[논문]결정화/응집에 의한 구형 Al/RDX/AP 에너지 복합체 제조 및 그 열분해 특성

이정환; 심홍민; 김재경; 김현수; 구기갑

doi:10.14478/ace.2017.1002

결정화/응집에 의한 구형 Al/RDX/AP 에너지 복합체 제조 및 그 열분해 특성
Preparation of Al/RDX/AP Energetic Composites by Drowning-out/Agglomeration and Their Thermal Decomposition Characteristics 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.28 no.2, 2017년, pp.214 - 220

이정환 (서강대학교 화공생명공학과) , 심홍민 (서강대학교 화공생명공학과) , 김재경 (서강대학교 화공생명공학과) , 김현수 (국방과학연구소) , 구기갑 (서강대학교 화공생명공학과)

초록
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결정화/응집(drowning-out/agglomeration, D/A) 공정을 이용하여 평균 입도 $550{\mu}m$인 구형 Al/RDX/AP 에너지 복합체를 제조하였다. SEM과 X-선 분광분석을 이용해 복합체의 표면 구조와 Al의 분포를 분석하였다. 열분석 결과 D/A 공정에 의해 제조된 Al/RDX/AP 복합체는 물리적 혼합에 의한 복합체와 비교하여 분해 개시 온도가 약 $50^{\circ}C$ 정도 낮아졌으며, 동시에 활성화 에너지의 증가에 의해 열적 안정성도 상승하는 것으로 확인되었다. AP의 1차 분해 구간에서는 물리적 혼합과 D/A 공정에 의한 복합체 모두 Prout-Tompkins 모델에 의해 잘 모사되었다. 그러나 AP의 2차 분해 구간에서는 물리적 혼합에 의해 제조된 복합체는 zero-order 모델로 해석되는 반면, D/A 공정에 의해 제조된 복합체는 contracting volume 모델로 해석됨을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The spherical Al/RDX/AP composites with an average size of $550{\mu}m$ were successfully prepared by drowning-out/agglomeration (D/A) process. The surface morphology and dispersion of Al particles of those composites were investigated using SEM and EDS (energy dispersive spectrometry). As a result of thermal analysis, the onset temperature of thermal decomposition of the Al/RDX/AP composites by the D/A process was found to decrease about $50^{\circ}C$ and their thermal stability was shown to be relatively enhanced due to the increase of activation energy compared to those of using the physical mixing method. In the first decomposition region of AP, Prout-Tompkins model was shown to describe well the thermal decomposition of both composites by the physical mixing and D/A process. On the other hand, in the second decomposition region of AP, the decomposition mechanisms of composites by the physical mixing and D/A process were explained by the zero-order and contracting volume model, respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 상기 방법으로는 질량 감쇠에 따른 활성화 에너지 변화를 관찰할 수 없으며 특히 비등온 조건에서의 온도 상승에 따른 반응 차수 때문에 모델 추산이 매우 어렵다. 그러므로 본 연구에서는 Jankovic가 제안한 model-fitting 방법[13]을 도입하여 전환율에 따른 활성화 에너지로부터 온도 상승에 의한 효과를 고려하여 고체 반응 모델을 추론하고자 한다.
본 연구에서는 구형 Al/RDX/AP 복합체를 제조할 수 있는 D/A 공정을 제시하고 열중량분석(gravimetric analysis, TGA)을 이용해 복합체의 고체 반응 메커니즘을 분석하고자 한다. 일반적으로 반응속도론의 활성화 에너지 Ea는 열분해 곡선과 반응모델을 비교하는 방법, 즉 model-fitting approach로 구할 수 있다[12].
본 연구에서는 순수한 AP, 그리고 물리적 혼합과 D/A 공정에 의해 제조된 Al/RDX/AP 복합체에 대한 열분석 결과를 분석하였다. 등전환 방법으로 계산된 평균 활성화 에너지를 기반으로 실제 분해 곡선을 정확히 모사할 수 있는 분해 반응 모델 및 분해 메커니즘을 추산하였다.
반면 Jankovic에 의한 model-fitting은 등전환방법을 이용해 구한 평균 활성화 에너지로부터 지수 함수를 그대로 적분하기 때문에 실험 결과와 모델과의 차이가 상대적으로 명확하며 이때 결정계수는 식 (8)과 (9)를 비교하여 구할 수 있다[12]. 본 연구에서는Janokovic에 의한 방법을 이용해 복합체의 분해 메커니즘을 보다 정확하게 추산하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 순수한 AP, 그리고 물리적 혼합과 D/A 공정에 의해 제조된 Al/RDX/AP 복합체에 대한 열분석 결과를 분석하였다. 등전환 방법으로 계산된 평균 활성화 에너지를 기반으로 실제 분해 곡선을 정확히 모사할 수 있는 분해 반응 모델 및 분해 메커니즘을 추산하였다. D/A 공정으로 제조된 Al/RDX/AP 복합체의 분해개시 온도는 물리적 혼합에 의한 복합체보다 약 50 ℃ 정도 감소하였고 동시에 상대적인 열적 안정성도 우수한 것으로 확인되었다.

대상 데이터

AP와 RDX의 결정화를 유도하기 위해 사용되는 용매 N-methyl-2-pyrrolidonne (NMP, > 99%)과 반용매 dichloromethane(DCM, 99.5%)은 (주)대정화금에서 구입하였다.
본 연구에서 사용된 고에너지 물질 AP와 RDX는 (주)한화에서 제공받았으며, (주)창성에서 구입한 Al (30 µm)은 별도의 처리를 거치지 않고 사용되었다.

이론/모형

그러나 HTD구간에서는 주로 결정표면에서 분해가 일어나며 이때 주요 분해 생성물은 HCl, H₂O, N₂O, NH₃, Cl₂, NO, O₂, NO₂, ClO₂이다[15]. 그러므로1차 분해 구간에 대해서는 핵생성 모델(nucleation model)로, 2차 분해구간에 대해서는 기하 축소 모델(geometrical contraction model)과 확산 모델(diffusion model)로 각각 model-fitting을 수행하였다.

성능/효과

등전환 방법으로 계산된 평균 활성화 에너지를 기반으로 실제 분해 곡선을 정확히 모사할 수 있는 분해 반응 모델 및 분해 메커니즘을 추산하였다. D/A 공정으로 제조된 Al/RDX/AP 복합체의 분해개시 온도는 물리적 혼합에 의한 복합체보다 약 50 ℃ 정도 감소하였고 동시에 상대적인 열적 안정성도 우수한 것으로 확인되었다. D/A 공정에 의한 복합체와 물리적 혼합에 의한 복합체는 모두 저온 분해 영역에서 실제AP의 분해 메커니즘과 유사한 Prout-Tompkins (B1) 모델로 모사된다.
Table 2는 Figure 10에서 구한 평균 활성화 에너지로부터 식 (6)의 적분항을 계산하여 반응 모델들과의 차이를 나타낸 것이다. 그 결과 1차 분해 구간은Prout-Tompkins (B1) model에 의해, 2차 분해 구간은 zero-order (F0)model에 의해 높은 정확도로 모사됨을 알 수 있다. 여기서 모델 B1의 상수 c는 2.
반면 고온 분해에서는 각각 zero-order (F0)와 contracting volume (R3)모델로 잘 모사된다. 본 연구에서 수행한 수치 해석적 방법만으로는AP 분해 메커니즘의 전이를 명확하게 설명할 수 없으나, 연소열의 배출이 원활하지 않을 경우에 주로 관찰되는 zero-order 메커니즘이 D/A공정에 의해 geometric contraction 메커니즘으로 전이되는 결과로부터 복합체 구조에 의해 AP의 연소 성능이 향상되었다고 평가된다. 즉 D/A 공정에 의해 제조된 복합체는 Al과 RDX 및 AP 입자간의 물리적 거리가 더욱 짧아지므로 구성 물질 간 열 및 물질 전달의 효율이 향상되고, 따라서 분해 온도가 낮아짐으로써 저온에서 다량의 기체 발생이 유도된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	금속 연료와 산화제 간 물리적 거리를 줄인 코어/쉘 구조의 복합 에너지 구조체가 열 및 물질 전달의 효율을 높일 수 있는 새로운 대안이 될 수 있는 근거는 무엇인가?	최근 ammonium perchlorate (AP) 기반 고체추진제는 무기체계의 고도화에 따라 미사일의 기동성과 둔감성 그리고 은밀성을 확보할 수 있는 기술 개발에 관심이 집중되고 있다[1-2]. 특히 1,3,5-trinitroperhydro-1,3,5-triazine (RDX), 1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocane (HMX), 2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitane (HNIW) 등의 고에너지 물질의 첨가는 연소 시 발생하는 기체의 무연화와 밀도 증가에 따른 비추력 향상, 동시에 외부 자극에 의한 둔감성과 인장강도를 높일 수 있어 많은 주목을받고 있다[3-4]. 이와 같은 성능은 구성 성분 간 물질 전달 효율에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 따라서 금속 연료와 산화제 간 물리적 거리를 줄인 코어/쉘 구조의 복합 에너지 구조체는 열 및 물질 전달의 효율을 높일 수 있는 새로운 대안이 될 수 있다[5-7].
	최근 ammonium perchlorate (AP) 기반 고체추진제의 관심이 집중되는 이유는?	최근 ammonium perchlorate (AP) 기반 고체추진제는 무기체계의 고도화에 따라 미사일의 기동성과 둔감성 그리고 은밀성을 확보할 수 있는 기술 개발에 관심이 집중되고 있다[1-2]. 특히 1,3,5-trinitroperhydro-1,3,5-triazine (RDX), 1,3,5,7-tetranitro-1,3,5,7-tetrazocane (HMX), 2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazaisowurtzitane (HNIW) 등의 고에너지 물질의 첨가는 연소 시 발생하는 기체의 무연화와 밀도 증가에 따른 비추력 향상, 동시에 외부 자극에 의한 둔감성과 인장강도를 높일 수 있어 많은 주목을받고 있다[3-4].
	코어/쉘 구조 복합체의 장점은?	근본적으로 코어/쉘 구조 복합체는 그레인(grain) 구조의 layer-bylayer 형태로의 연소를 유도하며[8], 연소 시 생성되는 용융 알루미늄(Al)의 거대 응집을 억제하여 반응시간을 단축시키는 장점을 가지고있다. 코어/쉘 구조 복합체 중 매트릭스 타입은 분무건조에 의한 제법이 보고되고 있으나, 공정 특성상 고온 또는 고전압에서 운전되기 때문에 정적 점화의 가능성을 배제할 수 없다[9].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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