论文部分内容阅读
高氯酸铵（Ammonia Perchlorate,AP）是一种在推进剂中广泛使用的强氧化剂,其热分解特性显著影响着推进剂的燃烧性能。如何筛选并制备出性能优良的催化剂来改善AP分解温度高、分解速度慢等热分解特性是目前推进剂领域的一个研究热点。本文设计并制备了三种金属有机骨架材料（Metal-organic frameworks,MOFs）,并将其与石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料进行复合,形成MOFs@碳纳米材料复合物,系统考察了MOFs基材料对AP热分解和撞击感度（安全性能）的影响,并探讨了催化机理。主要内容如下:（1）以Cu、Zn、Co为金属离子,选择合适的配体,采用溶剂热法和改良的扩散法分别制备了Cu-MOF、Zn-MOF和Co-MOF三种MOFs材料,采用扫描电子显微镜（Scanning electron microscopy,SEM）,X射线衍射（X-ray diffraction,XRD）,元素分析（Energy dispersive spectroscopy,EDS）,比表面积测试（Brunauer-Emmett-Teller,BET）等对样品的形貌结构进行了表征,发现三种材料都具备规则的晶体结构,且具有较大的比表面积;通过差示扫描量热仪（Differential catalytic calorimetry,DSC）和热重分析（Thermogravimetric analysis,TG）测试了MOFs材料对AP的热催化性能,当MOFs材料与AP的质量比为5:95时,AP的分解峰温最佳可由409.7oC提前至321.9oC,表观分解热最佳可由576 J·g-1增至2033 J·g-1,三种材料对AP热分解均表现出良好的热分解催化作用,其中Co-MOF材料催化效果最佳。撞击感度测试结果表明,MOFs材料的加入使AP撞击感度特性落高值变化幅度在10%以内,说明MOFs材料对AP的机械安全性没有恶性影响。（2）采用氧化还原法制备了氧化石墨烯（Graphene oxide,GO）和还原氧化石墨烯（Reduced graphene oxide,rGO）,分别通过SEM,XRD对样品进行了表征测试。采用DSC系统地研究了氧化石墨烯、石墨烯、碳纳米管及羟基化碳纳米管等碳纳米材料对AP热分解性能的影响。结果发现四种碳纳米材料对AP热分解性能都有一定影响,随其含量增加,AP的分解峰温明显降低,表观分解热增加,这主要得益于碳纳米材料的高比表面积以及良好的导电和传热性能。（3）在MOFs合成过程中加入等量碳纳米材料,制备出8种MOFs@碳纳米材料复合粒子,用SEM,XRD,EDS,BET,傅立叶红外光谱（Fourier transform infrared spectrometer,FTIR）等对复合粒子进行表征,采用DSC和TG测试了复合粒子对AP的热催化性能,并对这些复合物的撞击感度进行了测试和分析。结果表明,8种MOFs@碳纳米材料复合粒子均对AP热分解有催化作用,当复合粒子与AP质量比为5:95时,分解峰温最低可降至298.8oC,表观分解热最高可增至2185 J·g-1,活化能最低可降至105.42 kJ·mol-1。且MOFs@碳纳米材料复合粒子对AP的热催化效果明显优于单独使用MOFs或碳纳米材料,表明MOFs材料和碳纳米材料在AP热分解过程中发生了协同催化作用。MOFs@碳纳米材料复合粒子加入使AP的撞击感度特性落高(H50)有了小幅提升,表明复合粒子对AP有一定的机械钝化作用,有利于提高AP含能复合体系的安全性能。