本文關(guān)鍵詞：納米含能材料的靜電噴霧法制備與燃燒特性表征

  更多相關(guān)文章： 靜電噴霧 鋁熱劑 推進(jìn)劑 納米鋁粉 硝化纖維 碘酸鹽

【摘要】：本文基于靜電噴霧原理研發(fā)了納米含能材料復(fù)合顆粒制備技術(shù),并對(duì)其工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證�；谠摷夹g(shù),制備了包括納米鋁粉／硝化纖維、納米鋁粉／納米氧化銅／硝化纖維、 (微)納米鋁粉／高氯酸銨／硝化纖維,納米鋁粉／納米氧化銅／高氯酸銨、納米鋁粉／納米氧化銅／碘、納米鋁粉／納米金屬碘酸物／硝化纖維等一系列的納米含能材料復(fù)合顆粒。對(duì)復(fù)合物顆粒的形貌及尺寸、熱分解特性、燃燒壓力和速度、點(diǎn)火溫度、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程等進(jìn)行了系統(tǒng)的表征。并對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)的討論與分析,提出了提高納米含能材料燃燒性能的技術(shù)方案。為進(jìn)一步提高納米含能材料在推進(jìn)劑、炸藥及煙火劑中的應(yīng)用效能打下了基礎(chǔ),為開(kāi)發(fā)新型含能材料提供了一個(gè)可行的技術(shù)手段。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新工作如下：首先,采用靜電噴霧的方法成功將納米鋁粉在硝化纖維這一含能粘合劑的作用下,組裝成表面密實(shí)內(nèi)部多孔的微米級(jí)球形顆粒。得到的微米級(jí)復(fù)合球形顆粒具有較窄的粒徑分布,結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)不易破碎,且具有較高的比表面積。通過(guò)調(diào)節(jié)納米鋁粉的加載量、硝化纖維粘合劑的濃度或靜電噴霧推進(jìn)速率,可以簡(jiǎn)便地改變微米復(fù)合顆粒的尺寸。不同硝化纖維含量的復(fù)合微米顆粒,其燃燒速度、點(diǎn)火延遲時(shí)間、燃燒時(shí)長(zhǎng)等也有所變化。對(duì)相應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了分析,建立了納米含能材料復(fù)合顆粒的靜電噴霧法制備技術(shù)。其次,采用硝化纖維作為粘合劑,利用上述技術(shù)方法組裝納米鋁粉和常見(jiàn)的納米金屬氧化物(CuO,Bi2O3,Fe2O3),制成具有高反應(yīng)活性的微米級(jí)復(fù)合顆粒。結(jié)果表明,燃料(鋁粉)和氧化物(金屬氧化物)混合的均勻程度比物理超聲混合法有很大提高,從而使兩者之間的接觸面積增大,傳質(zhì)距離縮短。此外,復(fù)合顆粒的粒徑可隨硝化纖維含量的增加而增大。而隨著納米顆粒在前驅(qū)液中加載量的變化,復(fù)合顆粒的粒徑基本不變。在密閉空間內(nèi)測(cè)試了復(fù)合顆粒的燃燒性能,得到了其燃燒壓力、壓力上升速率及燃燒時(shí)間等燃燒特征參數(shù)。結(jié)果顯示,靜電噴霧法制備的納米鋁熱劑復(fù)合顆粒(含5%硝化纖維),其爆炸峰值壓力是物理混合制成的2倍以上。將納米顆粒在前驅(qū)液中加載量縮小到三分之一,其爆炸峰值壓力還能再提高2倍。將反應(yīng)后的產(chǎn)物收集,并用掃描電鏡及能譜儀分析發(fā)現(xiàn),有靜電噴霧法制備的復(fù)合顆粒由于燒結(jié)團(tuán)聚現(xiàn)象而產(chǎn)生的殘?jiān)w粒比傳統(tǒng)納米鋁熱劑的小很多。分析發(fā)現(xiàn),硝化纖維受熱分解,產(chǎn)生的氣體能夠防止納米顆粒的燒結(jié),從而最大程度地在燃燒過(guò)程中保持納米特性；同時(shí),混合的均勻度提高以及獨(dú)特的微米球結(jié)構(gòu)也有助于其反應(yīng)活性的提升。再次,將高氯酸銨溶于前驅(qū)液中,利用上述方法制備了納米鋁粉／高氯酸銨／硝化纖維(Al/AP/NC)復(fù)合顆粒,以及納米鋁粉／納米氧化銅／高氯酸銨(Al/CuO/AP)復(fù)合顆粒。結(jié)果顯示,高氯酸銨與納米顆粒成功復(fù)合,而且如果用量適當(dāng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)納米顆粒的包覆。研究表明,包覆有高氯酸銨的納米鋁粉和微米鋁粉燃燒猛烈且均勻,燃燒殘?jiān)^小。而含13%高氯酸銨的Al/CuO/AP復(fù)合顆粒具有最強(qiáng)的反應(yīng)活性。作者推測(cè),高氯酸銨作為一種氣體發(fā)生劑,起到了和上述硝化纖維一樣的作用——也就是引燃時(shí)產(chǎn)生氣體從而防止納米顆粒之間的團(tuán)聚和燒結(jié),從而提高了復(fù)合顆粒的反應(yīng)活性。至此,作者結(jié)合前四章的工作,提出了可能提高納米含能材料燃燒效能的措施。此外,在上述工作的基礎(chǔ)上,還將單質(zhì)碘溶入前驅(qū)液中,制備了含碘的納米鋁熱劑微米復(fù)合顆粒,其中碘的含量可在5%-50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。研究還發(fā)現(xiàn),隨著碘含量的增加,納米鋁熱劑復(fù)合顆粒中的碘晶體增大,其整體反應(yīng)活性急速減弱,其燃燒時(shí)間大大增加。另外,還研究了含碘納米鋁熱劑的反應(yīng)過(guò)程和反應(yīng)產(chǎn)物,提出了其反應(yīng)的機(jī)理。最后，，還利用球磨法合成了碘酸銅納米顆粒,并利用化學(xué)沉淀法合成了碘酸鉍和碘酸鐵納米顆粒。利用熱重／差熱掃描量熱儀研究了其熱分解特性,發(fā)現(xiàn)三種碘酸物相似的熱分解曲線,及其相似的晶型轉(zhuǎn)換特性。其中,還發(fā)現(xiàn)了碘酸鉍的兩種晶型。利用上述方法將三種金屬碘酸物和鋁粉納米顆粒在硝化纖維的幫助下組裝成尺寸均一、混合均勻的微米球顆粒。經(jīng)燃燒測(cè)試發(fā)現(xiàn),三種鋁熱劑的爆燃?jí)毫Χ冀咏?MPa,是其相應(yīng)金屬氧化物鋁熱劑壓力的數(shù)倍甚至數(shù)十倍,是活性很高的新型納米鋁熱劑。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,作為一類新型強(qiáng)氧化劑,金屬碘酸物還能快速分解并釋放大量氧氣和游離碘,使納米鋁熱劑能在較低溫度下點(diǎn)火并產(chǎn)生高溫高壓。被汽化的碘蒸氣能夠快速進(jìn)入芽孢內(nèi)部,從而有效地殺滅細(xì)菌孢子。
【關(guān)鍵詞】：靜電噴霧 鋁熱劑 推進(jìn)劑 納米鋁粉 硝化纖維 碘酸鹽
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TB34;TK16
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 1 緒論18-39
• 1.1 研究的背景及意義18-20
• 1.2 復(fù)合含能材料的發(fā)展趨勢(shì)20-24
• 1.2.1 添加高能量的金屬粉以提高能量密度20-21
• 1.2.2 將微米組分替換為納米組分以增加反應(yīng)速率21-24
• 1.2.3 更加緊密的組裝以提高反應(yīng)速率24
• 1.3 基于納米鋁粉的復(fù)合含能材料遇到的問(wèn)題24-27
• 1.3.1 尺寸不均一、裝填困難25
• 1.3.2 點(diǎn)火延遲長(zhǎng)、燃燒不充分25-26
• 1.3.3 點(diǎn)火與燃燒機(jī)理不清楚26-27
• 1.4 制備納米復(fù)合含能材料的方法27-31
• 1.4.1 物理混合法27-28
• 1.4.2 噴霧法28-29
• 1.4.3 溶膠-凝膠法29
• 1.4.4 自組裝法29-30
• 1.4.5 分層氣相沉積法30
• 1.4.6 失活球磨法30-31
• 1.4.7 油墨打印與3D打印31
• 1.5 靜電噴霧——一種簡(jiǎn)便的制備及組裝納米顆粒的方法31-38
• 1.5.1 靜電噴霧的幾種模式32-34
• 1.5.2 靜電噴霧中形成液滴尺寸的控制34-35
• 1.5.3 靜電噴霧法制備微/納米顆粒研究現(xiàn)狀35-37
• 1.5.4 靜電噴霧中形成固體顆粒形貌的控制37-38
• 1.6 本章小結(jié)38-39
• 2 靜電噴霧法制備微/納米鋁粉/硝化纖維微米球復(fù)合材料39-56
• 2.1 基于納米鋁粉的復(fù)合顆粒的靜電噴霧法制備技術(shù)研發(fā)40-43
• 2.1.1 Al/NC復(fù)合顆粒制備系統(tǒng)的建立40-41
• 2.1.2 Al/NC復(fù)合顆粒的制備過(guò)程41-43
• 2.1.3 Al/NC復(fù)合顆粒的制備參數(shù)優(yōu)化43
• 2.2 Al/NC復(fù)合顆粒的形貌和尺寸43-50
• 2.2.1 Al/NC復(fù)合顆粒的形貌控制43-47
• 2.2.2 Al/NC復(fù)合顆粒的尺寸控制47
• 2.2.3 單個(gè)Al/NC復(fù)合顆粒47-50
• 2.3 Al/NC復(fù)合顆粒的燃燒特性及機(jī)理分析50-54
• 2.4 本章小結(jié)54-56
• 3 基于金屬氧化物的納米鋁熱劑復(fù)合顆粒的制備及燃燒性能56-70
• 3.1 納米鋁熱劑的靜電噴霧法制備58-59
• 3.1.1 納米鋁熱劑制備所需材料及試劑58
• 3.1.2 納米鋁熱劑前驅(qū)液的制備58-59
• 3.1.3 納米鋁熱劑的靜電噴霧法制備59
• 3.1.4 納米鋁熱劑的物理超聲混合法制備59
• 3.2 以Al/CuO為代表的納米鋁熱劑復(fù)合顆粒的制備及形貌表征59-62
• 3.3 納米鋁熱劑密閉燃燒罐試驗(yàn)結(jié)果及分析62-66
• 3.4 納米鋁熱劑快速加熱絲試驗(yàn)結(jié)果及分析66-67
• 3.5 納米鋁熱劑高反應(yīng)活性的機(jī)理分析67-69
• 3.6 本章小結(jié)69-70
• 4 基于可溶性強(qiáng)氧化劑的納米含能材料復(fù)合顆粒的制備及燃燒性能表征70-80
• 4.1 含高氯酸銨納米含能材料的靜電噴霧法制備71
• 4.1.1 含高氯酸銨納米含能材料制備所需材料及試劑71
• 4.1.2 含高氯酸銨納米含能材料前驅(qū)液的制備71
• 4.1.3 含高氯酸銨納米含能材料的靜電噴霧制備過(guò)程71
• 4.2 Al/AP復(fù)合顆粒的靜電噴霧法制備與形貌表征71-72
• 4.3 Al/CuO/AP復(fù)合顆粒的靜電噴霧法制備與形貌表征72-73
• 4.4 Al NPs/AP和Al MPs/AP復(fù)合顆粒的快速加熱絲試驗(yàn)結(jié)果及分析73-74
• 4.5 Al MPs/AP復(fù)合顆粒的高壓脈沖點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果及分析74-75
• 4.6 Al/CuO/AP復(fù)合顆粒的高壓脈沖點(diǎn)火試驗(yàn)結(jié)果及分析75-76
• 4.7 Al/CuO/AP復(fù)合顆粒的密閉燃燒罐試驗(yàn)結(jié)果及分析76-77
• 4.8 提高含鋁含能材料燃燒性能的方式77-78
• 4.8.1 包覆氣體發(fā)生劑77
• 4.8.2 將燃料和氧化劑緊密組裝77
• 4.8.3 制備大小均一并帶有納米特性的微米顆粒77-78
• 4.9 本章小結(jié)78-80
• 5 含碘單質(zhì)的納米鋁熱劑復(fù)合顆粒的制備及燃燒特性表征80-95
• 5.1 含碘納米鋁熱劑的靜電噴霧法制備82-83
• 5.1.1 含碘納米鋁熱劑的前驅(qū)液制備過(guò)程82-83
• 5.1.2 含碘納米鋁熱劑的靜電噴霧法制備過(guò)程83
• 5.1.3 含碘納米鋁熱劑的物理特性表征手段83
• 5.2 物理超聲混合法制備的含碘Al/CuO復(fù)合顆粒形貌特征83
• 5.3 靜電噴霧法制備的含碘Al/CuO復(fù)合顆粒形貌特征83-85
• 5.4 含碘Al/CuO納米鋁熱劑的密閉燃燒罐試驗(yàn)結(jié)果及分析85-86
• 5.5 含碘Al/CuO納米鋁熱劑的快速加熱絲試驗(yàn)結(jié)果及分析86-87
• 5.6 含碘Al/CuO納米鋁熱劑燃燒產(chǎn)物的電鏡結(jié)果及分析87-89
• 5.7 含碘Al/CuO納米鋁熱劑燃燒產(chǎn)物的XRD結(jié)果及分析89-90
• 5.8 含碘Al/CuO納米鋁熱劑的掃描電鏡快速加熱臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果及分析90-91
• 5.9 含碘Al/CuO納米鋁熱劑的快速加熱/時(shí)間飛行質(zhì)譜試驗(yàn)結(jié)果及分析91-94
• 5.10 本章小結(jié)94-95
• 6 基于金屬碘酸物的新型納米鋁熱劑復(fù)合顆粒的制備及性能表征95-118
• 6.1 金屬碘酸物納米顆粒的制備過(guò)程100-101
• 6.1.1 金屬碘酸物納米顆粒的制備所需試劑100
• 6.1.2 碘酸銅納米顆粒的制備過(guò)程100
• 6.1.3 碘酸鉍、碘酸鐵納米顆粒的制備過(guò)程100-101
• 6.2 基于金屬碘酸物的納米鋁熱劑的靜電噴霧法制備過(guò)程101
• 6.2.1 物理超聲混合法制備基于金屬碘酸物的納米鋁熱劑101
• 6.2.2 靜電噴霧法制備基于金屬碘酸物的納米鋁熱劑101
• 6.3 Bi(IO_3)_3,Cu(IO_3)_2和Fe(IO_3)_3納米顆粒的制備及物理特性表征101-105
• 6.4 靜電噴霧法制備的基于金屬碘酸物的納米鋁熱劑復(fù)合顆粒形貌105
• 6.5 物理超聲混合法制備的基于金屬碘酸物的納米鋁熱劑復(fù)合顆粒形貌105-106
• 6.6 基于金屬碘酸物的納米鋁熱劑的密閉燃燒罐試驗(yàn)結(jié)果及分析106-109
• 6.7 基于金屬碘酸物的納米鋁熱劑的快速加熱/飛行時(shí)間質(zhì)譜試驗(yàn)結(jié)果及分析109-110
• 6.8 三種不同金屬碘酸物的納米鋁熱劑燃燒特性對(duì)比及分析110-112
• 6.9 基于金屬碘酸鹽的納米鋁熱劑的芽孢滅活試驗(yàn)結(jié)果及分析112-117
• 6.10 本章小結(jié)117-118
• 7 結(jié)論及展望118-121
• 7.1 結(jié)論118-119
• 7.2 論文的創(chuàng)新點(diǎn)119-120
• 7.3 論文不足及后續(xù)工作展望120-121
• 致謝121-122
• 參考文獻(xiàn)122-141
• 附錄141-142

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 劉淑萍;劉娟娟;;高壓靜電噴霧技術(shù)在藥物微囊制備中的應(yīng)用進(jìn)展[J];化工技術(shù)與開(kāi)發(fā);2013年01期

本文編號(hào)：584138