納米材料在高能燃料中燃燒機(jī)理和水霧對(duì)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(xiàng)工作： 1.詳細(xì)介紹了納米金屬粉的性質(zhì)，制備方法及其化學(xué)反應(yīng)特性，特別對(duì)納米鋁粉的氧化特性進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，指出納米金屬粉應(yīng)用于含能材料中的可行性。介紹了國(guó)內(nèi)外有關(guān)納米鋁粉在含能材料中的使用情況，尤其是對(duì)燃燒特性及相應(yīng)的燃燒機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)綜述。 2.運(yùn)用高壓差示掃描量熱法(PDSC)和熱重法(TG-DTG)研究了普通級(jí)以及納米級(jí)的鋁、鎳、銅金屬粉對(duì)于奧克托金(HMX)熱分解特性的影響。結(jié)果表明，n

2、-Cu對(duì)于HMX的凝聚相分解作用最明顯，且這種催化作用會(huì)由于納米銅含量的減少或體系壓強(qiáng)的增大而變?nèi)酢；诤銣谼SC實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的活化能結(jié)果，提出了n-Cu對(duì)于HMX熱分解的一次催化，二次催化以及反應(yīng)作用部位的觀點(diǎn)。 3.利用熱失重儀(TG)研究了普通級(jí)和納米級(jí)的鋁、鎳金屬粉對(duì)普通粒度高氯酸銨(g-AP)熱分解特性的影響。結(jié)果表明，鋁粉對(duì)g-AP熱分解幾乎沒有影響，納米鎳粉(n-Ni)對(duì)于g-AP的高溫階段熱分解的促進(jìn)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(shí)驗(yàn)證實(shí)了n-Ni的這種促進(jìn)作用。利用Coats-Redfern積分法計(jì)算了超細(xì)高氯酸銨(s-AP)熱分解的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，結(jié)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(jī)理函數(shù)都同屬于“成核和核成長(zhǎng)”的Avrami-Erofeev方程系列的函數(shù)，同時(shí)還探討了n-Ni對(duì)AP熱分解促進(jìn)作用的機(jī)理，認(rèn)為其

4、主要促進(jìn)了AP高溫階段氣相反應(yīng)。 4.對(duì)鋁粉含量較低的AP復(fù)合推進(jìn)劑的燃速進(jìn)行測(cè)試，結(jié)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(jí)配均可有效地改善復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒性能，表現(xiàn)為低壓下燃速的提高以及燃速壓強(qiáng)指數(shù)降低，而采用n-Al/g-Al為1/1級(jí)配則降低了復(fù)合推進(jìn)劑的燃燒性能。通過對(duì)推進(jìn)劑樣品的能量特性、火焰結(jié)構(gòu)、燃燒殘?jiān)挠^測(cè)以及對(duì)推進(jìn)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(jié)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(diǎn)火閾值和較短的燃燒時(shí)間，同時(shí)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(fù)合推進(jìn)劑中主要組分AP的熱分解，多種因素共同作用促進(jìn)了推進(jìn)劑的燃燒。 5.利用CO2激光點(diǎn)火系統(tǒng)對(duì)含有n-Al和n-Ni的推進(jìn)劑進(jìn)行激光點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了不同激光功率和不同壓強(qiáng)下的點(diǎn)火延遲時(shí)間。對(duì)推進(jìn)劑的燃速，常壓點(diǎn)火溫度

6、，爆熱也進(jìn)行了測(cè)量，同時(shí)利用氧化還原滴定法測(cè)定燃燒殘?jiān)谢钚凿X含量。結(jié)果顯示，n-Al有利于點(diǎn)火進(jìn)行，可縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間。而在n-Ni為催化劑的協(xié)同作用下，燃速得到明顯提高，點(diǎn)火延遲時(shí)間也大大減少，同時(shí)燃燒殘?jiān)谢钚凿X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(yīng)，實(shí)時(shí)考察了其在不同溫度條件下分解殘留物的基團(tuán)特性。利用熱分析技術(shù)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(yīng)，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(yīng)機(jī)理。結(jié)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(gè)階段，而聚醚型聚氨酯則是硬段與軟段同時(shí)分解。熱分解結(jié)果也顯示，對(duì)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(qiáng)于聚醚型。同時(shí)聚氨酯在空氣中的起始失重溫度比在氮?dú)庵刑崆埃砻餮鯕獾拇嬖谀艽龠M(jìn)聚氨酯主鏈上C-C和C-O鍵的斷裂。 7.詳細(xì)介

8、紹了細(xì)水霧與不同擴(kuò)散火焰(包括H2，CO，CH4的擴(kuò)散火焰)之間相互作用的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)機(jī)理。水在燃燒反應(yīng)中的作用包括：將O自由基轉(zhuǎn)換成OH自由基，參與水煤氣反應(yīng)以及充當(dāng)化學(xué)反應(yīng)的高效碰撞體(efficientcollisionpartners)。利用激光誘導(dǎo)熒光初步研究了酒精火焰在有水蒸汽以及無(wú)水蒸氣條件下的自由基濃度。結(jié)果顯示在受限空間中加入水蒸氣會(huì)降低燃燒火焰中OH自由基濃度。 8.探討了水對(duì)聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

9、燃燒過程的影響。對(duì)于有水蒸汽，以及無(wú)水蒸氣共存條件下，PMMA燃燒釋放的煙氣進(jìn)行氣相色譜(GC)以及氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)的分析。對(duì)于水蒸汽與PMMA火焰相互作用的研究指出，水霧滅火時(shí)氧氣的流量與滅火時(shí)所需的最小細(xì)水霧量存在正相關(guān)，氧氣流量越大。所需的撲滅一定大小的火災(zāi)的細(xì)水霧的量也就越大。這是因?yàn)榧?xì)水霧滅火主要依賴于降低物質(zhì)燃燒時(shí)周圍環(huán)境的氧含量，從而起到滅火的作用。同時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，PMMA與水霧共存下，燃燒產(chǎn)物中出現(xiàn)了

10、含苯環(huán)以及長(zhǎng)鏈的復(fù)雜物質(zhì)。可能是由于水蒸汽打斷了碳黑前驅(qū)體多環(huán)芳烴的形成，進(jìn)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(chǎn)物。利用GC-MS對(duì)燃燒產(chǎn)物做了定性以及定量分析?？偣茶b定了53種燃燒產(chǎn)物。這些燃燒產(chǎn)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