含氟二茂铁/纳米铝粉表面功能化及其燃烧性能的研究

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纳米铝粉作为添加剂能够提高推进剂的燃烧速度进而提高其比冲,因此成为了当前固体推进剂研究热点之一。现阶段对纳米铝粉的应用研究主要集中在含氟铝基纳米复合物的设计合成,对铝粉进行氟掺杂后部分燃烧产物由氧化铝变为氟化铝,释放出更高的热量,并且氟化铝的沸点远远低于氧化铝,在燃烧时会变为气态产物增加推进剂反推力,进而提高推进剂的燃烧性能。通过物理混合铝粉与含氟聚合物使其界面接触是目前制备含氟铝基纳米复合物常用的技术方法,但由于此法构筑的界面结构稳定性较差,造成燃烧过程中能量释放不均匀,限制了其在推进剂中的实际应用,因此,采用新方法构建具有稳定界面结构的含氟铝基纳米复合物具有重要的研究意义。设计了一种包覆层厚度可调的核壳结构纳米铝/全氟辛酸的复合材料(nAl@F-x),壳壁厚度约为5 nm。结果表明,全氟辛酸(PFOA)与铝盐反应生成会全氟辛酸铝复合网络,并取代传统氧化铝惰性壳层包覆在铝粉的表面。由差示扫描量热法表征(DSC)结果可知,nAl@F-x复合材料在633 ~oC时瞬时热流为155 W/g,远高于nAl在573 ~oC时为15.4 W/g。通过燃烧试验测得,该样品最大燃烧火焰温度达到1366 ~oC,远远高于nAl原料的1198 ~oC。这是由于样品在燃烧过程中产生的独特多孔结构,有利于活性铝在燃烧过程中的释放,导致nAl@F-x复合材料具有远高于微米铝粉和纳米铝粉的能量释放效率。为了进一步优化核壳结构的铝/氟复合材料的性能,定向设计、合成了三个目标小分子氟基二茂铁,通过~1H-NMR、MS等表征手段确定化合物的结构信息,采用UV、CV等表征手段确定了其基本性质。随后构建了核壳结构的纳米铝/氟基二茂铁(nAl@Fe-Fx)复合材料。综合热分析(TG-DSC)结果表明,nAl@Fe-Fx复合材料中氟掺杂对铝粉燃烧具有明显的促进作用,在650 ~oC时瞬时热流为153 W/g(nAl@G1),同时二茂铁的引入对高氯酸铵(AP)的热分解还具有较强的催化效果,AP的高温分解温度可以降低至328 ~oC(nAl@G3)。抗迁移实验结果表明,与传统二茂铁相比,合成的含氟二茂铁G2、G3自身具备较好的抗迁移能力;此外,将含氟二茂铁包覆在纳米铝粉表面构建核壳结构纳米铝/氟基二茂铁后,其在推进剂中的抗迁移能力的提高更加显著。
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