Experimental studies on the burning of coated and uncoated micro and nano-sized aluminium particles

Two different approaches are used in this work to reduce the burning times of aluminium particles with the ultimate goal to improve the performances of solid propellants. One method is to coat the micro-sized particles by nickel, and the second is to decrease the particle sizes to nano-metric scales.A thin coating of Ni on the surface of Al particles can prevent their agglomeration and at the same time facilitates their ignition, thus increasing the efficiency of aluminized propellants. In this work, ignition and burning of single Ni-coated Al particles are investigated using an electrodynamic levitation setup and laser heating of the particles. The levitation experiments are used to measure the particle ignition delay time and burning time at different Ni contents in the particles.Decreasing the size of Al particles increases their specific surface, and hence decreases the burning time of the same mass of particles. In this investigation, a cloud of Al nano-particles formed in a combustion tube is ignited by an electric spark. The cloud experiments are used to measure comparative flame front propagation velocities for different Al particle sizes with and without organic coating.The results and their analysis show that both methods reduce the Al burning time. Ni coating reduces significantly the ignition time of micro-sized Al particles and hence the total burning time compared to non-coated particles. Nano-sized particle clouds burn faster than micro-sized Al particle clouds.

RésuméDeux approches sont étudiées pour diminuer le temps de combustion des particules d'aluminium dans le but d'améliorer les performances des propergols solides. Il s'agit d'une part d'enrober les particules de tailles micrométriques dans une fine couche de nickel, et d'autre part, d'utiliser des particules d'aluminium de taille nanométrique.Une mince couche de nickel couvrant les particules d'Al permet d'empêcher leur agglomération et facilite leur allumage. Dans ce travail, l'allumage et la combustion des particules isolées d'Al enrobées dans du Nickel sont étudiés à l'aide du lévitateur électrodynamique du LCSR équipé d'un dispositif d'allumage par laser. Ce dispositif permet de déterminer les temps d'allumage et de combustion des particules en fonction de la composition du milieu gazeux environnant, la pression et le contenu en Nickel de la particule. Les expériences sont conduites notamment dans de l'air et le CO2 jusqu'à 40 bars et des pourcentages en Nickel de la particule de 0 à 15% en masse.Diminuer la taille des particules à des échelles nanométriques augmente leur surface spécifique et par conséquent diminue le temps de combustion d'une même masse d'Al. Dans cette étude, un nuage de nano particules d'Al est formé dans un tube de combustion et allumé par des électrodes. Ces expériences permettent de déterminer les vitesses comparatives de propagation du front de flamme en fonction de la taille des particules et de la nature de leur enrobage (alumine ou des matériaux organiques).Les résultats préliminaires et leurs analyses montrent que les deux méthodes permetent de réduire d'une façon significative les temps de combustion des particules de'aluminium.