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)了納米含能材料復合顆粒制備技術，并對其工藝參數(shù)進行了優(yōu)化設計和實驗驗證。基于該技術，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合顆粒。
　　對復合物顆粒的形貌及尺寸、熱分解特性、燃燒壓力和速度、點火溫度、反應動力學過程等進行了系統(tǒng)的表征。

2、并對相關結果進行了系統(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方案。為進一步提高納米含能材料在推進劑、炸藥及煙火劑中的應用效能打下了基礎，為開發(fā)新型含能材料提供了一個可行的技術手段。本文的主要創(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，組裝成表面密實內部多孔的微米級球形顆粒。得到的微米級復合球形顆粒具有較窄的粒徑分布，結構結實不易破碎，且具有較高的比表面積。通過調節(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速率，可以簡便地改變微米復合顆粒的尺寸。不同硝化纖維含量的復合微米顆粒，其燃燒速度、點火延遲時間、燃燒時長等也有所變化。對相應的反應機理進行了分析，建立了納米含能材料復合顆粒的靜電噴霧法制備技術。
　　其次，采用硝化纖維作為粘合劑，利用上述技術方法組裝納米鋁粉和常見的納米金屬氧化物(CuO，Bi2O3，F(xiàn)e2O3)，制成具有高反應活性的微米級復合顆粒。結果表明，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，傳質距離縮短。此外，復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液中加載量的變化，復合顆粒的粒徑基本不變。在密閉空間內測試了復合顆粒的燃燒性能，得到了其燃燒壓力、壓力上升速率及燃燒時間等燃燒特征參數(shù)。結果顯示，靜電噴霧法制備的納米鋁熱劑復合顆粒（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。將反應后的產物收集，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合顆粒由于燒結團聚現(xiàn)象而產生的殘渣顆粒比傳統(tǒng)納米鋁熱劑的小很多。分析發(fā)現(xiàn)，硝化纖維受熱分解，產生的氣體能夠防止納米顆粒的燒結，從而最大程度地在燃燒過程中保持納米特性;同時，混合的均勻度提高以及獨特的微米球結構也有助于其反應活性的提升。
　　再次，將高氯酸銨溶于前驅液中，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)復合顆粒，以及納米鋁粉/納米氧化銅/高氯酸銨(Al/CuO/AP)復合顆粒。結果顯示，高氯酸銨與納米顆粒成功復合，而且如果用量適當，可實現(xiàn)對納米顆粒的包覆。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，燃燒殘渣較小。而含13％高氯酸銨的Al/CuO/AP復合顆粒具有最強的反應活性。作者推測，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——也就是引燃時產生氣體從而防止納米顆粒之間的團聚和燒結，從而提高了

7、復合顆粒的反應活性。至此，作者結合前四章的工作，提出了可能提高納米含能材料燃燒效能的措施。
　　此外，在上述工作的基礎上，還將單質碘溶入前驅液中，制備了含碘的納米鋁熱劑微米復合顆粒，其中碘的含量可在5％-50％（質量分數(shù)）范圍內調節(jié)。研究還發(fā)現(xiàn)，隨著碘含量的增加，納米鋁熱劑復合顆粒中的碘晶體增大，其整體反應活性急速減弱，其燃燒時間大大增加。另外，還研究了含碘納米鋁熱劑的反應過程和反應產物，提出了其反應的機理。
　　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。經燃燒測試發(fā)現(xiàn)，三種鋁熱劑的爆燃壓力都接近5MPa，是其相應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。經實驗驗