3 e 1:1 respetivamente, por três métodos de mistura, almofariz manual, agitador magnético, e misturadora planetária com a intenção de obter diferentes níveis de homogeneização e chegar a partículas nanométricas, partindo de partículas micrométricas. A técnica de distribuição de tamanho da partícula (PSD – Particle size distribution) confirmou a diminuição do tamanho médio das partículas para as misturas preparadas por misturadora planetária, enquanto que, pela técnica SEM/EDX (scanning electron microscopy/ energy dispersive x-ray spectrometry) observou-se agregados de tamanho particular superior. A facilidade de agregação das partículas presentas nas misturas estudadas, foi confirmado pela técnica de potencial Z. Pelos termogramas obtidos por DSC/TGA (differential scanning calorimetry/ thermogravimetric analysis), é visível a falta de diferenças entre os métodos de mistura utilizados. Para as misturas de termite a energia de ativação (Ea) foi determinada com sucesso e foi 241,79, 230,96 e 141,25 para os métodos de mistura, almofariz manual, agitador magnético e misturadora planetária. Por outro lado, a Ea para a mistura Al e Ni foi impossível determinar. A iniciação de pastilhas de 5mm de diâmetro e 3 mm de grossura da termite, foi bem-sucedida pelo inflamador de ponte de W escolhido e tensões elétricas aplicadas superiores a 35 V. Contudo a iniciação de pastilhas com as mesmas caraterísticas não foi possível para as misturas de Al e Ni.O inflamador não pirotécnico com ponte metálica de W de diâmetro de 0,05 mm de l igual a 5 mm e pastilha de Al e NiO iniciou os cordões rastilhos utilizados, desencadeando uma cadeia de iniciação e atingindo o objetivo deste trabalho.