纳米含能材料的静电喷雾法制备与燃烧特性表征

发布时间：2017-07-28 13:00

  本文关键词：纳米含能材料的静电喷雾法制备与燃烧特性表征

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【摘要】：本文基于静电喷雾原理研发了纳米含能材料复合颗粒制备技术,并对其工艺参数进行了优化设计和实验验证。基于该技术,制备了包括纳米铝粉／硝化纤维、纳米铝粉／纳米氧化铜／硝化纤维、 (微)纳米铝粉／高氯酸铵／硝化纤维,纳米铝粉／纳米氧化铜／高氯酸铵、纳米铝粉／纳米氧化铜／碘、纳米铝粉／纳米金属碘酸物／硝化纤维等一系列的纳米含能材料复合颗粒。对复合物颗粒的形貌及尺寸、热分解特性、燃烧压力和速度、点火温度、反应动力学过程等进行了系统的表征。并对相关结果进行了系统的讨论与分析,提出了提高纳米含能材料燃烧性能的技术方案。为进一步提高纳米含能材料在推进剂、炸药及烟火剂中的应用效能打下了基础,为开发新型含能材料提供了一个可行的技术手段。本文的主要创新工作如下：首先,采用静电喷雾的方法成功将纳米铝粉在硝化纤维这一含能粘合剂的作用下,组装成表面密实内部多孔的微米级球形颗粒。得到的微米级复合球形颗粒具有较窄的粒径分布,结构结实不易破碎,且具有较高的比表面积。通过调节纳米铝粉的加载量、硝化纤维粘合剂的浓度或静电喷雾推进速率,可以简便地改变微米复合颗粒的尺寸。不同硝化纤维含量的复合微米颗粒,其燃烧速度、点火延迟时间、燃烧时长等也有所变化。对相应的反应机理进行了分析,建立了纳米含能材料复合颗粒的静电喷雾法制备技术。其次,采用硝化纤维作为粘合剂,利用上述技术方法组装纳米铝粉和常见的纳米金属氧化物(CuO,Bi2O3,Fe2O3),制成具有高反应活性的微米级复合颗粒。结果表明,燃料(铝粉)和氧化物(金属氧化物)混合的均匀程度比物理超声混合法有很大提高,从而使两者之间的接触面积增大,传质距离缩短。此外,复合颗粒的粒径可随硝化纤维含量的增加而增大。而随着纳米颗粒在前驱液中加载量的变化,复合颗粒的粒径基本不变。在密闭空间内测试了复合颗粒的燃烧性能,得到了其燃烧压力、压力上升速率及燃烧时间等燃烧特征参数。结果显示,静电喷雾法制备的纳米铝热剂复合颗粒(含5%硝化纤维),其爆炸峰值压力是物理混合制成的2倍以上。将纳米颗粒在前驱液中加载量缩小到三分之一,其爆炸峰值压力还能再提高2倍。将反应后的产物收集,并用扫描电镜及能谱仪分析发现,有静电喷雾法制备的复合颗粒由于烧结团聚现象而产生的残渣颗粒比传统纳米铝热剂的小很多。分析发现,硝化纤维受热分解,产生的气体能够防止纳米颗粒的烧结,从而最大程度地在燃烧过程中保持纳米特性；同时,混合的均匀度提高以及独特的微米球结构也有助于其反应活性的提升。再次,将高氯酸铵溶于前驱液中,利用上述方法制备了纳米铝粉／高氯酸铵／硝化纤维(Al/AP/NC)复合颗粒,以及纳米铝粉／纳米氧化铜／高氯酸铵(Al/CuO/AP)复合颗粒。结果显示,高氯酸铵与纳米颗粒成功复合,而且如果用量适当,可实现对纳米颗粒的包覆。研究表明,包覆有高氯酸铵的纳米铝粉和微米铝粉燃烧猛烈且均匀,燃烧残渣较小。而含13%高氯酸铵的Al/CuO/AP复合颗粒具有最强的反应活性。作者推测,高氯酸铵作为一种气体发生剂,起到了和上述硝化纤维一样的作用——也就是引燃时产生气体从而防止纳米颗粒之间的团聚和烧结,从而提高了复合颗粒的反应活性。至此,作者结合前四章的工作,提出了可能提高纳米含能材料燃烧效能的措施。此外,在上述工作的基础上,还将单质碘溶入前驱液中,制备了含碘的纳米铝热剂微米复合颗粒,其中碘的含量可在5%-50%(质量分数)范围内调节。研究还发现,随着碘含量的增加,纳米铝热剂复合颗粒中的碘晶体增大,其整体反应活性急速减弱,其燃烧时间大大增加。另外,还研究了含碘纳米铝热剂的反应过程和反应产物,提出了其反应的机理。最后，，还利用球磨法合成了碘酸铜纳米颗粒,并利用化学沉淀法合成了碘酸铋和碘酸铁纳米颗粒。利用热重／差热扫描量热仪研究了其热分解特性,发现三种碘酸物相似的热分解曲线,及其相似的晶型转换特性。其中,还发现了碘酸铋的两种晶型。利用上述方法将三种金属碘酸物和铝粉纳米颗粒在硝化纤维的帮助下组装成尺寸均一、混合均匀的微米球颗粒。经燃烧测试发现,三种铝热剂的爆燃压力都接近5MPa,是其相应金属氧化物铝热剂压力的数倍甚至数十倍,是活性很高的新型纳米铝热剂。经实验验证,作为一类新型强氧化剂,金属碘酸物还能快速分解并释放大量氧气和游离碘,使纳米铝热剂能在较低温度下点火并产生高温高压。被汽化的碘蒸气能够快速进入芽孢内部,从而有效地杀灭细菌孢子。
【关键词】：静电喷雾 铝热剂 推进剂 纳米铝粉 硝化纤维 碘酸盐
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB34;TK16
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 1 绪论18-39
• 1.1 研究的背景及意义18-20
• 1.2 复合含能材料的发展趋势20-24
• 1.2.1 添加高能量的金属粉以提高能量密度20-21
• 1.2.2 将微米组分替换为纳米组分以增加反应速率21-24
• 1.2.3 更加紧密的组装以提高反应速率24
• 1.3 基于纳米铝粉的复合含能材料遇到的问题24-27
• 1.3.1 尺寸不均一、装填困难25
• 1.3.2 点火延迟长、燃烧不充分25-26
• 1.3.3 点火与燃烧机理不清楚26-27
• 1.4 制备纳米复合含能材料的方法27-31
• 1.4.1 物理混合法27-28
• 1.4.2 喷雾法28-29
• 1.4.3 溶胶-凝胶法29
• 1.4.4 自组装法29-30
• 1.4.5 分层气相沉积法30
• 1.4.6 失活球磨法30-31
• 1.4.7 油墨打印与3D打印31
• 1.5 静电喷雾——一种简便的制备及组装纳米颗粒的方法31-38
• 1.5.1 静电喷雾的几种模式32-34
• 1.5.2 静电喷雾中形成液滴尺寸的控制34-35
• 1.5.3 静电喷雾法制备微/纳米颗粒研究现状35-37
• 1.5.4 静电喷雾中形成固体颗粒形貌的控制37-38
• 1.6 本章小结38-39
• 2 静电喷雾法制备微/纳米铝粉/硝化纤维微米球复合材料39-56
• 2.1 基于纳米铝粉的复合颗粒的静电喷雾法制备技术研发40-43
• 2.1.1 Al/NC复合颗粒制备系统的建立40-41
• 2.1.2 Al/NC复合颗粒的制备过程41-43
• 2.1.3 Al/NC复合颗粒的制备参数优化43
• 2.2 Al/NC复合颗粒的形貌和尺寸43-50
• 2.2.1 Al/NC复合颗粒的形貌控制43-47
• 2.2.2 Al/NC复合颗粒的尺寸控制47
• 2.2.3 单个Al/NC复合颗粒47-50
• 2.3 Al/NC复合颗粒的燃烧特性及机理分析50-54
• 2.4 本章小结54-56
• 3 基于金属氧化物的纳米铝热剂复合颗粒的制备及燃烧性能56-70
• 3.1 纳米铝热剂的静电喷雾法制备58-59
• 3.1.1 纳米铝热剂制备所需材料及试剂58
• 3.1.2 纳米铝热剂前驱液的制备58-59
• 3.1.3 纳米铝热剂的静电喷雾法制备59
• 3.1.4 纳米铝热剂的物理超声混合法制备59
• 3.2 以Al/CuO为代表的纳米铝热剂复合颗粒的制备及形貌表征59-62
• 3.3 纳米铝热剂密闭燃烧罐试验结果及分析62-66
• 3.4 纳米铝热剂快速加热丝试验结果及分析66-67
• 3.5 纳米铝热剂高反应活性的机理分析67-69
• 3.6 本章小结69-70
• 4 基于可溶性强氧化剂的纳米含能材料复合颗粒的制备及燃烧性能表征70-80
• 4.1 含高氯酸铵纳米含能材料的静电喷雾法制备71
• 4.1.1 含高氯酸铵纳米含能材料制备所需材料及试剂71
• 4.1.2 含高氯酸铵纳米含能材料前驱液的制备71
• 4.1.3 含高氯酸铵纳米含能材料的静电喷雾制备过程71
• 4.2 Al/AP复合颗粒的静电喷雾法制备与形貌表征71-72
• 4.3 Al/CuO/AP复合颗粒的静电喷雾法制备与形貌表征72-73
• 4.4 Al NPs/AP和Al MPs/AP复合颗粒的快速加热丝试验结果及分析73-74
• 4.5 Al MPs/AP复合颗粒的高压脉冲点火试验结果及分析74-75
• 4.6 Al/CuO/AP复合颗粒的高压脉冲点火试验结果及分析75-76
• 4.7 Al/CuO/AP复合颗粒的密闭燃烧罐试验结果及分析76-77
• 4.8 提高含铝含能材料燃烧性能的方式77-78
• 4.8.1 包覆气体发生剂77
• 4.8.2 将燃料和氧化剂紧密组装77
• 4.8.3 制备大小均一并带有纳米特性的微米颗粒77-78
• 4.9 本章小结78-80
• 5 含碘单质的纳米铝热剂复合颗粒的制备及燃烧特性表征80-95
• 5.1 含碘纳米铝热剂的静电喷雾法制备82-83
• 5.1.1 含碘纳米铝热剂的前驱液制备过程82-83
• 5.1.2 含碘纳米铝热剂的静电喷雾法制备过程83
• 5.1.3 含碘纳米铝热剂的物理特性表征手段83
• 5.2 物理超声混合法制备的含碘Al/CuO复合颗粒形貌特征83
• 5.3 静电喷雾法制备的含碘Al/CuO复合颗粒形貌特征83-85
• 5.4 含碘Al/CuO纳米铝热剂的密闭燃烧罐试验结果及分析85-86
• 5.5 含碘Al/CuO纳米铝热剂的快速加热丝试验结果及分析86-87
• 5.6 含碘Al/CuO纳米铝热剂燃烧产物的电镜结果及分析87-89
• 5.7 含碘Al/CuO纳米铝热剂燃烧产物的XRD结果及分析89-90
• 5.8 含碘Al/CuO纳米铝热剂的扫描电镜快速加热台试验结果及分析90-91
• 5.9 含碘Al/CuO纳米铝热剂的快速加热/时间飞行质谱试验结果及分析91-94
• 5.10 本章小结94-95
• 6 基于金属碘酸物的新型纳米铝热剂复合颗粒的制备及性能表征95-118
• 6.1 金属碘酸物纳米颗粒的制备过程100-101
• 6.1.1 金属碘酸物纳米颗粒的制备所需试剂100
• 6.1.2 碘酸铜纳米颗粒的制备过程100
• 6.1.3 碘酸铋、碘酸铁纳米颗粒的制备过程100-101
• 6.2 基于金属碘酸物的纳米铝热剂的静电喷雾法制备过程101
• 6.2.1 物理超声混合法制备基于金属碘酸物的纳米铝热剂101
• 6.2.2 静电喷雾法制备基于金属碘酸物的纳米铝热剂101
• 6.3 Bi(IO_3)_3,Cu(IO_3)_2和Fe(IO_3)_3纳米颗粒的制备及物理特性表征101-105
• 6.4 静电喷雾法制备的基于金属碘酸物的纳米铝热剂复合颗粒形貌105
• 6.5 物理超声混合法制备的基于金属碘酸物的纳米铝热剂复合颗粒形貌105-106
• 6.6 基于金属碘酸物的纳米铝热剂的密闭燃烧罐试验结果及分析106-109
• 6.7 基于金属碘酸物的纳米铝热剂的快速加热/飞行时间质谱试验结果及分析109-110
• 6.8 三种不同金属碘酸物的纳米铝热剂燃烧特性对比及分析110-112
• 6.9 基于金属碘酸盐的纳米铝热剂的芽孢灭活试验结果及分析112-117
• 6.10 本章小结117-118
• 7 结论及展望118-121
• 7.1 结论118-119
• 7.2 论文的创新点119-120
• 7.3 论文不足及后续工作展望120-121
• 致谢121-122
• 参考文献122-141
• 附录141-142

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 刘淑萍;刘娟娟;;高压静电喷雾技术在药物微囊制备中的应用进展[J];化工技术与开发;2013年01期

本文编号：584138