テルミット法

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アルミニウムと酸化銅(II) によるテルミット反応

テルミット法(テルミットほう、thermite process)とは金属アルミニウムで金属酸化物を還元する冶金法の総称である。ギリシャ語の(therm - 熱)に由来する。別称としてテルミット反応アルミノテルミー法 (aluminothermy process) とも呼ばれる。また、この方法はハンス・ゴルトシュミットen:Hans Goldschmidt)により発明されたのでゴルトシュミット法とも呼ばれる。

金属酸化物と金属アルミニウムとの粉末混合物に着火すると、アルミニウムは金属酸化物を還元しながら高温を発生する。この還元性と高熱により目的の金属融塊は下部に沈降し、純粋な金属が得られる。また、この方法は炭素燃料を使用しないため、生成金属に炭素が含まれないという特徴もある。また、金属だけでなくアルミニウムの粉末と氷の微粒子を混合してもテルミット反応が起きる。

アルミニウムと金属酸化物の金属のイオン化傾向の差が大きいほど、多量の熱を発生する。

たとえば、3価の酸化鉄とアルミニウムの反応では、

 \rm Fe_2O_3 \rm + 2\rm Al \rarr \rm Al_2O_3 \rm + 2\rm Fe

ΔH = -851.5 kJ/mol

で発生する熱は851.5kJ/molである。

用途[編集]

ゴールドサミット溶接されるロングレール

現在では、クロムコバルトマンガンバナジウムや特殊な合金鉄の冶金などに利用されている。

古くから鉄の溶接に使用され、テルミット溶接とも呼ばれた。その際に使用する酸化鉄とアルミニウムの混合物をテルミット (thermit)と呼ぶことがある。複雑な設備を必要としない方法なので、鉄道線路の敷設・改修・保守などでレールを溶接するときに多用される。JRなどでは「ゴールドサミット溶接」と呼ばれている。

テルミット反応を利用した合金鉄として、フェロモリブデンがある。フェロモリブデンは、三酸化モリブデンと鉄の合金である。現在日本でフェロモリブデンを製造しているのは2社のみで、大半は中華人民共和国チリから輸入している。用途はステンレスなどの特殊鋼を作る原料である。

冶金以外の用途として、教育分野では高等学校化学Ⅰの無機化学の分野で酸化還元反応の一例として教科書に記載されている場合があり、演示実験として酸化鉄Ⅲ-アルミニウム粉末テルミット反応が使われる場合がある。 また、テルミット反応は高熱と光を発する特徴があるので、軍事目的においては焼夷弾に利用されている。テルミットに火工品を添加して焼夷目的に特化したものをサーメートと呼ぶことがある。また、構成する物質の毒性が低く、従来の固体燃料ロケットよりも安定性、貯蔵性に優れる為、ロケット等の推進剤としても検討される。

ナノテルミット[編集]

ナノテルミットは"スーパーテルミット"とも呼ばれ[1]点火後高温の発熱反応を特徴とする一部の準分子複合体(MICs)の通称である。ナノテルミットはナノメータースケールで親密に混合された酸化剤と還元剤を含む。ナノテルミットの材料を含むMICsは反応物質として軍用の推進剤や爆薬や火工品としての使用が検討されている。 MICsと従来のテルミットと区別するものは酸化剤と還元剤が従来の物が酸化鉄とアルミニウムが微粉であるのに対しMICsはナノ粒子であることである。これによってマイクロメーターサイズの粉末テルミットに対して劇的に反応性が増加する。燃焼速度は低下するので従来のテルミットの大量輸送のメカニズムはこのスケールでは重要ではなく、反応は力学的に制御されより早くなる。

用途[編集]

歴史的に火工品や爆薬の用途では従来のテルミットはエネルギー開放速度が遅いが故に限定的に留まっていた。しかしナノテルミットは原子レベルに近づく反応粒子によって創造されエネルギー開放速度は増加する。[2] MICsまたはスーパーテルミットは全体的に推進剤や爆薬や火工品として軍用として開発される。高い反応速度によりナノテルミット材料はアメリカ軍でより強力な新型爆弾として研究されている。[3] ナノエネルギー物質は従来使用されて来たエネルギー物質よりも多くのエネルギーを貯蔵できるので放出するエネルギーを調節することで革新的な用途へ用いる事ができる。燃料気化爆弾はナノエネルギー物質の用途として検討されている。1990年代初頭より軍用のナノサイズの物質の研究が始まった。[4]

種類[編集]

多くの熱力学的に安定な燃料と酸化剤の可能な組み合わせがある。いくつかを示す:

軍用の研究ではアルミニウム-酸化モリブデン、アルミニウム-テフロンやアルミニウム-酸化銅(II)が有力視される。[4]他に試験された組成としてはナノサイズのRDXと熱可塑性エラストマーとPTFEや他のフッ素系樹脂を組成の結合剤として使用した物がある。アルミニウムとの反応はマグネシウムテルミットにエネルギー反応を加えた物に似ている。[5]

一覧にある組成でAl-KMnO4は最大の猛度でAl-MoO3とAl-CuOはけた違いに遅い規模である。同様にAl-Fe2O3も遅い [6] ナノ粒子は溶液の噴霧乾燥や不溶性の場合は適切な前駆体を噴射して熱分解することで調製する。複合材料はゾルゲル法或いは従来の混合と押し出しによって調製される。

似ているが本質的に異なるものとしてナノラミネーテッドパイロテクニック積層やエネルギーナノ複合材がある。これらの組織は燃料と酸化剤を微粒子にして混ぜずに薄い層を積層している。一例として多層エネルギー構造体はエネルギー増強材料に被覆されるかも知れない。材料と層のサイズを選ぶことによって反応速度や反応開始温度や多層構造に交互に不活性層を間に入れることによってエネルギー伝播を制御できる。[7]

製造[編集]

殆んどのナノテルミット材料において鍵となるナノスケールまたは超微粒の(UFG)のアルミニウム粉の製造法はロスアラモス研究所のWayne DanenとSteve Sonが開発したダイナミック気相濃縮法である。類似の方法が海軍水上戦センターのインディアンヘッド部門で使用されている。製造の重要な点は粒子のサイズを10ナノメートルでそろえて製造する能力である。2002年にはナノサイズのアルミ粒子の製造に相当な努力が必要で商業的に入手材料は限られていた。[4]ローレンス・リバモア国立研究所のRandall Simpson, Alexander Gash達が開発したゾルゲル法による方法は実際のナノスケールのエネルギー物質の混合物を作ることに使用できる。工程に応じて異なる密度のMICを製造できる。多孔質で均一な製品が超臨界抽出法によってできる。[4]

点火[編集]

ナノスケールの混合物は従来のテルミットよりも容易に着火する。ニクロム線が使用される。他に点火方法にレーザーパルスもある。ロスアラモス研究所ではスーパーテルミット電気点火器が低電流点火と摩擦抵抗、衝撃、熱、静電気放電に競合して開発されている。[1] MICは雷管や電気式点火器に含まれる鉛(スチフニン酸鉛アジ化鉛)を置換することが検討されている。Al-Bi2O3を基にした組成が使用される傾向にある。PETNが選択肢として加えられるかもしれない。[8][9] MICは改良することで爆発性も増加できる。[10] アルミニウムは通常、エネルギー収率を増加させる為に火薬に加えられる。アルミニウム粉末に少量のMICを添加する事で全体の燃焼率が増加し、燃焼率改良剤として機能する。[11]

テルミット混合物の点火によるテルミット反応によって通常金属酸化物と金属が生成される。混合物の成分によって一般的に反応中の温度により生成物は固体、液体、気体になる。[12] LANLによって開発されたスーパーテルミット電気式点火器は他の焼夷弾や爆発物に点火する熱を出す為に単純な火花、ホットスラッグ、液滴や炎を発する。[1]

危険性[編集]

従来のテルミット同様にスーパーテルミットの使用時に高温を発生し、一度始まった反応を途中で止める事は大変困難である。さらにナノテルミットの組成と形態は安全のために重要な要素である。一例として層の厚さを変える事によりエネルギーナノラミネートは反応を制御可能にする。[7] テルミット反応は危険な紫外光を放射するので直接見るべきではなく、保護めがねを着用すべきである。

ALICE[編集]

粉末状のアルミニウムと微細な氷の粒子を混合したALICE推進剤はテルミット反応により推進力を供給する。

脚注[編集]

  1. ^ a b c Lead-Free Super-Thermite Electric Matches”. Los Alamos National Laboratory. 2009年12月2日閲覧。
  2. ^ Effect of Al particle size on the thermal degradation of Al/teflon mixtures”. Informaworld.com (2007年8月8日). 2010年3月3日閲覧。
  3. ^ Gartner, John (Jan.21, 2005). “Military Reloads with Nanotech”. MIT Technology Review. http://www.technologyreview.com/computing/14105/ 2009年5月3日閲覧。. 
  4. ^ a b c d Murday, James S. (2002). “The Coming Revolution: Science and Technology of Nanoscale Structures”. AMPTIAC Quarterly 6 (1). http://www.p2pays.org/ref/34/33115.pdf 2009年7月8日閲覧。. 
  5. ^ 2002 Assessment of the Office of Naval Research's Air and Surface Weapons Technology Program, Naval Studies Board (NSB)”. Books.nap.edu (2003年6月1日). 2010年3月3日閲覧。
  6. ^ Reaction Kinetics and Thermodynamics of Nanothermite Propellants”. Ci.confex.com. 2010年3月3日閲覧。
  7. ^ a b WIPO (2009年3月2日). “(WO/2005/016850) Nano-laminate-based Ignitors”. Wipo.int. 2010年3月3日閲覧。
  8. ^ Metastable Intermolecular Composites (MIC) for Small Caliber Cartridges and Cartridge Actuated Devices (PDF) (PDF)”. 2010年3月3日閲覧。
  9. ^ Selected Pyrotechnic Publications of K.L. and B.J. Kosanke”. Jpyro.com (2009年9月30日). 2010年3月3日閲覧。
  10. ^ Los Alamos National Laboratory • Est 1943. “Chemistry Division Capabilities”. Los Alamos National Lab. 2010年3月3日閲覧。
  11. ^ Aluminum Burn Rate Modifiers Based on Reactive Nanocomposite Powders (PDF) (PDF)”. 2010年3月3日閲覧。
  12. ^ A Survey of Combustible Metals, Thermites, and Intermetallics for Pyrotechnic Applications” (July 1–3,1996). 2009年7月17日閲覧。

関連項目[編集]