【摘 要】
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硼(B)具有较高的能量密度,在固体推进剂、炸药和烟火剂中具有广泛的应用前景。然而B表面的惰性氧化层(B2O3),导致点火延迟时间长和燃烧效率低等问题。为此,本文主要采用表面功能化技术,选用高活性的纳米铝(nano-Al)和氟化石墨烯(FG)对B粉表面功能化包覆,以改善B粉的点火和燃烧性能。系统研究了表面功能化B粉和硝酸钾(KNO3)、氟化石墨(GF)两种氧化剂的点火和燃烧性能。在此基础上,基于B粉
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硼(B)具有较高的能量密度,在固体推进剂、炸药和烟火剂中具有广泛的应用前景。然而B表面的惰性氧化层(B2O3),导致点火延迟时间长和燃烧效率低等问题。为此,本文主要采用表面功能化技术,选用高活性的纳米铝(nano-Al)和氟化石墨烯(FG)对B粉表面功能化包覆,以改善B粉的点火和燃烧性能。系统研究了表面功能化B粉和硝酸钾(KNO3)、氟化石墨(GF)两种氧化剂的点火和燃烧性能。在此基础上,基于B粉在两种氧化剂中的点火燃烧性能,采用乳化溶剂挥发法构建了一种B/Al/PTFE的多元复合含能微球,提升了含B复合含能材料的燃烧和压力输出特性。主要研究内容如下:(1)通过溶剂挥发法成功制备了nano-Al和FG表面功能化的B粉,实现了具有不同包覆量的B粉的制备。通过对表面功能化的B粉进行SEM、XPS、EDS和XRD的表征,证明了nano-Al和FG在B粉表面形成了均匀的壳层结构,并且随着包覆量的增加,壳层结构变得更致密。(2)选用KNO3为氧化剂,系统研究了表面功能化B粉在KNO3中的点火和燃烧特性。DSC结果表明,nano-Al、FG表面功能化B粉在KNO3中反应热分别是1116.83J/g和862.69 J/g,高于未活化的B粉(823.39 J/g)。CO2激光点火测试表明,当nano-Al涂层含量为8 wt%时具有最短的点火延迟时间(75 ms),远低于未活化的B粉(109 ms)。点火燃烧和密闭爆发测试结果表明,表面功能化的B粉的火焰高度和峰值压力随着nano-Al和FG含量的增加,表现出先减小后增加的趋势。此外,探索了B/O质量比下表面功能化B在KNO3中的点火和燃烧性能规律。当B/O比为7:3时,表面功能化B粉具有最小点火延迟时间,分别为94 ms和148 ms;而当B/O比为4:6时具有最高压力,分别为88 k Pa和59 k Pa。(3)选用含氟化合物GF为氧化剂,详细研究了表面功能化B粉在GF中的点火和燃烧特性。DSC结果表明,当B粉表面分别包覆6 wt%的nano-Al和2 wt%的FG时,具有最大的反应热5.612 k J/g和5.474 k J/g,大于未活化的B粉2.569 k J/g。CO2激光点火测试表明,相较于未活化的B粉(120 ms),表面功能化B粉的点火延迟时间可降低到116 ms和88 ms。点火燃烧和密闭爆发器测试表明,与nano-Al相比,FG更有利于增强B的燃烧和压力输出性能。此外,研究了不同B/GF质量比下,表面功能化B的点火和燃烧规律。当B/GF质量比为4:6时,具有最短的点火延迟时间(85 ms和72 ms);当B/GF质量比为2:8时,具有强烈的燃烧和快速的火焰传播。(4)基于表面功能化B的点火燃烧规律研究,通过乳液溶剂蒸发法构建了具有不同B/Al质量比的B/Al/PTFE三元复合高能微球,研究了该复合微球的燃烧和压力输出性能。形貌和结构分析表明,微球内部各组分分布均匀、结合紧密,外观呈现出直径约为400μm的呈单分散性和高度球形的球形结构。点火燃烧试验和密闭爆发试验表明,微球最短的燃烧持续时间(200 ms)小于物理混合样品(315 ms),最大的峰值压力(821.25 k Pa)大于物理混合样品(632.43 k Pa)。此外,通过调整B/Al质量比可以实现微球能量密度和反应性的调节。DSC结果表明,随着B/Al质量比的下降,放热量会先增加后减小,当B/Al质量比为21/9时,拥有最大的放热量(4.904 k J/g)。点火燃烧试验和密闭爆发试验表明,随着B/Al质量比的下降,反应性会逐渐增加,当B/Al质量比为0/30时,微球具有最低短的燃烧持续时间(200 ms)和最强的压力输出性能(821.25 k Pa和1831.18 MPa/s)。本文提出的表面功能化方法,为制备具有低点火延迟时间和高燃烧效率的B颗粒提供了一种新的技术途径,所制备的nano-Al和FG表面功能化的B粉具有降低的点火延迟时间和改善的燃烧反应性能。此外,本文提出了一种乳化溶剂挥发法,成功构建了具有多孔微结构的B/Al/PTFE多元复合微球,实现了含B复合含能材料燃烧和压力输出性能的提升。本文所制备的表面功能化B和含B复合微球在推进剂和炸药领域具有较好的应用前景。
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