含能催化复合纳米材料的制备研究

亚铬酸铜是促进复合固体推进剂中高氯酸铵分解的一种很好的催化剂,但由于以往制备的亚铬酸铜及高氯酸铵超细微粒易发生团聚,不能有效地对高氯酸铵的分解起催化作用。本文使用高能球磨法,使纳米级亚铬酸铜嵌入或粘附于高氯酸铵晶体表面而形成复合粒子,因而大大地提高了对高氯酸铵的催化效果,使高氯酸铵的热分解反应温度区间明显前移,热分解反应的激烈程度大大提高     

亚铬酸铜/高氯酸铵超细复合粒子的制备与性能研究

采用搅拌研磨法制备了粒径小于０．１μｍ的亚铬酸铜超细粒子,然后在研磨腔内使高氯酸铵（ＡＰ）与亚铬酸铜超细粒子复合。复合粒子的形成,增加了亚铬酸铜与高氯酸铵的接触面积、提高了粒子的分散性及均匀性,使亚铬酸铜催化作用增强,ＡＰ的分解温度降低,进而使含ＡＰ复合推进剂的燃速提高。     

碳纳米管/高氯酸铵复合粒子的制备与性能研究

采用多种方法制备了碳纳米管与高氯酸铵的复合粒子,增加了碳纳米管与高氯酸铵的接触面积,提高了粒子的分散性与混合均匀性,增大了对高氯酸铵的催化效果,使高氯酸铵的分解温度大大降低.     

纳米金属粉对AP及AP/HTPB推进剂热分解的催化性能研究

用热分析法研究了纳米金属粉(Ni、Cu和Al)对高氯酸铵(AP)以及AP/HTPB推进剂热分解的催化性能.结果表明,质量分数为5%的纳米镍粉、铜粉和铝粉可以明显降低AP的高温分解温度,显示出对AP高温分解反应很好的催化活性;纳米铜粉对AP的低温分解也有很好的催化作用,而纳米镍粉和铝粉却表现出对AP低温分解反应具有一定的阻碍作用.微米级金属粉对AP高温分解反应的催化作用明显小于纳米金属粉.纳米金属粉对AP/HTPB推进剂的热分解同样具有一定的催化效果.     

石墨烯负载铜纳米粒子的制备及其催化性能研究

采用液相还原法制备了石墨烯负载铜纳米粒子(Graphene-copper nanocomposite,GCNC),对样品的形貌、晶体结构和热分解性能进行了表征和测试。结果表明:氧化石墨烯(GO)和石墨烯(r GO)呈薄片状且片层厚度较薄,铜纳米粒子均匀地负载在石墨烯薄层上。将GCNC与高氯酸铵(AP)进行复合,发现GCNC的添加质量分数为5%时,对AP的催化效果最好。分解的活化能从187.9k J/mol降到了136.5k J/mol。本研究表明GCNC对AP具有很好的催化效果。     

镁基储氢材料对AP/Al/HTPB复合固体推进剂性能的影响

用差示扫描量热仪（DSC）研究了镁基储氢材料（Mg2NiH4,Mg2Cu—H和MgH2）对高氯酸铵（AP）及AP／Al／HTPB复合固体推进剂热分解性能的影响。结果表明,含量5％的镁基储氢材料对AP热分解过程具有明显的催化促进作用。含量1．3％的镁基储氢材料可以降低AP／Al／HTPB复合固体推进剂热分解过程的热分解温度,使分解热明显增加,表现出显著的增强促进作用。燃速测定结果表明,在8MPa下,含量1．3％的Mg2 NiH4,Mg2Cu—H和MgH2可以分别使AP／Al／HTPB复合固体推进剂的燃速提高3．5％、14．4％和13．9％。镁基储氢材料对AP和AP／Al／HTPB复合固体推进剂热分解的作用效果与其含氢量有关,MgH2的含氢量大,作用效果好。镁基储氢材料主要通过催化AP／Al／HTPB复合固体推进剂中AP的热分解,表现出对AP／Al／HTPB复合固体推进剂热分解具有较好的催化效果。     

多孔聚丙烯酸盐制备及对高氯酸铵热分解的催化

基于溶胶-凝胶法将金属粒子引入高分子链中，冷冻干燥后得到的多孔含金属高分子材料兼具流散性好、比表面积大以及孔隙结构丰富等特点，既可以解决纳米金属催化剂的团聚问题，又能够提供充足的催化活性位点。制备两种纳米级别聚丙烯酸铜（PAA-Cu）和聚丙烯酸铅（PAA-Pb）多孔含金属高分子材料，采用扫描电镜、透射电镜、红外光谱法、热重质谱联用、比表面及孔隙率分析等手段，对PAA-Cu和PAA-Pb进行详细表征；利用热重-红外-气相色谱-质谱四联用，分析PAA-Cu和PAA-Pb对高氯酸铵（AP）热分解的催化效果。结果表明：PAA-Cu使AP的高温分解峰提前了143.1 ℃，PAA-Pb使AP的高温分解峰提前了73.7 ℃；碳化后PAA-Cu孔隙率和比表面积增大，Cu及其氧化物在碳骨架结构原位生成且分散均匀，二者共同增加了催化活性物质与AP的接触面积，有助于AP热分解的催化。     

MIC材料Fe2O3/Al对AP的热分解影响研究

为了改善高氯酸铵(AP)的热分解性能,采用溶胶凝胶法将MIC材料(w Fe₂O₃:w Al=3:1)与AP进行复合,采用SEM、XRD、红外光谱对其形貌进行表征,并通过DSC研究MIC材料(Fe2O3/Al)对AP热分解的催化性能。结果表明：MIC(Fe₂O₃/Al)粒子复合在AP表面,且粒子尺寸大部分为纳米级别;与原料AP相比,加入MIC材料(Fe₂O₃/Al)后,AP的低温分解峰与高温分解峰重合,使AP热分解过程只出现1个分解峰,表明复合MIC材料(Fe2O3/Al)对AP的热分解有明显的催化作用,且复合样品的放热比原料AP更加集中。与原料AP的高温分解峰温相比,加入质量比5%、10%、15%、20%MIC材料(Fe₂O₃/Al)的复合样品分解峰温分别降低了65.7℃、75.9℃、78℃、79.7℃。     

高能复合推进剂的热分解特性

探讨了不同粘合剂成分对高氯酸铵（ＡＰ）系复合推进剂热分解特性的影响。实验结果证明，ＡＰ系复合推进剂的热分解特性取决于粘合剂成分本身的热分解特性，而压力对热分解的影响较小。添加氧化铁可以促进ＡＰ的热分解和粘合剂的热分解，从而可以促进推进剂的热分解。     

AP/KP混合氧化剂的热分解特性研究

用ＤＳＣ方法研究了高氯酸铵（ＡＰ）、高氯酸钾（ＫＰ）、ＡＰ／ＫＰ（质量比分别为１／１和３／１）体系的热分解特性和一些过渡金属氧化物对上述体系热分解反应的催化作用。     

碳纳米管在AP热分解中的助催化性能

分别用溶液还原法和化学气相沉淀法制备了纳米Cu粉和Cu/CNTs（碳纳米管）复合催化剂粒子,并用TEM、SEM、XRD、FT-IR对其进行了表征;用DTA研究了纳米Cu粉和Cu/CNTs复合催化剂粒子对AP热分解的催化作用.结果表明,纳米Cu粉使AP热分解的高温分解峰温降低130.2 ℃,低温分解峰温降低了35.1 ℃,而纳米Cu/CNTs复合催化剂粒子使AP热分解的高温分解峰温降低126.3 ℃,且与低温分解峰重叠,证明碳纳米管促进了纳米Cu粉对AP热分解的催化.     

几种常用燃速催化剂对GAP基ETPE热分解的影响

采用热重(TG)和差示扫描量热法(DSC)研究了三氧化二铁(Fe_2O_3)、氧化铜(CuO)、亚铬酸铜(Cr_2Cu_2O_5)、碳酸铅(PbCO_3)、3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)铅盐(NP)、柠檬酸铅(C_6H_5O_7Pb)、炭黑(CB)对聚叠氮缩水甘油醚(GAP)基含能热塑性聚氨酯弹性体(ETPE)热分解性能的影响。结果表明:几种燃速催化剂主要对GAP基ETPE中叠氮基团热分解产生较大影响。其中,CuO和Cr_2Cu_2O_5使GAP基ETPE中叠氮基团分解峰温分别提前了21.9,13.6℃,Fe_2O_3、PbCO_3、C_6H_5O_7Pb、NP和CB使GAP基ETPE中叠氮基团分解峰温分别滞后了1.7,2.6,1.6,1.0,1.1℃;CuO、Cr_2Cu_2O_5、C_6H_5O_7Pb、CB使GAP基ETPE中叠氮基团表观分解热分别增加75.5,84,43.4,103.1J·g~(-1),Fe_2O_3、PbCO_3和NP使GAP基ETPE中叠氮基团表观分解热分别降低137.9,58.8,47.3J·g~(-1)。综合比较认为,CuO和Cr_2Cu_2O_5使GAP基ETPE中叠氮基团分解峰温提前,表观分解热增加,是催化GAP基ETPE热分解理想的燃速催化剂。     

添加硅铁对AP热分解的影响

研究了高氯酸铵(AP)中添加硅铁对AP热分解的影响。试验证明,在AP中按10∶3(质量比,下同)添加硅铁后,高温分解反应在325℃出现,其放热峰又高又锐。这表明硅铁促进热分解,其促进程度与硅铁中含铁量有关,当含铁量为20％～25％时效果最好。另外就探讨了如何抑制热分解时产生的氯化氢。使AP热分解产生的氯化氢与硝酸钠进行化学当量反应,生成氯化钠,硝铵与硝酸钠比为10∶7时不产生氯化氢。     

CuO/PG纳米复合材料的制备及其对AP催化分解性能的影响

为改善纳米CuO的催化效果,以多孔石墨烯(PG)为载体,采用络合沉淀法分别制备CuO形貌为片状、线状、棒状和球状的CuO/PG纳米复合材料,并通过差示扫描量热法(DSC)测试了CuO/PG纳米复合材料对高氯酸铵(AP)热分解的影响,分析了其催化机理。结果表明,与相同形貌的纳米CuO相比,CuO/PG纳米复合材料的比表面积更大,对AP热分解的催化效果更好。在四种CuO/PG纳米复合材料中,球状氧化铜粒径最小,约4 nm,其复合材料的比表面积最大,约115 m~2·g~(-1),故催化活性位点最多,催化AP分解效果最好,使其高温分解放热峰温度下降至310.1℃。     

Cu_2Cr_2O_5/SiO_2复合粒子的制备及对AP复合推进剂燃烧特性的影响

采用改进的共沉淀法制备了Cu2Cr2O5/SiO2复合粒子。用扫描电子显微镜(SEM)、比表面积分析仪(BET)等对其进行了表征,并且用差热分析仪(DTA)考察了Cu2Cr2O5/SiO2复合粒子对高氯酸铵(AP)热分解的催化性能。结果表明,复合粒子的分散性好、比表面大,可使AP的高温放热峰温度提前至323.80℃,催化性能明显优于纯Cu2Cr2O5。AP复合推进剂燃速测试结果显示,复合粒子使推进剂燃速提高了17%,且压强指数有所下降。     

纳米NiB/Al复合粒子的制备及催化AP热分解研究

采用沉淀法分别制备了纳米NiB非晶合金及纳米NiB/Al复合粒子.利用X射线粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)及扫描电子显微镜(SEM)进行表征,发现纳米NiB/Al复合粒子中纳米NiB为40～60 nm的非晶态合金,并在Al颗粒表面呈均匀、连续的复合结构.通过TG、DTA热分析,发现纳米NiB及其复合粒子的含量对高氯酸铵(AP)热分解有显著影响.对实验数据拟合计算发现该体系中复合前后的纳米NiB合金对AP的高温热分解理论最佳含量分别为8.91%和7.93%,两者可分别使AP的高温热分解温度降低至407.34 ℃和389.98 ℃.以1.5%比例添加到AP/HTPB(端羟基聚丁二烯)推进剂体系中,发现复合后的催化剂使其高温分解温度多降低了12.2 ℃,热分解峰合并的趋势更明显.     

卡托辛对高氯酸铵热分解动力学的影响

采用DSC、TG法研究了高氯酸铵(AP)和高氯酸铵/卡托辛(Catocene)两个体系的热分解行为,分别采用Ozawa和Kissinger方法计算了热分解反应的活化能E_a1、E_a2、E_a3和指前因子lnA₁、lnA₂、lnA₃等动力学参数。结果表明,加入卡托辛后,DSC曲线在180 ℃附近多出一个放热峰,归属于卡托辛的氧化放热,AP低、高温分解表观活化能分别降低了13.2, 7.1 kJ·mo^l-1。利用Satava-Sestak方法确定了两体系热分解的机理函数,同时探讨了卡托辛对高氯酸铵分解促进作用的机理。     

纳米β-Cu的制备及其对超细AP的催化性能

采用湿法机械研磨法制备了纳米2,4-二羟基苯甲酸铜(β-Cu)。通过X射线粉末衍射仪(XRD)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、透射电子显微镜(TEM)表征了β-Cu颗粒的结构、粒径及形貌。同时,研究了纳米β-Cu对高氯酸铵(AP)的催化性能。结果表明,β-Cu颗粒粒径约为100 nm,呈类球形。DSC分析表明,纳米β-Cu对6μm和1μm超细AP具有显著的催化作用,可使二者的高温分解峰温分别降低至373.1℃和351.2℃;表观分解热分别增加至1529 J·g-1和1513 J·g-1;反应速率常数分别提高近10倍。相比6μm AP,纳米β-Cu对1μm AP具有更好的催化效果,使其高温分解峰温更低,反应速率常数更大。     

多孔核壳结构Ni@C纳米棒的制备及其对高氯酸铵热分解催化性能的影响

为了提高纳米金属对高氯酸铵(AP)热分解的催化作用,采用溶剂热法与高温煅烧法,以镍基有机金属骨架(Ni-MOF)为前驱体制备了Ni@C纳米棒。利用X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、高倍透射电子显微镜、X射线光电子能谱仪、拉曼光谱仪、全自动物理吸附分析仪等表征了Ni@C纳米棒的形貌、结构及组成,并通过差示扫描量热仪研究了不同煅烧温度下Ni@C纳米棒对AP热分解的催化效果。结果表明,Ni@C纳米棒为以金属Ni为核、C层为壳的多孔核壳结构,且高度石墨化的C层有效防止了纳米Ni颗粒的氧化。Ni@C纳米棒对AP热分解的催化性能优于单独镍纳米颗粒和碳纳米棒。尤其是1000℃煅烧后的Ni@C纳米棒使AP的高温分解峰峰温从423.4℃降低至323.8℃,表观分解热从825.4 J·g~(-1)提高到1423.8 J·g~(-1),反应活化能从172.50 kJ·mol~(-1)降低至130.04 kJ·mol~(-1)。     

纳米过渡金属粉对AP热分解的催化作用

采用化学溶液还原法分别制备了一定晶型的纳米金属粉Ni、Cu、Co,研究了纳米过渡金属对AP热分解的影响.通过对纳米过渡金属粉与AP复合粒子的热分析测试发现： 纳米Ni和Cu粉对AP热分解的催化作用随着其含量的增加而增加,并有使AP的高低温分解峰温重叠在一起的趋势;纳米Co粉在含量为5%左右（质量百分数）对AP最好的催化效果,使AP高低温热分解峰温重叠在288 ℃左右同时进行.研究发现,纳米过渡金属与AP的分解碎片NH3形成络合物的分裂能大小顺序与其催化AP热分解程度一致： Co＞Cu＞Ni.