核殼納米金屬-Al復合粉末的制備及其性能研究.pdf

1、本論文旨在改善復合固體推進劑的燃燒性能，采用微納米復合技術，通過對AP/HTPB/Al推進劑配方中的微米Al粉(金屬燃燒劑)進行改性，制備出了以微米Al粉為核、納米金屬粒子(燃速催化劑)為殼的復合粉末，并考察了表面包覆納米金屬粒子對Al粉在空氣中高溫氧化反應性能、對高氯酸銨(AP)和丁羥推進劑(AP/HTPB)熱分解催化性能以及對AP/HTPB推進劑燃燒催化性能的影響。本研究為進一步提高AP/HTPB推進劑的燃燒和能量特性提供了詳實的實

2、驗數(shù)據(jù)和堅實的理論基礎，主要內(nèi)容如下： 首先，采用化學鍍和原位置換兩種方法制備了核殼納米Ni-B/Al、Cu/Al、Ni/Al和Co/Al復合粉末，并對復合粉末進行了較為全面的表征。結果表明，通過對制備工藝參數(shù)的調控，納米Ni-B、Cu、Ni、Co在Al粉表面均實現(xiàn)了均勻、致密地包覆，其中Co/Al復合粉末中的納米Co粒子可以具有球形和片狀兩種形貌。相比化學鍍法而言，置換法具有工藝簡單、反應迅速、包覆物可定量等優(yōu)點，可以推廣為A

3、l粉表面金屬改性包覆的普適性方法。 其次，考察了表面包覆納米金屬粒子對Al粉在空氣中高溫氧化反應過程的作用。以復合粉末的TG增重率和DSC放熱量為衡量標準，利用TG/DSC同步熱分析研究了復合粉末中Al粉在空氣中的高溫氧化反應性能，即高溫下Al粉受熱轉化為氧化鋁的氧化效率(包括氧化完全程度、氧化速率及氧化放熱量)。結果表明：(1)納米金屬/Al復合粉末的高溫氧化反應性能較原料Al粉均有不同程度的提高；(2)復合粉末中隨著納米金屬

4、層質量分數(shù)的增加，其高溫氧化反應性能增強；(3)Al粉表層納米金屬粒子的尺寸與形貌對復合粉末的高溫氧化反應性能也均有影響，如微米Cu的包覆不能明顯改善Al粉的高溫氧化反應性能，球形納米Co包覆的促進效果要明顯高于片狀納米Co包覆：(4)當與復合粉末具有相同質量分數(shù)的納米金屬粒子簡單摻雜于原料Al粉中時，其對Al粉的高溫氧化反應性能沒有明顯的促進作用。在實驗數(shù)據(jù)結果的基礎上，提出了原料Al粉和核殼納米金屬/Al復合粉末的氧化反應機理。

5、 第三，對比研究了核殼納米金屬/Al復合粉末與相應的單一納米金屬對AP及其AP/HTPB推進劑熱分解的催化性能，根據(jù)熱分解峰溫和表觀分解熱的變化來衡量其催化效果。結果表明，對AP以及AP/HTPB推進劑的熱分解，納米金屬/Al復合粉末均比相應單一的納米金屬具有更好的催化效果，其中催化性能最好的是含有片狀納米Co粒子的Co/Al復合粉末，它使AP以及AP/HTPB的高溫分解峰溫分別降低了179.9℃和60.5℃。 鑒于微米Al

6、粉對納米金屬粒子的承載既能提高Al粉高溫下氧化反應性能，又能較好地催化AP以及AP/HTPB推進劑的熱分解，為此研究了核殼納米金屬/Al復合粉末對AP/HTPB推進劑燃燒性能的影響。采用靶線法對推進劑的燃速和壓力指數(shù)分別進行了測定和計算，根據(jù)燃速和壓力指數(shù)的變化，最終考察各種復合粉末對推進劑燃燒性能的催化作用。結果表明，對于AP/HTPB推進劑燃速和壓力指數(shù)的影響，核殼納米金屬/Al復合粉末起到了很好的催化效果，其中納米Cu/Al復合粉