含能金属有机骨架基分子复合材料制备及其性能研究

Energetic materials is the energy source for weapon system, so energy density is the key to improve efficiency for energetic materials of weapon system. Due to the energetic materials with the inherent contradiction between the sensitivity and energy density using the traditional way to improve the energy density to meet the bottleneck and the use of composite containing (supramolecular) system can solve this problem. Composite material system can be the key to the development of energetic material and it mainly depends on the matrix choice, and energetic metal organic framework with the stability of tunnel structure and the characteristics of high energy density could become a good matrix choice. This project intends to make the following research: (1) to use E - MOFs as a matrix, with the traditional compounds (RDX, CL-20, etc.) through supramolecular assembly, it explores the preparation of both -high-energy and good stability of the method of the composite material. (2) to reveal the effect mechanism and influence rule of the object molecule on the performance of e--MOFs (energy, stability, etc.) and specify the direction for the performance control of this kind of composite material. (3)to develop this method to prepare a series of new composite energetic materials with applied value. The research of this project can provide theoretical guidance for the design, preparation and application of new composite energetic materials and provide basic support for the improvement of weapon effectiveness.

含能材料作为武器系统的能量来源，提高其能量密度是提高武器系统效能的关键。由于含能材料能量和感度之间的固有矛盾，利用传统方式提高其能量遇到了瓶颈，而利用复合含能（超分子）材料体系可以解决这一问题。复合含能材料体系发展的关键主要在于母体的选择，而含能金属有机骨架材料(E-MOFs)由于具有稳定的孔道结构以及超高的能量密度的特点而成为优良的母体选择。本项目拟进行以下研究：（1）利用E-MOFs作为母体，与传统的含能化合物（RDX、CL-20等）通过超分子组装，探索制备兼具超高能与良好稳定性的复合材料的方法。（2）揭示客体分子对E-MOFs性能（能量、稳定性等）的作用机制和影响规律，为该类复合材料性能调控指明方向。（3）发展该方法，制备得到一系列具有应用价值的新型复合含能材料。本项目的研究可为新型复合含能材料设计、制备及应用提供理论指导,并且为武器效能的提高提供基础支持。

将现有的含能金属骨架（E-MOFs）与其他的材料进行复合，可以得到具有更好性能的E-MOFs复合材料，本文主要就研究E-MOFs形貌控制及E-MOFs基含能复合材料制备方法进行探索。首先，利用水热法制备了该E-MOFs与氧化石墨烯复合材料GO⊂MOF(ata-a)，随后利用光谱测试、原子力显微镜和X射线光电子能谱等方法对得到的复合材料进行分析，确定了氧化石墨烯在骨架结构中的分布形态，然后通过XRD测试证明了该种掺杂可以显著提高该亚稳态晶型的稳定性。其次，通过水热法制备得到了含有双配体的金属有机骨架MOF（Zn）‑1以及仅以上述一种唑环为配体的MOF（Zn）‑2和MOF（Zn）‑3，随后利用X‑射线单晶衍射测试和DSC-TG测试，证明了双配体的同时存在，改变E‑MOFs的配位方式且会较大程度的提高E‑MOFs的分解温度。第三，利用溶剂热生长的方法将三维(3-D)高能E-MOFs均匀沉积在氧化铜箔上，制备得到了低感度高产气量的MOF(Cu)薄膜。通过离子交换的方法，利用原有E-MOFs薄膜制备得到了两种新型的含能金属有机骨架材料，证明了通过阴离子交换策略可以对于E-MOF膜的能量特性进行调节。第四，利用静电纺丝的工艺，成功制备了纳米级MOF(Cu)-N/NH4ClO4含能纤维，通过多种测试手段，证明了MOFs基含能纳米纤维具有优秀的燃烧性能，其反应热、点火温度和峰值压力分别可以达到3.48 kJ g-1，244 °C和11.7 MPa，显示出MOF(Cu)作为配方在含能纤维合成领域的巨大优势。最后，以含能MOFs为前驱体，通过静电纺丝后裂解的方法的制备得到了多孔多元素共掺杂碳纤维PC-2-800，其具有尺寸均匀规整，直径约为400nm，活性位点多，比表面积大等优势。将PC-2-800组装成半电池，显示了优秀的锂原子容量。该研究展示了含能MOFs在碳纤维合成领域内的广阔应用前景。综合上述结果，本研究为E-MOFs基含能复合材料制备方法开展了众多的探索。项目资助发表SCI论文2篇，核心期刊1篇，待发表SCI两篇。培养博士生名，硕士生2名，均已经相应硕士学位。项目投入经费30.04万元，直接经费25.7万元，直接经费支出17.38万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费9.06万元，剩余经费计划用于本项目研究后续支出。