含氟纳米铝热剂的制备及反应特性的研究

发布时间：2020-05-22 01:45

【摘要】：纳米铝粉(n-Al)是纳米铝热剂中应用最为广泛的金属燃料。n-Al在生产、存储以及燃烧过程中,往往会在颗粒表面型成Al_2O_3氧化层从而阻碍反应的进行,使纳米铝热剂的反应性能受到影响。除此之外,纳米铝热剂在加工和使用过程中还存在颗粒极易团聚和药柱强度较低等问题,都在一定程度上制约了其在含能材料中的应用。本文主要针对以上问题开展了系统的研究。设计了一种新型的n-Al/FeF_3纳米铝热剂,并对其热分解过程和燃烧性能进行了研究。研究结果表明:n-Al/FeF_3主反应的起始反应温度比n-Al/n-Fe_2O_3纳米铝热剂低,分别为410℃和529℃。n-Al/FeF_3比n-Al/n-Fe_2O_3纳米铝热剂反应更完全,二者反应方程式分别为Al + FeF_3 = AlF_3 + Fe和2Al + 9Fe_2O_3 = Al_2O_3 + 6Fe_3O_4。n-Al/FeF_3 纳米铝热剂的反应热更高,为1824 Jg~(-1),是n-Al/n-Fe_2O_3纳米铝热剂放热量的8.4倍。n-Al/FeF_3纳米铝热剂燃烧时比n-Al/n-Fe_2O_3纳米铝热剂有更大、更明亮的火焰。当两种铝热剂组成均为化学计量比时,10mgn-Al/FeF_3样品燃烧的平均时间为38.7ms;而10mg n-Al/n-Fe_2O_3样品燃烧的平均时间为55.2 ms。研究了一系列含氟高聚物纳米铝热剂(纳米铝热剂:n-Al/n-CuO、n-Al/n-Fe_2O_3、n-Al/n-Co_3O_4和n-Al/n-NiO;含氟高聚物:聚偏氟乙烯(PVDF)和聚四氟乙烯(PTFE))的热分解过程。通常研究认为含氟高聚物在纳米铝热剂的反应过程中仅作为氧化剂,而本研究修改了这种传统认识。研究结果表明:在铝热剂反应过程,含氟高聚物中的氟元素将n-Al氧化生成氟化铝;氢、碳元素将金属氧化物还原生成水和二氧化碳。n-Al/n-CuO/PVDF和n-Al/n-CuO/PTFE纳米铝热剂燃烧性能的研究结果表明:向n-Al/n-CuO纳米铝热剂中加入PVDF和PTFE可以提高样品定容燃烧的最大压力(PVDF最高提高86%,PTFE最高提高54%),并在一定范围内提高其燃烧速率(PVDF最高提高13%,PTFE最高提高145%)。采用静电喷雾法/纺丝法分别制备了结构增强型n-Al/n-CuO/PVDF含能复合薄膜(由纳米铝热剂层和PVDF增强层交替组成的多层复合薄膜)和纤维增强型n-Al/n-CuO/PVDF含能复合薄膜(由纳米铝热剂基体包裹PVDF纳米纤维组成的复合薄膜),并对所制得的薄膜材料进行了燃烧性能和机械性能研究。研究结果发现,在纳米铝热剂薄膜中采用结构增强和纤维增强结构,都可以在不改变含能材料组成的情况下大幅提高其燃烧性能和机械性能,这为纳米铝热剂药柱的装药结构设计提出了一个新的方法。
【图文】：

曲线,化铁,干燥处理,无水

含l#纳米铅热剂的制备及反应特性的研究逡逑２．３．１邋ＦｅＦ３的热分解逡逑首先对未干燥脱水的无水l#化铁粉末样品进行了邋ＴＧ／ＤＳＣ－ＭＳ测试。图２．１展示了逡逑ＦｅＦ３样品在氨气气氛下的ＴＧ／ＤＳＣ曲线。实验所用的升温速率为１０邋Ｋ邋ｍｉｎ－ｉ，加热温度逡逑范围为＾°Ｃ－７００°Ｃ。由图中可Ｗ看出样品质量损失主要分为兰个阶段，第一阶段位于逡逑？９０－１７０°Ｃ，ＴＧ曲线表明此阶段质量损失为？２．０ｗｔ％，ＤＳＣ曲线在此温度区间有一个小逡逑的吸热峰（图２．１里的峰ａ），由于在相应的气态产物的质谱结果上检测到了邋ＯＨ＋邋（ｍ／ｚ逡逑＝邋１７，图２．２ａ里的峰１）和出０＋邋（ｍ／ｚ＝邋１８，图２．２ｂ里的峰４）离子碎片，，故可Ｗ认为逡逑这个吸热峰是ＦｅＦ３纳米颗粒表面的吸附水解吸所造成的。逡逑紧接着是样品质量损失的第二阶段，此阶段从１７０°Ｃ开始到４６０°Ｃ结束，在相应的逡逑ＤＳＣ曲线上对应着两个分别位于３１６°Ｃ和４０６°Ｃ的吸热峰（图２．１里的峰ｂ和峰Ｃ），逡逑这说明此分解阶段又可Ｗ被分为两步。其他研究者的工作显示［８４－８８】

曲线,干燥处理,气体产物,无水

接下来对干燥脱水的无水l#化铁样品进行了相同的ＴＧ／ＤＳＣ－ＭＳ测试。图２．３ａ里展逡逑示了干燥后ＦｅＦ３样品在氨气气氛下的ＴＧ／ＤＳＣ曲线。可Ｗ看出经过干燥后，样品从逡逑３２０°Ｃ开始质量损失，其质量损失约为２．８邋ｗｔ％。样品加热过程气态产物的质谱结果表逡逑明，无水l#化铁受热分解放出了邋Ｆ＋邋（图２．化），而且反应过程中无ＯＨ＋和Ｈ２０＋生成，逡逑这表明在４００°Ｃ下可Ｗ完全的驱除样品中所含的水分（包括吸附水和结晶水）。逡逑ａ）邋１０５＾逦１，逦１．６－１逦１逡逑Ｒａｆｔｗ邋ｄｅｈｙｄｒａｔｉｏｎ邋＿ＴＧ邋．！ｉ邋７邋0＜逦＿＋邋Ａ逡逑－｜ｉ４．逦—邋／Ｖ逡逑ｆ９５．逦＼逡逑的邋２００逦４００逦６００逦２００逦４０Ｑ逦６００逡逑Ｔｅｍｐｅｒａｔｕ巧（＊Ｃ》逦Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｆＣ）逡逑图２．３干燥处理后的无水l#化铁样品的ＴＧ／ＤＳＣ曲线（ａ）逦及分解的气体产物质谱结果（ｂ）逡逑２．３．２邋ｎ－Ａｌ／ＦｅＦ３纳米铅热剂的热分解逡逑对３＃号ｎ－Ａｌ／Ｆ化样品进行了邋ＴＧ／ＤＳＣ－ＭＳ测试。样品含有如ｗｔ％的纳米铅粉和７３逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ560

【参考文献】