Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10316/38997
Title: Metal oxide nanoparticle formation through detonation - modeling evaluation
Authors: Bastos, Luís Diogo dos Santos 
Orientador: Campos, José Leandro Simões de Andrade
Keywords: Prediction detonation products composition and properties,; Carbon; Alumina; Magnesia; Titania,; Zirconia; Powder Production; Thermodynamic Equilibria; Detonation calculations; Carbono; Alumina; Magnésia; Titania; Zircónica .; Produção de Nanopartículas; Equilíbrio Termodinâmico; Modelação e Previsão da Detonação
Issue Date: 15-Jul-2015
Place of publication or event: Coimbra
Abstract: The production of ceramics nanoparticles by detonation of metalized emulsions is an important alternative to the traditional metallurgic methods. The small size of the obtained particles (high pressure reaction), the reliability of reaction process (detonation), high temperature post-detonation particles formation with extremely fast cooling (due to the speed of adiabatic expansion of the gases), and the control of product condensed phase composition are the main advantages. This innovative emulsion detonation synthesis method (EDSM), can be included in either solid or gas-phase synthesis manufacturing process depending on the chosen conditions, and emerges as the most promising technique for the industrialization of the nanoparticles production. In this work, this production method is studied for metal oxide formation. These materials are chosen given its excellent properties, due to the combination of covalent and ionic links with strong chemical bonds, such as: high hardness and mechanical resistance at high temperature, high melting temperatures which allows good thermal and electric insulating applications and the exhibition of high chemical stability in hostile environment. These properties make these ceramic materials appropriate for several industrial applications. Metal oxide production from detonation can be predicted using Thermochemical Codes, in this case with THOR Code. For the modelling of this particles formation, the temperature of detonation is the most important parameter to know, as well as the products concentration, being these variables the focus of the modeling problem. Given this problem, the implementation of a thermal equation of state and energetic equation of state is essential in order to better define solid products. Therefore, it’s necessary to derive this equations for each phase of solid condensed species. In this work a Cowan & Fickett Thermal Equations of State and a Mie-Grüneisen approach with thermal contribution given by Debye model Energetic Equation of State are used to describe these solids. These equations are different and characterize more accurately the behavior of metal oxide particles (solid condensed phase) formation in Thor than the ones previously used (which represented metal oxide particles as a high density gas (Gordon McBride Polynomials)). The parameters used in this models are known only for common and wellstudied products, so the objective of this work was finding these parameters for Alumina, Zirconia, Titania and Magnesia, and simulate each one of this material formation. Before the metal oxide condensed specie formation analysis, a benchmark was made with Carbon condensed species formation, given its common and abundant presence in reactive mixtures formed in shock compressed energetic materials. The results comparison proved the validity of the models and methods used in the derivation of the parameters and the possibility of extrapolate them for other simulations. Multiple papers were studied and reviewed in order to derive this parameters for each material at a given phase. These equations were applied in Thor Database, which allowed the simulation of their formation and comparison with the previous method, proving the better accuracy in obtaining the Temperature and Pressure of Detonation, as well as the product concentration.
A produção de nanopartículas cerâmicas por detonação de emulsões metalizadas é uma alternativa importante aos métodos metalúrgicos tradicionais. O tamanho reduzido das partículas obtidas (reação a alta pressão), a fiabilidade do processo da reação (detonação), a formação de partículas em altas temperaturas na pós-detonação com arrefecimento rápido (devido à elevada velocidade de expansão adiabática dos gases) e o controlo da composição da fase condensada são as principais vantagens deste método. Este processo de fabricação inovador, Emulsion Detonation Synthesis Method (EDSM), pode ser definido como um processo de síntese em fase sólida ou gasosa, de acordo com as condições escolhidas, e destaca-se como uma técnica promissora na industrialização da produção de nanopartículas. Neste trabalho é analisada a produção de nanopartículas de Óxidos Metálicos por detonação. Estes materiais são escolhidos devido às suas excelentes propriedades, devido à coexistência de ligações iónicas e covalentes com fortes ligações, tais como: elevada dureza e resistência mecânica a temperaturas elevadas, altas temperaturas de fusão que permitem a sua introdução em aplicações de isolamento térmico e elétrico e ainda a elevada estabilidade química em ambiente adverso. Estas propriedades fazem destes materiais cerâmicos apropriados para diversas aplicações industriais. A produção de óxidos metálicos por detonação pode ser modelada através de programas termoquímicos, neste caso através do programa termoquímico THOR. Para a modelação da formação destas partículas, a temperatura de detonação é a variável mais importante de obter, tal como a concentração dos produtos, sendo considerados o principal objetivo de modelação. Por esta razão, a implementação de equações de estado (térmicas e energéticas) é essêncial, de modo a melhor definir os produtos sólidos. Assim, é necessário derivar estas equações para cada fase de material condensado nos produtos da detonação. Neste trabalho, são utilizadas as Equações Cowan & Fickett para a definição do estado térmico e uma abordagem Mie-Grüneisen com a contribuição térmica dada pelo modelo de Debye para a equação de estado energética, de modo a descrever os sólidos definidos. Estas equações caracterizam mais fielmente o comportamento da formação de partículas de óxidos metálicos (fase sólida condensada) no THOR do que as equações usadas previamente (que representavam as partículas como um gás de elevada densidade (Gordon McBride Polynomials)). Os parâmetros usados nestes modelos são conhecidos apenas para produtos extensamente estudados. Por este motivo, este trabalho centra-se na determinação destes parâmetros para a Alumina, Zircónica, Titania e Magnésia, simulando posteriormente a formação de cada um destes materiais através das equações definidas. Antes da análise da formação de óxidos metálicos na detonação foi realizado um estudo de referência através da formação de espécies condensadas de Carbono, dado o seu extenso estudo e a sua presença nos produtos de misturas reativas de materiais energéticos. A comparação destes resultados provou a validade dos modelos e métodos utilizados na derivação dos parâmetros, bem como a possibilidade de extrapolação para outras simulações. Foram analisados vários artigos com o objetivo de derivar os parâmetros referidos para cada material numa dada fase. Estas equações foram implementadas na base de dados do THOR, o que permitiu a simulação da sua formação e a comparação com os métodos anteriormente usados, provando uma melhor precisão na obtenção das temperaturas e pressões de detonação, bem como na previsão de concentração dos produtos.
Description: Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: https://hdl.handle.net/10316/38997
Rights: openAccess
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FCTUC Eng.Mecânica - Teses de Mestrado

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