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Theses Year : 2021

New energetic materials based on nanoporous carbon filled with an oxidizing agent

Nouveaux matériaux énergétiques à base de carbone nanoporeux rempli d'agent oxydant

Abstract

This work explores a new family of energetic materials produced by filling the porosity of a nanoporous carbon acting as a reducing agent with a solid oxidizing agent. A new pore filling process by crystallization after solution contraction upon drying is proposed to efficiently fill the porosity of nanoporous carbons with solid oxidizing agents. It is shown that the efficiency of this process is highly dependent on both the nature of the oxidizing salt and the carbon, and that most of the oxidizing agent is selectively crystallized in pores of widths less than 4 nm, thus ensuring a homogeneous mixing of the oxidizing and reducing agent at the nanoscale. The concept is then demonstrated experimentally by proving the ability of nanoporous carbons filled with an oxidizing agent to detonate and by assessing their fundamental properties as energetic materials. In a heavy steel containment, it is demonstrated that a selected material is capable of detonating when initiated by a standard detonator, with measured detonation velocities ranging from 3000 to 4200 m/s for different densities and diameters of 6 to 10 mm. These properties are impressive for a composite energetic material with a very high fraction of solid decomposition products, indicating very fast dynamic decomposition kinetics favored by the nanoscale of the mixture. In conclusion, the concept of a new family of energetic materials based on nanoporous carbons filled with an oxidizing agent has been demonstrated in this work,opening new horizons in the path towards efficient, safe and non-toxic energetic nanomaterials with a wide spectrum of applications. The unique properties and versatility of nanoporous carbons, combined with the large number of degrees of freedom of the pore filling process developed in this work, further offer promising perspectives in this field.
Ce travail explore une nouvelle famille de matériaux énergétiques produits en remplissant la porosité d'un carbone nanoporeux agissant comme un agent réducteur avec un agent oxydant solide. Un nouveau procédé de remplissage des pores par cristallisation après contraction de la solution lors du séchage est proposé pour remplir efficacement la porosité des carbones nanoporeux avec des agents oxydants solides. Il est démontré que l'efficacité de ce procédé dépend fortement de la nature du sel oxydant et du carbone, et que la plus grande partie de l’oxydant est cristallisé sélectivement dans des pores de largeur inférieure à 4 nm, ce qui assure un mélange homogène de l'agent oxydant et de l'agent réducteur à l'échelle nanométrique. Le concept est ensuite démontré expérimentalement en prouvant la capacité des carbones nanoporeux remplis d’agent oxydant à détoner et en évaluant leurs propriétés fondamentales entant que matériaux énergétiques. Dans un confinement fort en acier, il est démontré qu’un matériau sélectionné est capable de détoner lorsqu'il est initié par un simple détonateur, avec des vitesses de détonation mesurées allant de 3000 à 4200 m/s pour différentes densités et des diamètres de 6 à 10 mm. Ces propriétés sont impressionnantes pour un matériau énergétique composite comportant une fraction très importante de produits de décomposition solides, ce qui dénote une cinétique de décomposition dynamique très rapide favorisée par l'échelle nanométrique du mélange. En conclusion, le concept d'une nouvelle famille de matériaux énergétiques basés sur des carbones nanoporeux remplis d'oxydants a été démontré dans ce travail, ouvrant de nouveaux horizons dans la voie vers des nanomatériaux énergétiques performants, sûrs et non toxiques avec un large spectre d'applications. Les propriétés uniques et la versatilité des carbones nanoporeux, combinées au grand nombre de degrés de liberté du procédé de remplissage des pores développé dans ce travail, offrent en outre des perspectives prometteuses dans ce domaine.
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tel-03956369 , version 1 (25-01-2023)

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  • HAL Id : tel-03956369 , version 1

Cite

Romuald van Riet. New energetic materials based on nanoporous carbon filled with an oxidizing agent. Material chemistry. Université d'Orléans; École Royale Militaire (Bruxelles), 2021. English. ⟨NNT : 2021ORLE3185⟩. ⟨tel-03956369⟩
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