1. Performance Enhancement via Incorporation of ZnO Nanolayers in Energetic Al/CuO Multilayers
- Author
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Yves J. Chabal, Antonio T. Lucero, Iman Abdallah, Carole Rossi, Lorena Marín, Yuzhi Gao, Jiyoung Kim, Maxime Vallet, Christophe Tenailleau, Alain Estève, Bénédicte Warot-Fonrose, Équipe Nano-ingénierie et intégration des oxydes métalliques et de leurs interfaces (LAAS-NEO), Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS), Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole), Université de Toulouse (UT), Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES), Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre interuniversitaire de recherche et d'ingenierie des matériaux (CIRIMAT), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), University of Texas at Dallas [Richardson] (UT Dallas), Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse 1 Capitole (UT1), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse 1 Capitole (UT1), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées, Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC), Centre National de la Recherche Scientifique - CNRS (FRANCE), Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT (FRANCE), Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse - INSA (FRANCE), Université Toulouse III - Paul Sabatier - UT3 (FRANCE), University of Texas at Dallas (USA), Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), and Institut National Polytechnique de Toulouse - Toulouse INP (FRANCE)
- Subjects
Materials science ,Matériaux ,Aluminate ,nanothermite ,Enthalpy ,chemistry.chemical_element ,Nanotechnology ,02 engineering and technology ,Zinc ,01 natural sciences ,[SPI.MAT]Engineering Sciences [physics]/Materials ,Barrier layer ,Al ,chemistry.chemical_compound ,[CHIM.GENI]Chemical Sciences/Chemical engineering ,Differential scanning calorimetry ,Sputtering ,0103 physical sciences ,Electrochemistry ,Génie chimique ,General Materials Science ,Spectroscopy ,010304 chemical physics ,[CHIM.MATE]Chemical Sciences/Material chemistry ,Surfaces and Interfaces ,021001 nanoscience & nanotechnology ,Condensed Matter Physics ,CuO ,nanolaminate ,chemistry ,Chemical engineering ,Transmission electron microscopy ,ZnO ,0210 nano-technology ,Layer (electronics) - Abstract
International audience; Al/CuO energetic structure are attractive materials due to their high thermal output and propensity to produce gas. They are widely used to bond components or as next generation of MEMS igniters. In such systems, the reaction process is largely dominated by the outward migration of oxygen atoms from the CuO matrix toward the aluminum layers, and many recent studies have already demonstrated that the interfacial nanolayer between the two reactive layers plays a major role in the material properties. Here we demonstrate that the ALD deposition of a thin ZnO layer on the CuO prior to Al deposition (by sputtering) leads to a substantial increase in the efficiency of the overall reaction. The CuO/ZnO/Al foils generate 98% of their theoretical enthalpy within a single reaction at 900 °C, whereas conventional ZnO-free CuO/Al foils produce only 78% of their theoretical enthalpy, distributed over two distinct reaction steps at 550 °C and 850 °C. Combining high-resolution transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and differential scanning calorimetry, we characterized the successive formation of a thin zinc aluminate (ZnAl2O4) and zinc oxide interfacial layers, which act as an effective barrier layer against oxygen diffusion at low temperature.
- Published
- 2017