Underwater Pressure Pulses Generated by Mechanically Alloyed Intermolecular Composites
Creators: name: Maines, Geoffrey C.
Publisher: name: Université d'Ottawa / University of Ottawa
Year: 2014
Subjects: Thermite
Nano-scale
Energetic Materials
Combustion
Underwater Explosion

description: Recently, the use of thermite-based pressure waves for applications in cellular transfection and drug delivery have shown significant improvements over previous technologies. In the present study, a new technique for producing thermite-generated pressure pulses using fully-dense nano-scale thermite mixtures was evaluated. This was accomplished by evaluation of a stoichiometric mixture of aluminium (Al) and copper(II)-oxide (CuO) prepared by mechanical alloying. Flame propagation speeds, constant-volume pressure characteristics and underwater pressure characteristics of both a micron-scale and mechanically alloyed mixture were measured experimentally and compared with conventional nano-scale thermites. It was determined that mechanically alloyed mixtures are capable of attaining flame propagation speeds on the same order as nano-scale mixtures, with flame speeds reaching as high as approximately 100 m/s. Constant-volume pressure experiments indicated that mechanically alloyed mixtures result in lower pressurization rates compared with conventional nano-scale mixtures, however, an improvement by as much as an order of magnitude was achieved compared with micron-scale mixtures. Thermochemical equilibrium predictions for pressures observed in constant-volume reactions were found to capture relatively well the equilibrium pressure for both low and high values of relative density. Generally, the predictions over-estimated the measured pressures by approximately 60%. Results from underwater experiments indicated that the mechanically alloyed samples produced peak shock pressures and waveforms similar to those for a nano-scale Al-Bi2O3 mixture reported by Apperson et al. (2008). In an effort to model the pressure signal obtained from the underwater reaction, calculations were performed based on the rate of expansion of the high pressure gas sphere. Predicted pressures were found to agree fairly well in terms of both the peak pressure and pressurization rate. The present study has thus identified the ability for mechanically alloyed thermite mixtures to produce underwater pressure profiles that may be conducive for applications in cellular transfection and drug delivery. Récemment, l'utilisation d'ondes de pression produite par des mélanges de thermite pour des applications dans la transfection cellulaire et l'administration de médicaments ont démontré des améliorations importantes par rapport aux technologies précédentes. Dans l'étude ci jointe, une nouvelle technique pour produire des impulsions de pression générée par un mélange thermite, soumit a de l'alliage mécanique, a été évaluée. Ceci a été accompli par l'évaluation d'un mélange stoechiométrique d' aluminium (Al) et de l'oxyde de cuivre(II) (CuO), préparé par mécanosynthèse. Les vitesses de propagation de la flamme, les caractéristiques de pression pour la combustion à volume constant et les caractéristiques de pression pour la combustion sous l'eau ont été mesurées expérimentalement et comparés avec les thermites conventionnel à l'échelle nano. Nous avons déterminé que les mélanges alliés mécaniquement sont capables d'atteindre des vitesses de propagation de flamme du même ordre que les mélanges à l'échelle nanométrique, atteignant jusqu'à environ 100 m/s. Les expériences de combusition à volume constant, indique que les mélanges alliés mécaniquement induit des taux de pressurisation inférieures à celles des mélanges de nano-échelle conventionnel, cependant, une amélioration de près d'un ordre de grandeur a été atteint par rapport aux mélanges d'échelle micronique. Prédictions thermochimiques des pression de compbustion se sont révélés capable de relativement bien saisir les valeurs observées dans les expériences à volume constant. En règle générale, les prévisions sur-estimé les pressions mesurées par environ 60%. Les résultats des expériences sous-marines ont indiqué que les échantillons alliés mécaniquement ont produit des pressions et des profils d'onde similaires à celles produit par un mélange de Al-Bi2O3 de nano-échelle, comme indiqué par Apperson et al. (2008). Pour modéliser les pressions obtenues dans les expériences sous-marines, des calculs basés sur le taux d'expansion de la bulle de gaz à haute pression ont été obtenus. Les pressions prédites ont été trouvés d'être relativement en accord avec la pression maximale et le taux de pressurisation observé. Cette étude a ainsi identifié la possibilité pour l'utilisation des mélanges de thermites alliés mécaniquement pour produire des profils de pression sous l'eau propices pour des applications de transfection cellulaire et l'administration de médicaments.