火炸药用纳米催化剂的制备及性能研究

【摘要】：火炸药技术是世界各国竞相重点发展的国防科技关键技术之一，火炸药的燃烧是火炸药技术的核心。使用少量燃烧催化剂是调节火炸药，特别是固体推进剂燃烧性能的最佳途径。本论文主要研究纳米燃烧催化剂的制备及其对含能材料的催化性能，以期获得纳米燃烧催化剂的制备技术，性能良好的纳米燃烧催化剂体系及其微结构对含能材料的催化规律，为进一步开发综合性能优异的火炸药新品种奠定基础。主要内容如下： 1．首先对火炸药领域应用较广泛的燃烧催化剂CuO、Fe_2O_3、PbO等一元金属氧化物进行了纳米化制备，并用热分析法考察了这些纳米材料对含能材料高氯酸铵(AP)热分解的催化性能。结果表明，它们均能较强地催化AP的热分解，其中纳米CuO的催化效果最明显。添加2 wt％的纳米CuO使AP高温分解温度下降了85.46℃，热分解放热量由590.12 J／g增至1280 J／g，热分解反应的速率也大大加快。 2．其次考察了不同方法制备的纳米CuO对AP热分解的催化活性。结果表明，同固相法相比，开发的快速液相沉淀法易获得催化活性较高的纳米CuO。然后系统考察了快速液相沉淀法的一些合成条件对纳米CuO微结构的影响。研究发现：热处理温度、沉淀剂、分散介质和添加剂PEG对纳米CuO的微结构调控作用明显。通过控制合成条件可将纳米CuO的平均粒径调控在6～65 nm，并可获得分散性良好的球形、纺锤形、花形等不同形貌的纳米CuO，某些纳米CuO样品的比表面积已达112.4 m~2／g。而且综合系列研究结果，设计了棒形纳米CuO的合成条件，通过添加PEG成功合成了分散性较好的棒形CuO。此外，研究了纳米CuO的红外谱学特性；初步探讨了纳米CuO的形成机理。 3．用热分析法研究了不同微结构的纳米CuO对AP热分解的催化性能。结果表明，纳米CuO对AP热分解的催化活性与其微结构有关。与CuO的粒径相比，纳米CuO的形貌和表面结构对其催化活性的影响要大得多。添加2 wt％分散性良好的球形纳米CuO，可使AP的高温分解温度下降99.13℃，热分解放热量由590.12 J／g增至1380 J／g。在乙醇和含H_2O 10 vol％的DMF介质中制备的纳米CuO，分别使AP的高温分解温度下降101.33℃和105.23℃，热分解放热量也分别增至1350 J／g和1420 J／g。而且，快速液相沉淀法制备的许多纳米CuO样品能使AP在低温段的分解量由约30％增至45～51％。此外，初步探讨了纳米燃烧催化剂对AP催化分解的机理。 摘要 博士论文 4.为了改善纳米FeZO3对AP热分解的催化性能，运用硬脂酸法制备了纳米FeZo3 以及不同掺杂离子和不同掺杂量的纳米FeZO3，并考察了它们对AP热分解的催化 性能。结果表明，掺杂摩尔分数为4%的cu2+，不仅能抑制纳米FeZo:的生长， 明显改善FeZO3的分散性，而且使纳米FeZO3对AP热分解的的催化活性大大增强。 5.为了获得催化性能更强的燃烧催化剂体系，运用硬脂酸法制备了一系列纳米级多 元金属氧化物，并考察了它们对AP热分解的催化性能。结果表明，同一元金属 氧化物和掺杂的纳米FeZO3相比，某些多元金属氧化物的催化活性更高。如添加 2 wt%的纳米ABO3可使AP的高温分解温度下降In.60“C，热分解放热量由 59o.12)/g增至147oJ/g，高温分解的活化能由155 kJ/mol降至101 kJ/mol。 6.研究了高效纳米燃烧催化剂对火炸药安全性能、燃烧性能以及爆轰性能的影响。 结果表明，在Ap或AP与RDX的混合体系中添加Zwt%的纳米CuQ或纳米ABo3 后，这些火炸药的安全性能有所增加。在选定的火药配方中加入Zwt%的纳米cuo 或纳米ABO3可使该火药的燃速分别提高36.1%和41 .6%。但这些纳米催化剂对 RDX的爆速基本没有影响。