Thermites are solid composites of metal and metal oxide which have large combustion enthalpy. From this property, they have been focused in military and industrial applications. Especially, composites of aluminum (Al) and copper oxide (CuO) are representative materials and have much higher combustion enthalpy than that of commercial explosive materials like TNT. However, it is observed that long delay for ignition and slow rate of energy release in micro-sized thermite. By introducing nano-sized Al and CuO, much vigorous combustion performance was achieved due to increased surface area and decreased activation energy for oxygen release from CuO. In this study, we investigated combustion characteristics of nano-Al/CuO composites for designing efficient thermite composites.
We studied off-stoichiometry phenomenon which is generally observed in various thermite materials. While theoretical ratio for the thermite reaction of Al and CuO is 2:3, our experiment results showed that the maximum pressurization rate is observed when more Al is provided, Through XRD and TEM analysis, it is found that unreacted Al NPs are capped with Cu layer after reaction. We attribute the deposition of Cu layer on the surface of Al NPs to the off-stoichiometry because some Al NPs are deactivated due to passivation of Cu layer. Based on our experimental data and conceptual interpretation, we proposed ignition mechanism Al/CuO composites.
We also studied the combustion behavior of Al nanoparticles (NPs) and CuO nanowires (NWs) com-posites. CuO NWs were synthesized by oriented attachment of $Cu(OH)_2$ NPs and dehydration process with calcination at $120^\circ C$. From electron microscopy images, it is found that synthesized CuO NWs have similar diameter regardless of the aging time. An X-ray diffraction analysis revealed that aspect ratio of CuO NWs are increased with extending aging time, while their domain size is nearly identical. It is shown that the max-imum pressurization rate of Al NPs/CuO NWs occurs when CuO NWs have a certain aspect ratio. This indi-cates that both the degree of mixing between Al and CuO and surface area of CuO NWs are relevant factors.
테르밋(Thermite)은 금속과 금속산화물 입자의 혼합물인 고에너지 물질로, 높은 연소엔탈피를 가지고 있어 폭발물 및 로켓의 추진제 등 군사적, 산업적 응용분야에 많은 주목을 받고 있다. 특히 알루미늄 (Al)과 산화구리 (CuO)의 혼합물이 대표적으로 사용되고 있으며 이 둘의 혼합물로써 얻는 연소엔탈피는 기존에 사용되던 TNT 등의 폭발물에 비해 월등히 크다. 마이크로 수준의 스케일에서는 연료로 사용된 금속의 응집현상으로 폭발까지의 긴 지연과 작은 에너지 방출속도가 관찰되었으나, 나노 수준의 입자들을 도입하면서 표면적의 증가와 활성화에너지의 감소로 인해 폭발능력이 크게 증가하였다. 이 연구에서는 효과적인 폭발성능을 보이는 Al/CuO 합성물 제작을 위해, nano-Al/CuO 합성물의 연소메커니즘과 1-D산화제의 형태가 합성물의 연소에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다.
먼저 테르밋 물질에서 보편적으로 나타나는 off-stoichiometry 현상에 대한 연구를 진행 하였다. 다양한 알루미늄 질량 비율을 갖는 Al/CuO 합성물을 제조한 뒤 pressure cell test를 통해 폭발능력을 평가하였고, 이론적 양론비 보다 많은 Al이 공급된 경우에 최대 폭발능력이 나타나는 off-stoichiometry 현상이 나타남을 확인하였다. XRD와 TEM 분석을 통해 폭발 후 반응하지 않고 남은 나노 Al입자 표면에 얇은 구리층이 증착된 것을 확인하였다. EDX mapping 결과 Al원소들은 주로 Al입자의 중심부에 위치하고 있으며 그 밖에 $Al_xCu_y$ 합금층이 존재하고 가장 바깥에 Cu층이 위치하는 것을 확인하였다. 특히, 구리층 밖에서는 Al원소가 검출되지 않아 Al원소들이 Cu층 바깥으로 방출되지 않은 것을 확인되었다. Cu층이 Al원소의 방출을 방해하는 것을 확인하기 위해 에너지 수지식으로부터 폭발과정 동안의 온도변화 동향을 조사하였다. 폭발과정에서 온도변화와 나노테르밋의 열전달에 관한 선행연구로부터, Cu층의 증착이 폭발전파보다 먼저일어남을 확인함으로써 반응전파 이전에 Cu층이 Al원소의 방출을 억제하는 것을 입증하였고, 이를 토대로 nano-Al/CuO 합성물의 폭발 메커니즘을 제시하였다.
다음으로, 1-D 산화제의 형태가 폭발특성에 미치는 영향에 대한 연구를 진행하였다. 액상에서 템플릿 없이 CuO 나노와이어를 합성하였으며, $Cu(OH)_2$ 나노입자에서 나노와이어로의 에이징기간을 조절함으로써 직경과 결정크기는 유사하면서 와이어의 종횡비만 다른 나노와이어들을 합성하였음을 SEM과 XRD분석으로부터 확인하였다. Al NPs과 종횡비가 다른 CuO NWs 혼합물의 폭발 거동을 pressure cell test를 통해 평가하였고, 에이징기간이 20분에서 1시간 30분 사이인 샘플과 1시간 30분 이후의 샘플에서 다른 경향이 나오는 것으로부터 서로 나노와이어의 다른 요인들이 함께 폭발거동에 영향을 미치는 것이 확인되었다. 먼저, 에이징 기간이 20분에서 1시간 30분 사이의 샘플에서는 종횡비가 커지면서 Al NPs과 CuO NWs 사이에 응집현상이 일어날 확률이 줄어 들게 되어 두 물질간의 접촉면적이 늘어나게 됨으로써 생성되는 압력의 양이 증가하였다. 다음으로 에이징기간이 1시간 30분 사이의 샘플에서는 종횡비의 증가로 같은 질량에서의 표면적의 감소가 생성되는 압력량 감소의 주된 원인이 된 것 같다. 따라서 에이징 기간이 1시간 30분인 지점에서 최대의 압력이 형성된 것은 종횡비 증가에 따른 두 물질 사이의 접촉면적의 증가와 표면적 감소라는 두 요인이 잘 균형을 이루기 때문에 나타난 것으로 보인다.
이 연구를 통해 나노수준의 Al/CuO 합성물의 연소메커니즘과 1-D산화제 형태가 연소특성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. 이 결과들을 토대로 보다 효율적인 폭발 특성을 보이는 나노테르밋을 설계할 수 있는 가능성을 제시하였다.
