Nanocomposites bore-polymères pour applications de carburants solides

Le bore est considéré un carburant de grand intérêt dans le domaine de l'industrie des matériaux énergétiques. Favorisée par sa haute enthalpie de combustion, qui dépasse celle de tous les autres métaux, l'utilisation du bore à titre de carburant est encourageante. Toutefois, les applications du bore comme carburant demeurent encore restreintes à cause de certaines difficultés particulières. Spécifiquement, l'existence d'une couche résiliente d'oxyde sur la surface des particules de bore affecte l'allumage et la combustion du métal. On remarque souvent que la valeur théorique de l'enthalpie d'oxydation du bore ne s'atteint pas complètement dans les applications de brûlage. Plusieurs recherches visant à résoudre ce problème se trouvent dans la littérature. L'alliage du bore à d'autres métaux et la fluorisation au lieu de l'oxydation sont des exemples de réussites récentes. Dans le cadre de ce projet de recherche, nous avons produit des nanoparticules de bore enrobées par un composé organique qui les protège de l'oxydation prématurée du métal. Ce nanocomposite de bore a été incorporé dans une formulation d'un GAP/propergol (GAP - polyazoture de glicydyl) visant à améliorer la performance énergétique du propergol. Des études de brûlage comparatives entre un GAP/propergol et le GAP/propergol enrichi par le nanocomposite de bore ont été réalisées afin de déterminer la contribution énergétique spécifique à l'inclusion de ce métal dans la composition à base de GAP. Le bore a effectivement contribué à augmenter l'énergie de combustion du nouveau carburant en libérant une importante quantité de chaleur (ca 45 kJ/g). Cependant, ces études sont préliminaires et le nombre d'essais n'a été pas assez élevé pour assurer une valeur précise de l'enthalpie de combustion du bore, qui devrait être plus proche de la valeur théorique de 58 kJ/g. Il faudra donc approfondir l'étude avec de nouvelles formulations de propergols en augmentent la masse de bore incorporée, pour ainsi augmenter la précision de la mesure de la quantité de chaleur libérée par l'inclusion du métal. Inévitablement, la réalisation de ce projet de recherche a contribué à l'avancement des connaissances sur le sujet. Effectivement, ce travail représente une étape importante dans la résolution de la problématique de brûlage du bore, ce qui mènera dans le futur à la production d'un propergol de haute performance énergétique.

Abstract

Boron is considered a fuel of great interest in the field of energetic materials. Because of its high enthalpy of combustion, that exceeds that of all other metals, the use of boron as a fuel is highly desirable. However, the exploitation of the high theoretical energy content of boron has been limited by a few undesirable properties of this metal. Among them, one notes the existence of a resilient oxide layer on the particle's surface, affecting its ignition and combustion. Much research seeking to resolve these problems has been conducted in the past. Examples of successful attempts include the creation of a boron alloy (with Titanium and Magnesium) and the use of fluoridation instead of oxidation. In this research project, nanoparticles of boron covered by an organic compound, which protects them from prematured oxidation, were produced. Those nanoparticles were incorporated into the formulation of a GAP binder (Glycidyl Azide Polymer) in order to increase the energetic performance of the propellant. Studies comparing the combustion of a regular GAP binder and a GAP binder enriched by the nanoparticles of boron produced by this research were conducted with the purpose of determining the metal's energetic contribution. The boron effectively contributed to the increase of the energy of combustion of the new fuel and liberated an important quantity of heat (ca 45 kJ/g). These studies were preliminary and the number of attempts was not sufficient to ensure a precise value of the enthalpy of combustion of boron, which is believed to be closer to the theoretical value of 58 kJ/g. It is necessary to conduct more experiments with new propellant formulations of higher boron content in order to obtain a more precise measure of its calorific value. This research project has contributed to the advancement of knowledge on the subject. It can be seen as an important step towards resolving the problem with boron combustion which will allow for the production of a propellant of high energetic performance.