T.M. Tillotson et al- Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies

8
Nanostructured energetic materials using sol±gel methodologies T.M. Tillotson * , A.E. Gash, R.L. Simpson, L.W. Hrubesh, J.H. Satcher Jr., J.F. Poco Lawrence Livermore National Laboratory, Chemistry and Material Science Directorate, P.O. Box 808 L-092, Livermore, CA 94550, USA Abstract We have utilized a sol±gel synthetic approach in preparing nano-sized transition metal oxide components for new energetic nanocomposites. Nanocomposites of Fe 2 O 3 =Als, are readily produced from a solution of FeIII) salt by adding an organic epoxide and a powder of the fuel metal. These materials can be processed to aerogel or xerogel monolithic composite solids. High resolution transmission electron microscopy HRTEM) of the dried energetic nanocomposites reveal that the metal oxide component consists of small 3±10 nm) clusters of Fe 2 O 3 that are in in- timate contact with ultra ®ne grain UFG) 25 nm diameter Al metal particles. HRTEM results also indicate that the Al particles have an oxide coating 5 nm thick. This value agrees well with analysis of pristine UFG Al powder and indicates that the sol±gel synthetic method and processing does not signi®cantly perturb the fuel metal. Both qualitative and quantitative characterization has shown that these materials are indeed energetic. The materials described here are relatively insensitive to standard impact, spark, and friction tests, results of which will be presented. Qualitatively, it does appear that these energetic nanocomposites burn faster and are more sensitive to thermal ignition than their conventional counterparts and that aerogel materials are more sensitive to ignition than xerogels. We believe that the sol±gel method will at the very least provide processing advantages over conventional methods in the areas of cost, purity, homogeneity, and safety and potentially yield energetic materials with interesting and special proper- ties. Ó 2001 Published by Elsevier Science B.V. PACS: 81.20.Fw; 82.33.Ln 1. Introduction Energetic materials are substances that store energy chemically and are typically categorized as propellants, explosives, and pyrotechnics. Since the invention of black powder, over a thousand years ago, the technology for making solid energetic materials has remained largely unchanged. Their preparation typically involves either the physical mixing of solid oxidizers and fuels e.g., black powder) to produce a compos- ite, or the incorporation of oxidizing and fuel moieties into one molecule e.g., trinitrotoluene, TNT) to form a monomolecular energetic material. The basic distinctions between the composite and monomolecular approaches to obtain energetic Journal of Non-Crystalline Solids 285 2001) 338±345 www.elsevier.com/locate/jnoncrysol * Corresponding author. Tel.: +1-925 423 7925; fax: +1-925 423 4897. E-mail address: [email protected] T.M. Tillotson). 0022-3093/01/$ - see front matter Ó 2001 Published by Elsevier Science B.V. PII: S 0 0 2 2 - 3 0 9 3 0 1 ) 0 0 4 7 7 - X

Transcript of T.M. Tillotson et al- Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies

Page 1: T.M. Tillotson et al- Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies

������������ ���� ���� ��� �� �� ��������������� �

���� � ������� �� ���� ����� ���� � ������ ���� ��� ��� !��� ����� !���!�"� #��

�������� ������� �� ����� ������ ���� ����� �� ��� �� ����� ������� ����� ��� �� ���� ��� ��� � �!"�

�������� �# !$%%�� &�#

��������

� ��$ �� � %� � ������ �&���� ������� � ����� �� ����'� %� ����� � �� ���� �( � �������� )�� �*

���� ��������� ��� ��������� �� �) "+,-������� �� ��� �& ������ )��� � ����� �� �) ".///0 ���� &

��� �� �� ����� ��( � ��� � ��*�� �) �� )�� ����� ��� ���� ��� �� ������ �� ����� �� (����

����� �� ����� � ��� ��� � �� ������ �� ������ �� �� ����� � �����& .�����0 �) �� �� � ����

��������� �� �$�� ���� �� ���� �( � ������� ��� ��� �) ����� .-�12 ��0 ������ �) "+,- ���� �� � �'

� ��� ����� * �� ����� 3� ��� � .4"�0 �+5 �� � ���� �� ���� ���� ��� ����� ������ ���� �� �� ���� ��

�� ���� �� ��$ �� �( � ��� �� �5 �� �� 6� �� � $��� ���� *�� * �� ����&� � �) �� �� � 4"� �� ��*�� ���

�� ��� ���� �� ������ �&���� ����� ��� ����� �� ��� ��� � �� 3����& ����� �� )�� ����� 7��� 8��� ��� $

��� 8���� ��� $ ������ %�� �� ��� ���*� ���� ��� ���� ��� �� ��� ���� � �� ���� ��� ��� � �� ��

���� $�& ���� � $ �� �������� ����� ����6� ��� )� � �� ����� ������ �) *� � * �� ������� 9��� ��� $�&� �

��� ����� ���� ��� ���� ��������� �� ��� )���� ��� �� ��� ��� � $ �� ������ �� � �� ���� �� �

��$�� ���� ���������� ��� ���� ����� ���� ��� �� ��� ��� � $ �� �� � �� ���� (������ � � $ ���� ��

������ ����� * �� �� �� $�& ���� ���$ � ����� �� ��$������ �$� ��$�� ���� ������ � �� ���� �) ����

��� �&� ������ �&� ��� ��)�& ��� ����� ���& & �� ���� ���� ��� * �� ����� �� ��� �� �� �����'

� �� � +221 #� � ��� & ���$ � � � 7�:�

�#��' ��������; <+�--���

� ���� ������

����� ���� ��� �� �� ����� ���� �������& �� ���& ��� �� �&� ���& ����� %��� ����������� (���� $�� ��� �&����� ��� � �� �$�� �� �) ��6 ��*��� �$� �

�������� &��� ���� �� �������& )�� ��6 ����� � ���� ���� ��� ��� ��� �� �����&�������� �� � ������� �� �&� ���& �$��$� ��� �� ��&� �� � ( �� �) ��� � �( � %�� ���)��� .���� ��6 ��*��0 �� ����� � �����' �� �� �� �������� �� �) �( � % �� ��� )���� � � ��� �� ����� .���� �� � ������������0 �� )��� � ����������� ���� ���� ���

�� �� � �� �� ��� �*� �� ����� ��������������� �������� �� � �� � ����

!������ �) ���'=�&����� � ��� �� +<5 .+2210 --<�->5

***���$ ����?����?@����&���

� =�������� �� ������� ���A B1'C+5 >+- DC+5; )�(A B1'C+5

>+- ><CD�

( ��� �������' � �������1E�������$ .���� � �������0�

22++'-2C-?21?F ' � )���� ����� � +221 #� � ��� & ���$ � � � 7�:�

#//A � 2 2 + + ' - 2 C - . 2 1 0 2 2 > D D ' G

Page 2: T.M. Tillotson et al- Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies

���� ��� �� �� )����*�� /� ����� � �&������� �� ���& ������ � �� ���� �� ���������� �& $�� � ��� �� �) �( � %� ��� )���� ������ ���� �*� �� �( � %� ��� )����& ���� �� ��( � % ���& ��� �&���*$�� �� �� �� �������� ����� �) ����� ����� ���� ���� ��� �� 6 �� � �� �����&�������� & ���� ��������� ���� �*� ��'������ �������� ����� �� ��& ��$ (������& ��� � �� �� ���� ��� �) ���� ���&.��*�0 � ��* ���� *� � ��& ���� �� � �6 �� ���& �������� ������ . ��� � ������'����� ���� ���� ���0�

/� � *�� 6��*� ���� �� � � �� �� ��� ���'��� �� ������ � �) ���� ���� ��� ���������& �H��� & �� � � ����������� ����'�� � I1�-J� ,� ������ $ )���� �) �� ������������� �� ���� ���� �� ����� �� � ���� ��K�� �� ���� � �& �� �� ��& ������ �( � %��)�� ����� � ��� ��� ����� ���� ��� * ��$�� � � ��� �� )��� ��� � �� /� ��� � ��� � ��'��*� �� ��� � ( �� �) �������� �� �� ��'����� ���� ��� �) ��� �3�� �� � L��� )��� ����� � �� �� $ & ���� ��$�� ������������

4� �� ������ �� ���& � � ���� � �� �'�� ����� �� *��� ���� ����� ��$ � ��'� ��� � �� ������� ����� #����� �& ����*� �) ��� ����� �� * �� ���������� $ �� ��$�� ���� ���� ��� ������ &��� ���� � ���� ������ . ��� ��*�� � ( ��0� ��� �� �� ��� ����� �*� ����'���� ������ ��� �� � K�� �� � ����� '�*� �( � %� ��� )�� ��������� �� ����� � ��� * ����� ����� �� ������� ����� ������ ��� ���� �� ������& .����0 ��$���*� ���� ����'������ �) �( � %�?)�� � ('���� .* �� ���� � � ����� �) +2�52 ��0 ���� $ ��� ���� 1222 � �� ���� �) ��$�'� ���� ��*�� � (� I>�MJ� ��� ���� ���� ���������� � ���������� ����� �� .�/=0� ��&�� �&��� ��� ���� ������� �� ��� ��� ������ �� ���& �� �� � �� ���& ���� �) ����'��� ���

/� ��$ ��� ������� * ��� � )��� �� 3������ �������� )�� ����� �� ���� ���'� ��� IDJ ��� ������ ���& ������ �� �*� ���'��� � ����� �� �&����� %�� �� ��� ��*�� ��� � ��

I<J� �� � * ��� � ��� ��� *��6 �� � �� ���������A �� �&���� � ��� ��&� �� ������ �'� � �) ������ ����)� �� ������*��� ��� /� �������� �� �� )�� �� �� * �� � �� ���� �) ����� � ���� ( *� � �� �( � %� ���� �� ���6���� ���� (�

,�� *��6 ��� )���� �� �� �$������ �)������ ������ �� �&���� % ������ ����� ������ ��*��� �) ����'� %� ����� � �� ���� �( ��. ��� "+,-� =�+,-� ��� � ,0� ��� �� ��* �� �(��� �� ����� ��� �� ���� ���� ����'� ��� �� % ��� �� ��� � (���� �� ������ ������ � ��� �� .� ��� �) �� ��� �� � � $� ��* � .100� /� �� ���� � ��� �� �� �����( � ���1�,.�00 ��� �(��� ��

��1�,��� ���+���� � ��1���� ���+�,��� � ��

�1����� .��+�.�00 ������ � ��� �'���� ���� ��?�( ��� �� ��� ��� *� � � ��� � ��� $�& (�'���� ; ���� ��� ���� � ��� �� ����'����� (� -222 N� ��� ��� ��� ��(����� �) �( �?���� ��� ��� ���� ���$ ��� � �*� �(&�� �����& ���� �� ���� �� ��)'����� � �� �� � � ���� �� ���& ��� �& �)��� ����� � �&���� �� ����& �* �����) �� �� ����������� ���� ���� ������& ��$ )���� �� � � $�� �& �) ��������� ������� ���� �� ����*�� ������ ���$ �� *�� �� �) �� ����� ���6� �� ����� �����*��� ��� ��� ��� � $� �� ���������� ���� �� (���� $�� )� ����� �� ��� ������ � �' �� �� � �� ���� ���� ��� � ���� �) ���� ��'�� �� ��� IC�1<J� ���� � �����&� ���� �� �������� & � ( �� 3� ������� ��*������� �� )�� �( � ��� ���� ���� � ( �� 3����� ��*��� & ��$�� ���� ���� �� ��(��� 3� ��%���; ������ ������ ��� ������%��� *� � �� $ �� �����3� ���� � � ���'� ��� ���� �� ��� ���� � * �� ������ �����' �� ������� /� ��$�� ���� � ( ��� ���� ��� � � ��� )�� �� �( � %� �� ( �� *� �� � � �� ���� ��������� ��� ���)�� ������ L �& �) �� ��� ��� ������ �� $���������� ��� ��*$�� ������ ��� �� ')����& � (�� ���� ��� �� �� ���� ��� �)�� � K��

+��� +���� ��� � ��� , -�.���� �/ ��� ���� ������ ������ "�% 0"��12 33�43$% --C

Page 3: T.M. Tillotson et al- Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies

� ������������

"�1� �����5��) �6��� ��,/.�� ������*��� ��

/� �� ��� � ������ * ��� � � ������������ )�� �&���� % �� ������� � �( ������� )��� �&����� ����� �) � ��� �����'�&� ��� ��� ���&� �� �� �� ����&�� �( ��� � ���� �� ���� I1CJ� �� � �&���� � �������*��6� *�� )�� � $�� �& �) ������ ���� �( ������ * ��$ ��� � ����)���& �� ��6 �� ���'�( � �( � % �� �6���� )��� ".///0 ����� )�� ���������� � ���� �� �� ��� �� ��� ���'� �� �) �� � �&���� � ���� �� �� ����� �)�� )����� �� ��� ��� �� �� �&� �) ��( ����� �� �&� �) ".///0 ����� ��( �?".///0 ��� �������� �) *��� ����� �"��+,�� ����� * ���� ��)��� ���$�� �� . ��� ����� $�� ���'������ ����� $�� ���� 0 ��� � ��$ ����& �'�� � � ��� � I+2J� ����� ���&� * �� � ��L �������� �) *��� ��� ��( �� ��)�� �& � ������ ���� ���$��� ���������� ��� ��*������ �� ��� * �� )���� /� ������ ���� ������ ��( � ��� �� � ���� �� ���� ���� � ��'���� � �� ����� �) �� )����� �� ��� ��� �� �����&���

/� � �&� �� ������� 1�2 � "��,-�- � C�+,.+�5 ����0 � � ����$� � 5�2 � �) +22 ����) ��'���� * �� �� �� �� �� � $ � ��� �������� ����'� ��� 4��� �� ��� � �� �) 1�2 � �) ����&�� �( �.1D ����0� ��� � � ��� � (����� ��� �������� � & � ���� ���� �� � ���6 ��� ��*� ����� ��� .��. ���A �� ���� ���� � �'����� � & � �� 3��� ��� ����� �� ���� ���� ��� �� ��� �� ��� � � � �$� �) ���&���� � ����� ��� �� ������� ������ ����� ��� ��� � �� �) �� ��( � �� �� ".///0����� �� � � *��'$�� ���� �� ��� �� ���&�� � ��� ���0 4��� �� � �$ ��� � ���� ���'� �� ���� � ��� ���� 5 � ��

#�*��� ���� )���� � 6 ���� ���� *����� �� �� ��� ".///0?��( � ����� ��� @��� )�� ���� �� �� � �� � �� �� ������ �&�� � � *� ����� �� ��� * �� �� )����& � �'�� ��� ���� ��� ���� �� *� � �� �� & �� ��������� "�� �� ���� ��� ������ �� �*��&�� �) ���� ��� ���� *� ���� � ���'� %�.�$� � ���� �M ��0 ���� ��� ���� )���

�������&� ��� �������'� %� ���� ��� .�$����� � � ���� �-2 ��0 ������ & �� �&'��� ��� ������� �� ����� �� ���� *���� �� � $�� "�� ��� ���� ���������' � )������� ��� �� ����� ��� � �) ".///0?��*�� 1�2 .�� � � � �� ����� ���� ���� ��0�

�� 3��� ��� �) ���$ �� �� ��� H� � )����� *� ��� � ����� ��� & ��� $������ ��. � � $���� �$� ��� �� D2�=0 �$� 5�M ��&� ������� � (����� �� & ����� � �� (���� ��.�=�0 * �� �� �� � �( � �� & �� � ����� �� ������ �� ��* �������� �=� *�� ��)���� � � #������� � � �� �� �� �� �� "�� �� � ���'�� ��� �� �� � ���� � �� �� � *�� �� � 8� � � �� ���� � (����� * �� � 8� � =,+ & ��� � �) H��� ��� ��� � &�� �� 12�=� "����* �����$�� (����� �� �������� �) �� $��� ������ �� >5�= �� � ��� �) 2�5�= �� � ����*� � �� ��� � �� � ������ �) �122 ���� ��$��� � ������� %� �� � ��� �) � 1 �� ��� ���� )�� �� ����� ��� ����� �� � ��8� �� �� ����� �� �� � (���� ��� ('���� �� ����� )�� 1 � � ���� ������ ��&� ���& -�> ��&��

"�"� �������� ������ ���5� ���

� �� ������ �� ������ �� �� ����� � ���'��& .�����0 *�� ��)���� �� � #� � ��=�-22"�� ����� �� �� -22 6: �� �� %�� �������& 3��� �� * �� � ����� ���& /��� �� " ���.�/"0 �� ���$ ����� ����� ��� �� ����*� ��6� ���� 7" . � ��� 3��0 ��� � ��� ����� ����& �)���� �� ���� �������� �� ����*� ����� �� � +� + N ==O ���� ��'���� �� �� �/"�

���)� ��� ��� ��� $���� ��� � % ����&��*� ��)���� & 7�� .7�����������������0 ��� 7!� .7������!�&���������0 ���'��� �� �� �� ���# +222 ���)� ��� ����&%�.� ���� � � /�������� =������� ��0� �������) �����( ����& 2�1�2�+ � *� ���� �� +22�=���� $���� �12�5 ����� )�� �� ���� +> � �� �'��$ ��� ����� � �� �� � ����� ������� ������ *� ��6� �� 3$ ���� $ ������� )��� 2�25�� 2�+2 �� DD N� �� ������ �� ���)� ��� &7�� ����&�

->2 +��� +���� ��� � ��� , -�.���� �/ ��� ���� ������ ������ "�% 0"��12 33�43$%

Page 4: T.M. Tillotson et al- Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies

�� �������� ���� ���� �� ��)�& ����'�� %�� �� ��� 8�� ���� �� �� ���� ����������6� ��� )� � �� ���� *� ��)���� �� ������� ���� 4� �� � �&� 1+ ���� ����� ������'���� +�5 6� * ��� � ������ )��� � ���� � ������� � -5 �� ����� ���� �) �� ���� ��� ��������� ����� �� ������ )��� � ������ 8� ���� ���� �� ) �� (���� $ $�� �'����� "� � �� ���� *� ��)���� & ��� 6 �� ���� ��� ����� � ���� �� �) �� ���� �� ����*�� ����� �� � ��� ����� �� ��� *�� ��'���� �� � -M 6� * ���� ����6 ��� �� *�� ��')���� �� ����� ������� �) �� ���� ��� �� �� ����������� ���� �� $�� � ����6 * �� � ��( ����) 1 ! �) ���& * �� 512 � �� ����� �� �������) �� ����6 ��� � �� (� �� ��( ��� ���� ���& ���� ���� ������ & � ����� ���� ��� ��� � ��� .�����( ����& 2�1 !0� � �� ��� �)�� ��)�& ���� �� ���� �� ��� ��� *� ��')�����

O K��� �� ���� �� ���� ���& *�� ��')���� �� ���� ��������� �� ���� *����� �� � ����� �� ����� �� ������ *����� �� �� � �� /��������� ���� +C+2 � )')��� �� ���� �� ���� ���� )��� ���� ��'������ �� M22�= ��� �� ��� �� ��� *�� 12�=?� �� #�*�� G'��& � K��� �� .#G�O0 (�� '���� *� ��)���� �� ��*��� ������������ �� 8����% �� �� ��� ����� ��� �=#�1+2 =��$� #�� � �� ��� � $ O���� �� ����� �� � %� =�N� ��� �� ���

� �������

� �&� �� ����� � ������� �) �� ���'�(' �?���� ��� ���� � ��������� � (���� ����*� � " �� 1.�0 ��� ���*� �� �������� ���'�( � ��� � �6���� * �� ����� � %� ��'� ��� �& ������� � ��� �� ���� �) ���� �������� �� -2 �� ���� ��� )�� ���� ��� �� ��������� �� ���� �� � �� ��� ����� �� �� 4"����� ���� *���� �� ������ ���� �� �������'��� �� ��� �� �� ��� �( � (���� ��������� )�� ���� �� ���� �� ������� �� �� ���� ( �� �) �� )�� ��� �� �( � % �� �6���� � �� ��� ��$� ���������� ��� �� ��� ���������� ���* ��� ��� ��� ������ �& �� * ����$��� ������ �) �� � � ��� � ( �� �) )�� �� �� ������ ��� �� ��� � � �) �� ���� ���� �� ���'� ��� ���� �� � " �� 1.�0 *� ��3��� &�� � ���� ��� ����� � K��� �� ������.���O0 ." �� 1. 00� � � $ ���� �� � ��� ��'��� � �� ������ �� ���� ��� ���� � � ������ ��� �( � ��� ��� /� ������ �� ������ ���� 6��� �) �� �( � ��&� � �5 ���

�� ������ �) � ����� ������� ��?������ ������&� � )�� �� "+,- �( � % �� �6����� �� � '$� � �� � 1� �� 7�� ���)� ���� )�� ����( � ����� )��� -22 �� -C2 �+�� ���� �� ���� ������� ���� ��� � �� �&���� �� �� ������ �� �� ���� � �� ���)� ��� ���� �( �� �������� � ���� * �� �������'� %� � ��� ����� ������ & ��� ������ ������

" �� 1� .�0 ����� �) "+,-�4"� ��.�0 (���� ��������� � ��� . 0 ���O ������ �) �� �� �� �� ���� � � .�0�

+��� +���� ��� � ��� , -�.���� �/ ��� ���� ������ ������ "�% 0"��12 33�43$% ->1

Page 5: T.M. Tillotson et al- Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies

�����'��� ��)�& ��� �� *�� ��)���� ���$��� �) �� ���� ��� ������ � �� � ����� �������� �) *� � �� ���*� � �� � +� �� O�52

$��� ������� �� � ��� )��� *� � ����� �� �+�5 6� * ��� * �� ����� � �� (���� $ $�� �52P �) �� �� ���� ��� ��� ���� ��� �� ��� � $�� �� ���� ����� ���� ��*$�� �� $���� )����� ��� �) �� ���� ��� �� ���� $�& � �� ��� �� �� ���� ��� � $�& ��� � $ �� ������ ��� � ��� �) �� ��� � )� � �� ��� � $ ������& �� ����� "+,-�4"� �� ����� � ����6��� � $� #��� ��� ���� � � ����6 ��� � $ �� ���� ���& �) ���& 2�2- ! *���� �� ���� ��'�� ��� �� ��� $� ��� � $ �� 1 !� /� � ��� �) �� ������� * �������& ������ ���� *�� ����� ���� ����� "+,-�4"� ��.�0 ���� �� ���������� ��� � ��� ���� � � � % ���� ��� �& � �� �� ������ � �������& ����&��

O K��� �� ���� �� ���� ���& *�� ��')���� �� �$��� �) �� "+,-���.�0 ������'��� �� ���� * ������� � O�= ��� )��� �(���� �) "+,-�4"� ��.�0 � ���*� � " �� -�,� �� � ���� �� O�= � ���� ���& )��������� ��������� ��� ���� 522�=� � �$ ���� ��'������ � � ���� (����� ��6 ���� ��� ������ ���� �� (����� � ���� �� � ��� 5-2�=��� ��� �� ������� ��� �) ��� �� �) 1�5 6!?���� ������� )��� �� � O�= ����&� � *� ��$'�� ��� ����&%� & ��*�� G'��& � K��� ��.#G�O0�

�� ��*�� ������ �) �� ������� )��� ��O�= ��� ���*� � " �� - �� ���*� � " �� >�

����� * �� �� 6��*� #G�O ������� )�� ".�0��� �*� � K��� ����� �) ��+,-.�0 I+1J� �� ���� ��6 ���� �� �+<� � )��� �� 8����%�� � ����� ������ �� ���� � ���� �� �� � ��� � � �� �� �� ����� ������ �) ����� ���� ��� � ���� ������� � ��� ��� � �� ��� ���� $ ���� �&� �*� �� 6��*� ��������� ��� ��������� �) �� ��� �� �) �� "+,-�4"� ��.�0��������� �� /� ������ ���� �� #G�O ���'��� � " �� > ���� �� � K��� �� ��6� )��� �� (��� �) �&����� � ��� ���� �� ���� ����( �� ��� ������� �� �� ��� �� ������� ) �� ��������� � ������� �� ���� ���� ���

� ����������

�� ����� ��� � ����� ������� ��?�����'� �� ����&� � �� �� �� ������ �� $� �( � %��6���� ��� ���� ����� �� ���� ��� �� ��� ��������� ��� /� � *�� 6��*�� )�� �� $� ��6 ��� �&� ���� ���� �� �� ���������� � � % ����� �� �� ��� �� ��� I1�-J��� � *�� �� �) ��� �� ���& ��� $�� ��� )�� �� �������� ��������� �� �� ����� ������ � $��� ���* ���� ������ �� ����& � ����� ��'����� �� ���� � * �� �� � �������� ������� � ������� ���*� � " �� 1 ���� ����*��� �� ������ �� �� K� ���� �� ������ �&�'��� � ��� ����� �� ��� � ��� ��$ �� �� ���'� ��� )���

�� � +

������& �) �����'��� ��)�& ���� )�� ������ �� $� "+,-���.�0 ��������� ��

��� "+,-��� .�� � %0 "+,-�4"� �� "+,-�4"� ��

G���� G���� �����

O�52 1+5�M � 1>C�- � <C�- �

����6 ��� �� 1 ! ��� �� 1 ! Q� �� 2�2- !

"� � �� ��� �� -M 6� ��� �� -M 6� ��� �� -M 6�

�� � 1

������& �) �+ ������� ��?������ �� ������ )�� ��& "+,- ��� ��� � ������

�� �&� #������ ���� ���)� ��� .7��0 ��+��� #�� $���� .��?�0 �$��� ��� � ���� .��0

G���� "��,-�- � C�+, -22 2�++ +�M

����� "��,-�- � C�+, ->2 1�+5 1+

����� "=�- � M�+, -C2 -�D5 +-

->+ +��� +���� ��� � ��� , -�.���� �/ ��� ���� ������ ������ "�% 0"��12 33�43$%

Page 6: T.M. Tillotson et al- Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies

���� �� �� " �� 1 � ������ �� ������ ���� 6��� �) �� �( � ��&� �� �� ��.�0 )�� � 5 ��� �� � � � ������ � ������ * �� ���� 6��� �) �� �( � ��&� ���� �� ��$ ����&��� �� ��� � ������ ������� & �� ������� ������ I++J� �� � ����� �� ��� ���� ��� ����������� �� �� ��* ����� �� �� ��� ��� ����� �� �� 3��� ��� � ���� �( ��� �� �) �� 4"� ���'� ���� /� )��� ��� *�� $�& � ���� ) ��& ���� � �� �� 6��� �) �� ���� ��� �( � ��&� �� ������ ��� �� ��.�0 ���� �� *� ��� ������'���� ���� * ��� � � ���& ������ ��& *���� � "�� �� ��� ��������� � �� *���� � 6 ��� �� $ ���� ���� �� �) 4"� ���� ��� ���'���� � �� ������������ ��� �( � ���� (�

� �� ������& �$�� ��� �� �� ������� ���) ��� � ���� ��� /� � ���� � ���� ��� 8����� �� �������� �� �� � � � 8� � ������ �� ��&��� �H����� �� 4"� ���� ��� ���� ������������ �� ����� �� ��� & �� � ������� ��� �& �� ��� �� �� � ������ ����� �� ����������� � " �� +� �� � 8��� ��� $ ���������& �� ��� ��� ���� ��� �� ���� ������� ��& �� ���� ���� ���& ��� ��& . ��� ��$���� ��*�0� �� � �� � ��� 8���� ��� $ �)��'��� �� � ��� �� ��� �� ���*� � " �� + *��)���� ��� �� ������ ����&� � �) �� ����&� ��) �� O�= ��� ���*� � " �� - �� ��� ���� ������� �� ��� �� �� ��� ���� � /��'���� �� �) �� (����� ��6 � " �� - ������ �� ��� �) ��� �� $��� �) 1�5 6!?�� �� � �� �� 3����& ��*� ���� �� ����� �� $��� �) -�C

6!?�� ,� ����� �� (������ �� �$��$� �� ���'� ��� )�� ���)� � 6��* )��� ����� ����'&� � ���� �� 4"� �� ��� � �� � ����� ��� ���( � ��� �� �) �5 ��� � �� -2 �� � ���� ���� � �( � ��� �� ������� � ���� ������ �) ������ �) �� ������ /� )��� � � ��� ������ ��� ��� �� �� $���� �) �� �( � ��� ��� �� ������� �� 4"� ���� ��� ��� � ������& D2P��+,- * ���� /� ��� � ��� �������� �� ��������� �� �� � 8���� � � �� ��� �� ��� � %��� �� ��� � ����&� �� � ������ ���� ��� �) �� ��� ���� * �� ��$��� (��� $�& �� "+,-�"��� ������ ����&� � * ��$ � ��$� ������� ���� ��� ��$ ����� ���� � � ���� ��6�� �12P �) �� ����� & ���� I+-J� /� � � 6�&���� �� ���� � � �� �� �� �� ���� ���$�� ���?�� ��( � �� ��( � &'������� )��� �� �&�'��� �� ��� �) ��� )��� ����� ���& ���� �� ��� ���� �� � �� ����� ���& �������

�� $� )& ���� �� ��� �� � ��$� � " ��� +��� - *�� ��� �� ���� � ��� �� �� ��� �������� )��� �� O�= ����&� � ��� �� *�����&%� �� �� #G�O� �� ������ �) ���������� � ���*� � " �� >� �� ��@�� ���� ��'��� ��� 3� *� ����� " ��� ��+,-� *� ��� �� (��� ������� ) �� ���� � ��� ����� ������

" �� +� #���� �) �� ������ �� � �� �) �� ���� ����'

����� ��

" �� -� O�= �) � (���� "+,-�4"� ��.�0 ��������� ��

+��� +���� ��� � ��� , -�.���� �/ ��� ���� ������ ������ "�% 0"��12 33�43$% ->-

Page 7: T.M. Tillotson et al- Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies

� �� ������& 8���� ��� $�& $����� �� �� ��� ���� )�� � �� � �) ��$�� ���� ���� �� (����� "+,-����4"� ��.�0 ���� ����'����� ��� ��� "+,-��������� .� ���'� %�0���� ��������� ��� �������� �� ������ �)��� ���� *� ��� �$� �� � �� �� � � �) *� � ���8��� ��� $�&� �� "+,-����4"� ��.�0 ���� ��������� �� ����� �� ��� ��� ��� ���' ��& ��� �� ��� ��� � $ �� ������ �� � ������ ��$�� ���� ���� � ��*���� �� � � �����(��� �� �� �� � �� �������� �) 4"� ���'� ��� ��*��� ����� ���� �� ��&� �� ���� ����������& I++J�

��� �� ��� ��*$�� � �� � ��$�� �� ��������� ����� �� �� ��� ��� ��� � $ �������� �� � �� ���� �� � (���� �����������/� )��� ����� ����� �� ��� * �� 4"� ��.�0���*� ����6 ��� � $ �& � �����'��� ��)�& ('�� ���� ��� ��� � �� 3����& ��*� ���� ���'�� �O�52� $���� .�152 � )�� (����� ��� �C2� )�� ����� ���� ���0� ��� ��� � $ ���� ����� �� ��$����� )��� �� ����� $ �) ��')����� �� � � ���$����� � ��)�& ������� � $ �� ����� )�� �� ����6 � K�� ���� $ �& �*� �� �*� ���� ��� ��� �� �� * ���� � � K��� ������ ����� $ � �� /� � *��6��*� ���� �� ������ ����� $ �& �) �� ����� � ��� ��*� ���� ���� �) � (���� �) �� ������� �� I+>J� ���)��� �� ����� ����� � * ����$ � ��� � L��� � � � �� ��� �� � ����������� ���� � (���� ����� �� �� � � 6�& ������ � �� ��� ��� � )����� �� �) R��� �����S � ������� ���� ��� �� � � $� ��������� ,� ��

�) �� ��� ����� ���� �� �� � �� �� �� �� �'�� �� � ��)'�������� �� ��� �� �� � ����� � � �� ���

/� �� � �) �� � �$ � ��$�� ��� ���������������& �K�� ���� ��$������ �) ��)�& ������ � �& � ���� ���� �� ����� ��� "�� ('����� �� �� �������� ���� �� ��� ��*�������� ��& �� ���� ��$�� ������� ������ �� *���'� 6 $ ��� �& �) �� ��� )�� �'��� ��� ����*� ��& ��� �� �� ���'��'������*� � � ��)��� �$� �� ��%������ ��� � ��������� $� �� ���� �� ������ �� �) ���'� ��� � ( �� ��� ���� �� �� '� ��� ��*��� �) ��� �( � ��� ���� ���� � ���� �����& ��%���'��� * �� � ���� � ����& �) � ����� (���� ���I+5�+MJ� /����� ��)�& ���� �� $� & ��' �� �� �8���� �� �� )�� �� ������ ��� ������ ��� � � ������� * ��$ ��$ ����& �'����� I+2J� �� � ���� �� �� � ���� �������� )����� �$ �������� ��)�& ���� �� ����� ����'��� ������ �� �) ��� �&����� � �8� � ���� �) ��( � H���� �� ��� �� ���� ���$���� 6 ����� �(��� ��� �(������ �%� I+DJ�

,� 3��� ���� �� ������ ������� ���� ����*��� ���� $�& � ��� �������� �� �) ���� �����( �� ��� �� ���� ( �� ��6 � � (�'����'�( � ���� ��� O ��� �� �) �� ���� � ���� ��* �� ��� �( �� ��� �� ��+,- .)��� � ����$���=�- ����0 �� � ,+ .)��� ���� � � �� ��6�( �0���� �� � �&����� ���� �� ���� � ��� �� �'��� �� � ��� ���.///0'�( �'���� ��� � ('���� � ��$ ��)���� ��� �&����� ��� �������� ��� �� 8��� ��� $�&� �� ����� �� �&����� ���$ ��� � �& ���*� ��� ���� ��� �� ������� I+5J� �� � �&� �) �&���� ������������ ����* �� �� �� �� �� ��� �� �&����� S� ��� ��� ������ ������ � �� 3� � �� ������ �� ���

� �����������

�� * ��$ ���������� �� �� �) � ����������� �� ����� ��� ����� ��� (��������� ��� �) "+,-���.�0 ���� ���������' ��� =������ %�� �� ��� ���*� ���� ��� ���'� ��� �� ��� �� �) ����� %� ��������� ������ ���� � ��� ������ �� ���� � ���� ���� �

" �� >� #G�O ������ �) �� ������� )��� �� O�= (�� '

��� ���*� � " �� -�

->> +��� +���� ��� � ��� , -�.���� �/ ��� ���� ������ ������ "�% 0"��12 33�43$%

Page 8: T.M. Tillotson et al- Nanostructured energetic materials using sol-gel methodologies

��� ��� ��� 8���� ��� $ ��� 8��� ��� $ ����'�� %�� �� �� ��� ���� �� ����� ����� �� ����� ��� � $ �� �� � �� ���� �� � (���������������

����� ��������� ��� * �� �������� �(' � %��)�� ����� �� �� ������� ���� ���� �& ��� ������ �& ������ �� �� �������� ��� �� � ����������� ������� ������ �� � & ����'�)'��'��� ����� � ����� ��� ����� � �( � %��)�� ����� ��� ���� � * ������� ����������� �&���� �� �� ��@����$������� ����� ���&� ������ ��������� � ����� �� � �� �� ��� �*� ��� �*���������� � � $ ���� �� ������ �����* �� �� �� $�& ���� ���$ � ����� �� ��$�������$� ��$�� ���� ������ � �� ���� �) ������� �&� ������ �&� ��� ��)�& ��� ����� ���&& �� ���� ���� ��� * �� ����� �� ��� ��' �� ������ ��

�������� �������

�� � *��6 � ����& �� �� �� K��� �) ����� ��� � �) ����� ��������� �������*���� � 6 �� ����6 O�� !��� ���%� ��� �����6�&� ��'�&�� )�� �� � ����� ��� ������� � �6 �� �� � ���@�� ,��� ���� ����� )��� ����*�� � $���� ��� ���� �� ������& �'���A �� ���6 ���� )�� �� ��� ����&� �� ������& �� )�� �� ������ ����&��� �� ��%&����& )�� �� 7�� ����&� �� O� !� ���� �� )��'���& �) �� ��� ������ ��� ���� �� ������&����$ �� �� ������� ��� ���� ���� " ����&�* *���� � 6 �� ����6 O� ������ � ����� �)�� 4� $�� �& �) ���% ��� *�� ���$ �� ���)��� ���� ��� �� ��� �� �������

�� �������

I1J ���� 7���6 �� Q���� 7����$� ���� 7���6�$� ���� N��'

&�6 �� Q��:� N���&�$��$� ,��� "����$�� =�� ����

�(����� ���6 ��$� 11 .1CD50 -M .���� �� �������� ��0�

I+J ���� O� ��$ �� :��� N�%����$� :�/� �% 6�$� ���� =� �'

6�$� ���� ����6�$� ����� ����� 5 .1CM<0 5M�

I-J ���� O� ��$ �� ��:� ����$�� :��� N�%����$� =�� ����

�(����� ���6 ��$� M .1CD20 M2 .���� �� �������� ��0�

I>J ��=� O���� !��� ���� �� 4N #���� +�+M2�-1D� 1CC-�

I5J ��=� O���� !��� ���� �� 4� #���� 5�+MM�1-+� 1CC-�

IMJ ��#� O (��� !��� ���� �� O� ��������� 4� #����

5�D1D�15C� 1CC<�

IDJ ���� � �������� ���� ��� ��� ���� �� ���� �*��� ���

���� � ������ !� ���'=�&��� ��� �� ++5 .1CC<0 -5<�

I<J ���� � ������ ���� � �������� ���� ��� ��� ���� �����

�A #��� ��� �) �� /������ ���� ������ =��)�� ��

/=�� N�������� +222� �� 1�

ICJ ��!� N&� ����� ���� !� .������ 1C<50 15�

I12J T��� ��� �� 4� ����� '��� �� � � ����� � � ��� -

.1C<C0 +DD�

I11J !�O� ������ !��� ���� #������ !� ��� =���� ��� >+ .1C5C0

>2�

I1+J ��7� ���K�� #��� �=��� 6� ����� #�&�� ���� 55

.1C<C0 >5�

I1-J ���� ����� ��� ���� �����&���$�� :�:� 7��%&6 �� :�/�

����6�$� =�� ���� �(����� ���6 ��$� 12 .1CD>0 >>C

.���� �� �������� ��0�

I1>J ��:� N��� �� ���� ����� ��� :�:� 7��%&6 �� =�� ����

�(����� ���6 ��$� 1< .1C<+0 5+> .���� �� �������� ��0�

I15J ��/� ��6� ��$� ���� ��%����$� :��� ��6 ��� =�� ����

�(����� ���6 ��$� + .1CM50 15 .���� �� �������� ��0�

I1MJ ���� ������ �� ����� � ���� ���6� ��6�� /��� ����

=��� #���� O�� O$� D .1CM<0 11D�

I1DJ !��� ��� �� #&����� �A "��� �� : *�� �� �) ��� �

���� =�� ���&� "���6� �� #� ������ �� #�� 1C<2� �� 1�

I1<J ��=� ������ !��� ������ ��O� N��&� �A #��� ���

�) �� :/// /������ ���� #&����� � �� ���� 1C<+�

�� >CM�

I1CJ ���� � �������� ���� ���������� /��� ������� ����

��� ��� !� ������� � � ������ 1 .1CC>0 +>1�

I+2J ���� ����� ���� � �������� !��� ����� !��� !�"� #���

���� ��� ��� ���� � ������ =��� ����� 1- .+2210 CCC�

I+1J 4� ��������� ���� =������ �A /��� ,( �� � ��

�� ������&A #������ �� ��� =������ %�� ��� :=��

� �� �� 1CC1�

I++J =��� ������� ���� �6�)��� 6� !��� ���� �� !� :�� � �

������ 7 1- .1CC50 11D<�

I+-J 4��� � ��� �������

I+>J =�!� 7� �6�� ���� ����� �A ������ � �� ����

#���� 7������ 1CC2�

I+5J �� � ���� "�=� ���&�� ���� #��&� /���� =��� ����

�&��� ��� +5 .1CM<0 +M�

I+MJ N� 7�� %�� �� �%� �� !� #���� ���&� ����� ++ .1C<50

-1C�

I+DJ ������ ��$ �������� ����� ��� O$������ #��'

���� ��� #��� ����A??***���������� " ����& +222�

+��� +���� ��� � ��� , -�.���� �/ ��� ���� ������ ������ "�% 0"��12 33�43$% ->5