納米含能材料的靜電噴霧法制備與燃燒特性表征.pdf

1、本文基于靜電噴霧原理研發(fā)了納米含能材料復(fù)合顆粒制備技術(shù)，并對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。基于該技術(shù)，制備了包括納米鋁粉/硝化纖維、納米鋁粉/納米氧化銅/硝化纖維、（微）納米鋁粉/高氯酸銨/硝化纖維，納米鋁粉/納米氧化銅/高氯酸銨、納米鋁粉/納米氧化銅/碘、納米鋁粉/納米金屬碘酸物/硝化纖維等一系列的納米含能材料復(fù)合顆粒。
　　對(duì)復(fù)合物顆粒的形貌及尺寸、熱分解特性、燃燒壓力和速度、點(diǎn)火溫度、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程等進(jìn)行了系統(tǒng)的表征。

2、并對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)的討論與分析，提出了提高納米含能材料燃燒性能的技術(shù)方案。為進(jìn)一步提高納米含能材料在推進(jìn)劑、炸藥及煙火劑中的應(yīng)用效能打下了基礎(chǔ)，為開發(fā)新型含能材料提供了一個(gè)可行的技術(shù)手段。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作如下:
　　首先，采用靜電噴霧的方法成功將納米鋁粉在硝化纖維這一含能粘合劑的作用下，組裝成表面密實(shí)內(nèi)部多孔的微米級(jí)球形顆粒。得到的微米級(jí)復(fù)合球形顆粒具有較窄的粒徑分布，結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)不易破碎，且具有較高的比表面積。通過調(diào)節(jié)納米鋁粉

3、的加載量、硝化纖維粘合劑的濃度或靜電噴霧推進(jìn)速率，可以簡(jiǎn)便地改變微米復(fù)合顆粒的尺寸。不同硝化纖維含量的復(fù)合微米顆粒，其燃燒速度、點(diǎn)火延遲時(shí)間、燃燒時(shí)長(zhǎng)等也有所變化。對(duì)相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了分析，建立了納米含能材料復(fù)合顆粒的靜電噴霧法制備技術(shù)。
　　其次，采用硝化纖維作為粘合劑，利用上述技術(shù)方法組裝納米鋁粉和常見的納米金屬氧化物(CuO，Bi2O3，F(xiàn)e2O3)，制成具有高反應(yīng)活性的微米級(jí)復(fù)合顆粒。結(jié)果表明，燃料（鋁粉）和氧化物（金屬

4、氧化物）混合的均勻程度比物理超聲混合法有很大提高，從而使兩者之間的接觸面積增大，傳質(zhì)距離縮短。此外，復(fù)合顆粒的粒徑可隨硝化纖維含量的增加而增大。而隨著納米顆粒在前驅(qū)液中加載量的變化，復(fù)合顆粒的粒徑基本不變。在密閉空間內(nèi)測(cè)試了復(fù)合顆粒的燃燒性能，得到了其燃燒壓力、壓力上升速率及燃燒時(shí)間等燃燒特征參數(shù)。結(jié)果顯示，靜電噴霧法制備的納米鋁熱劑復(fù)合顆粒（含5％硝化纖維），其爆炸峰值壓力是物理混合制成的2倍以上。將納米顆粒在前驅(qū)液中加載量縮小到三分

5、之一，其爆炸峰值壓力還能再提高2倍。將反應(yīng)后的產(chǎn)物收集，并用掃描電鏡及能譜儀分析發(fā)現(xiàn)，有靜電噴霧法制備的復(fù)合顆粒由于燒結(jié)團(tuán)聚現(xiàn)象而產(chǎn)生的殘?jiān)w粒比傳統(tǒng)納米鋁熱劑的小很多。分析發(fā)現(xiàn)，硝化纖維受熱分解，產(chǎn)生的氣體能夠防止納米顆粒的燒結(jié)，從而最大程度地在燃燒過程中保持納米特性;同時(shí)，混合的均勻度提高以及獨(dú)特的微米球結(jié)構(gòu)也有助于其反應(yīng)活性的提升。
　　再次，將高氯酸銨溶于前驅(qū)液中，利用上述方法制備了納米鋁粉/高氯酸銨/硝化纖維(Al/AP

6、/NC)復(fù)合顆粒，以及納米鋁粉/納米氧化銅/高氯酸銨(Al/CuO/AP)復(fù)合顆粒。結(jié)果顯示，高氯酸銨與納米顆粒成功復(fù)合，而且如果用量適當(dāng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米顆粒的包覆。研究表明，包覆有高氯酸銨的納米鋁粉和微米鋁粉燃燒猛烈且均勻，燃燒殘?jiān)^小。而含13％高氯酸銨的Al/CuO/AP復(fù)合顆粒具有最強(qiáng)的反應(yīng)活性。作者推測(cè)，高氯酸銨作為一種氣體發(fā)生劑，起到了和上述硝化纖維一樣的作用——也就是引燃時(shí)產(chǎn)生氣體從而防止納米顆粒之間的團(tuán)聚和燒結(jié)，從而提高了

7、復(fù)合顆粒的反應(yīng)活性。至此，作者結(jié)合前四章的工作，提出了可能提高納米含能材料燃燒效能的措施。
　　此外，在上述工作的基礎(chǔ)上，還將單質(zhì)碘溶入前驅(qū)液中，制備了含碘的納米鋁熱劑微米復(fù)合顆粒，其中碘的含量可在5％-50％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著碘含量的增加，納米鋁熱劑復(fù)合顆粒中的碘晶體增大，其整體反應(yīng)活性急速減弱，其燃燒時(shí)間大大增加。另外，還研究了含碘納米鋁熱劑的反應(yīng)過程和反應(yīng)產(chǎn)物，提出了其反應(yīng)的機(jī)理。
　　最后，還利

8、用球磨法合成了碘酸銅納米顆粒，并利用化學(xué)沉淀法合成了碘酸鉍和碘酸鐵納米顆粒。利用熱重/差熱掃描量熱儀研究了其熱分解特性，發(fā)現(xiàn)三種碘酸物相似的熱分解曲線，及其相似的晶型轉(zhuǎn)換特性。其中，還發(fā)現(xiàn)了碘酸鉍的兩種晶型。利用上述方法將三種金屬碘酸物和鋁粉納米顆粒在硝化纖維的幫助下組裝成尺寸均一、混合均勻的微米球顆粒。經(jīng)燃燒測(cè)試發(fā)現(xiàn)，三種鋁熱劑的爆燃?jí)毫Χ冀咏?MPa，是其相應(yīng)金屬氧化物鋁熱劑壓力的數(shù)倍甚至數(shù)十倍，是活性很高的新型納米鋁熱劑。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)