碳材料是復(fù)合含能材料中廣泛應(yīng)用的功能助劑,常用于改善體系的介電常數(shù),降低靜電危害,減少因撞擊、摩擦產(chǎn)生的危險(xiǎn),并調(diào)節(jié)燃燒和爆轟性能。石墨烯是具有特殊二維結(jié)構(gòu)的新型碳材料,其良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、可調(diào)的層數(shù)、適中的化學(xué)活性等特點(diǎn),都使其非常適宜做高能炸藥體的添加劑。為了將石墨烯引入含能材料體系,本文有目的地對(duì)石墨烯進(jìn)行了功能化改性,通過(guò)化學(xué)方法修飾上含能官能團(tuán),并對(duì)改性石墨烯進(jìn)行了全面表征,對(duì)熱分解、燃燒等性能進(jìn)行了分析測(cè)試。主要內(nèi)容如下:首先,通過(guò)利用硝化劑直接對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行硝化,合成了氮含量較高的硝化石墨烯(Graphene Nitrate,GN);結(jié)構(gòu)分析表明硝化石墨烯表面每8個(gè)碳原子可連接一個(gè)硝基官能團(tuán),且硝化石墨烯中的硝基主要通過(guò)C-NO2及O-NO2與石墨烯相連。其次,通過(guò)鹵代石墨烯的氨解反應(yīng),設(shè)計(jì)并合成了胺基化石墨烯(Aminated GO,NH2-GO)。該反應(yīng)原料廣泛,實(shí)驗(yàn)條件溫和,不需要高溫高壓即可實(shí)現(xiàn)石墨烯的胺基化,且收率較高。結(jié)構(gòu)分析顯示胺基化石墨烯表面每5~6個(gè)碳原子可連接一個(gè)胺基,且石墨烯表面胺基主要為伯胺基。最后,通過(guò)氮賓直接與石墨烯表面發(fā)生加成反應(yīng),設(shè)計(jì)并合成了單硝基芳香氮雜石墨烯(p-Nitrobenzyl-azepine Graphene,G-Azepine)。該反應(yīng)合成路線簡(jiǎn)單,成本低。結(jié)構(gòu)分析表明對(duì)硝基芐通過(guò)七元氮雜環(huán)與石墨烯共價(jià)相連,平均每9.6個(gè)碳原子即有一個(gè)參與到七元環(huán)中。熱分析測(cè)試及點(diǎn)火性能測(cè)試結(jié)果表明,在三種含能改性石墨烯中,硝化石墨烯具有很好的熱穩(wěn)定性、放熱性、燃燒性,可分散于多種溶劑,綜合性能最好,有望作為含能化工材料應(yīng)用于炸藥、火藥及推進(jìn)劑領(lǐng)域。胺基化石墨烯熱穩(wěn)定性最高,放熱性及燃燒性良好,有望成為新型納米含能添加劑,在高能炸藥體系中起到調(diào)節(jié)感度的作用。對(duì)硝基芐氮雜石墨烯的點(diǎn)火特性盡管并不如預(yù)期,但該產(chǎn)物的合成證明了多硝基芳香化合物通過(guò)氮雜環(huán)與石墨烯共價(jià)結(jié)合的可能性,為制備炸藥分子氮雜石墨烯奠定了研究基礎(chǔ),同時(shí)也有望作為對(duì)石墨烯進(jìn)一步化學(xué)改性和修飾的功能性前驅(qū)材料,具有相當(dāng)?shù)目茖W(xué)研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力。
【學(xué)位單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類(lèi)】：O613.71
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 石墨烯簡(jiǎn)介
        1.2.1 石墨烯的制備
        1.2.2 石墨烯的功能化改性
    1.3 石墨烯在含能材料領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀
        1.3.1 碳材料在含能材料中的應(yīng)用
        1.3.2 石墨烯在含能材料中的應(yīng)用現(xiàn)狀
    1.4 研究目的及研究?jī)?nèi)容
        1.4.1 研究目的
        1.4.2 研究?jī)?nèi)容
第2章 硝化石墨烯的制備及其性質(zhì)研究
    2.1 概述
    2.2 實(shí)驗(yàn)部分
        2.2.1 實(shí)驗(yàn)原料
        2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器
        2.2.3 實(shí)驗(yàn)原理
        2.2.4 實(shí)驗(yàn)步驟
    2.3 形貌表征
        2.3.1 掃描電子顯微鏡（SEM）分析
        2.3.2 透射電子顯微鏡（TEM）分析
        2.3.3 原子力顯微鏡（AFM）分析
    2.4 結(jié)構(gòu)分析
        2.4.1 元素組成分析
        2.4.2 FTIR紅外光譜分析
        2.4.3 固體核磁碳譜分析（13C NMR）
        2.4.4 X射線光電子能級(jí)譜分析（XPS）
        2.4.5 拉曼（Raman）光譜分析
    2.5 熱分解特性
        2.5.1 熱分解產(chǎn)物及分解機(jī)理
        2.5.2 熱分解動(dòng)力學(xué)
    2.6 小結(jié)
第3章 胺基化石墨烯的制備與性能研究
    3.1 概述
    3.2 實(shí)驗(yàn)部分
        3.2.1 實(shí)驗(yàn)原料
        3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器
        3.2.3 實(shí)驗(yàn)原理
        3.2.4 實(shí)驗(yàn)步驟
    3.3 形貌表征
        3.3.1 掃描電子顯微鏡（SEM）分析
        3.3.2 透射電子顯微鏡（TEM）分析
        3.3.3 原子力顯微鏡（AFM）分析
    3.4 結(jié)構(gòu)分析
        3.4.1 元素組成分析
        3.4.2 FTIR紅外光譜分析
        3.4.3 固體核磁碳譜（13CNMR）
        3.4.4 X射線光電子能譜分析（XPS）
        3.4.5 拉曼（Raman）光譜分析
    3.5 熱分解特性
        3.5.1 熱分解產(chǎn)物及分解機(jī)理
        3.5.2 熱分解動(dòng)力學(xué)
    3.6 小結(jié)
第4章 對(duì)硝基芐氮雜石墨烯的制備與表征
    4.1 概述
    4.2 實(shí)驗(yàn)部分
        4.2.1 實(shí)驗(yàn)原料
        4.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器
        4.2.3 實(shí)驗(yàn)原理
        4.2.4 實(shí)驗(yàn)步驟
    4.3 形貌表征
        4.3.1 掃描電子顯微鏡（SEM）
        4.3.2 透射電子顯微鏡（TEM）
        4.3.3 原子力顯微鏡（AFM）分析
    4.4 結(jié)構(gòu)分析
        4.4.1 元素組成分析
        4.4.2 傅里葉紅外光譜（FTIR）分析
        4.4.3 固體核磁碳譜（13CNMR）分析
        4.4.4 X射線光電子能譜（XPS）分析
        4.4.5 拉曼（Raman）光譜分析
    4.5 熱分解特性
        4.5.1 熱分解產(chǎn)物及分解機(jī)理
        4.5.2 熱分解動(dòng)力學(xué)
    4.6 小結(jié)
第5章 改性石墨烯的點(diǎn)火特性研究
    5.1 概述
    5.2 氧平衡
    5.3 空氣中燃燒實(shí)驗(yàn)
        5.3.1 測(cè)試條件
        5.3.2 測(cè)試結(jié)果
    5.4 低氧含量系統(tǒng)中的點(diǎn)火性能測(cè)試
        5.4.1 測(cè)試條件
        5.4.2 測(cè)試結(jié)果
    5.5 無(wú)氧系統(tǒng)中的點(diǎn)火性能測(cè)試
        5.5.1 測(cè)試條件
        5.5.2 測(cè)試結(jié)果
    5.6 小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單
致謝
作者簡(jiǎn)介

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2851524