納米材料在高能燃料中燃燒機理和水霧對聚合物燃燒特性影響的研究.pdf

1、本論文主要做了以下10項工作： 1.詳細介紹了納米金屬粉的性質，制備方法及其化學反應特性，特別對納米鋁粉的氧化特性進行了詳細的闡述，指出納米金屬粉應用于含能材料中的可行性。介紹了國內外有關納米鋁粉在含能材料中的使用情況，尤其是對燃燒特性及相應的燃燒機理進行了詳細綜述。 2.運用高壓差示掃描量熱法(PDSC)和熱重法(TG-DTG)研究了普通級以及納米級的鋁、鎳、銅金屬粉對于奧克托金(HMX)熱分解特性的影響。結果表明，n

2、-Cu對于HMX的凝聚相分解作用最明顯，且這種催化作用會由于納米銅含量的減少或體系壓強的增大而變弱。基于恒溫DSC實驗數據計算得到的活化能結果，提出了n-Cu對于HMX熱分解的一次催化，二次催化以及反應作用部位的觀點。 3.利用熱失重儀(TG)研究了普通級和納米級的鋁、鎳金屬粉對普通粒度高氯酸銨(g-AP)熱分解特性的影響。結果表明，鋁粉對g-AP熱分解幾乎沒有影響，納米鎳粉(n-Ni)對于g-AP的高溫階段熱分解的促進作用最明

3、顯，它隨著n-Ni含量的減少而逐漸減弱。原位紅外光譜以及差示掃描量熱(DSC)實驗證實了n-Ni的這種促進作用。利用Coats-Redfern積分法計算了超細高氯酸銨(s-AP)熱分解的動力學參數，結果顯示n-Ni使s-AP熱分解的表觀活化能從157.9kJ/mol下降為134.9kJ/mol，而其熱分解的機理函數都同屬于“成核和核成長”的Avrami-Erofeev方程系列的函數，同時還探討了n-Ni對AP熱分解促進作用的機理，認為其

4、主要促進了AP高溫階段氣相反應。 4.對鋁粉含量較低的AP復合推進劑的燃速進行測試，結果表明，外加2％的納米鎳粉(n-Ni)，或者采用納米鋁粉(n-Al)/普通鋁粉(g-Al)為4/1級配均可有效地改善復合推進劑的燃燒性能，表現為低壓下燃速的提高以及燃速壓強指數降低，而采用n-Al/g-Al為1/1級配則降低了復合推進劑的燃燒性能。通過對推進劑樣品的能量特性、火焰結構、燃燒殘渣的觀測以及對推進劑樣品和金屬粉(n-Al與g-Al)

5、的熱分析，包括TG和差熱分析(DTA)結果表明，n-Al與n-Ni在燃燒中有不同于g-Al的行為，具有較低的點火閾值和較短的燃燒時間，同時n-Al傾向于單顆粒燃燒，有別于g-Al的凝聚燃燒行為；n-Ni則催化了復合推進劑中主要組分AP的熱分解，多種因素共同作用促進了推進劑的燃燒。 5.利用CO2激光點火系統對含有n-Al和n-Ni的推進劑進行激光點火實驗，測量了不同激光功率和不同壓強下的點火延遲時間。對推進劑的燃速，常壓點火溫度

6、，爆熱也進行了測量，同時利用氧化還原滴定法測定燃燒殘渣中活性鋁含量。結果顯示，n-Al有利于點火進行，可縮短點火延遲時間。而在n-Ni為催化劑的協同作用下，燃速得到明顯提高，點火延遲時間也大大減少，同時燃燒殘渣中活性鋁含量也明顯降低。 6.采用原位傅立葉變換紅外光譜法研究了聚酯型聚氨酯和聚醚型聚氨酯在空氣氣氛中從室溫到400℃之間的熱解反應，實時考察了其在不同溫度條件下分解殘留物的基團特性。利用熱分析技術考察了聚酯型聚氨酯和聚醚

7、型聚氨酯在不同氣氛下從室溫到700℃之間的熱解反應，探討了聚酯型聚氨酯和聚醚型聚氨酯在有氧條件下的熱解反應機理。結果表明聚酯型聚氨酯在空氣中存在硬段和軟段先后分解的兩個階段，而聚醚型聚氨酯則是硬段與軟段同時分解。熱分解結果也顯示，對于硬段相同的聚氨酯，聚酯型的起始失重溫度高于聚醚型，說明聚酯型的熱穩(wěn)定性強于聚醚型。同時聚氨酯在空氣中的起始失重溫度比在氮氣中提前，表明氧氣的存在能促進聚氨酯主鏈上C-C和C-O鍵的斷裂。 7.詳細介

8、紹了細水霧與不同擴散火焰(包括H2，CO，CH4的擴散火焰)之間相互作用的反應動力學和反應機理。水在燃燒反應中的作用包括：將O自由基轉換成OH自由基，參與水煤氣反應以及充當化學反應的高效碰撞體(efficientcollisionpartners)。利用激光誘導熒光初步研究了酒精火焰在有水蒸汽以及無水蒸氣條件下的自由基濃度。結果顯示在受限空間中加入水蒸氣會降低燃燒火焰中OH自由基濃度。 8.探討了水對聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

9、燃燒過程的影響。對于有水蒸汽，以及無水蒸氣共存條件下，PMMA燃燒釋放的煙氣進行氣相色譜(GC)以及氣相色譜與質譜聯用(GC-MS)的分析。對于水蒸汽與PMMA火焰相互作用的研究指出，水霧滅火時氧氣的流量與滅火時所需的最小細水霧量存在正相關，氧氣流量越大。所需的撲滅一定大小的火災的細水霧的量也就越大。這是因為細水霧滅火主要依賴于降低物質燃燒時周圍環(huán)境的氧含量，從而起到滅火的作用。同時實驗結果還顯示，PMMA與水霧共存下，燃燒產物中出現了

10、含苯環(huán)以及長鏈的復雜物質?？赡苁怯捎谒羝驍嗔颂己谇膀岓w多環(huán)芳烴的形成，進而延緩碳黑的成核過程。 9.利用自行研制的氣體收集裝置研究了PMMA燃燒的氣態(tài)產物。利用GC-MS對燃燒產物做了定性以及定量分析?？偣茶b定了53種燃燒產物。這些燃燒產物可以被劃分為5類，包括：25種芳香族化合物，5種雜環(huán)化合物，6種脂環(huán)族化合物，7種酯以及10種脂肪族化合物。 10.利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X射線電子能譜儀(XPS)及傅立葉