功能化石墨烯/含能热塑性弹性体复合物构建与协同增效机制

The harmonisation of mechanical and energetic properties is one of the most difficult problems that constrained the development of energetic thermoplastic elastomers (ETPE) solid propellant. The mechanical properties of ETPE is difficult to be improved by increasing molecular weight or adjusting the ratio of hard/soft blocks without decreasing the energy due to the influence of the energetic units in the ETPE. A novel idea of functionalized graphene oxide (FGO) strengthening ETPE is creatively presented in this topic. Which can improve significantly the mechanical properties and safety. The design, synthesis and characterization of FGO can provide materials for the preparation of composites. The composites of FGO/ETPE can be constructed by ordered self-assembly or chemical grafting reaction, and the composition, structure and morphology are characterized by using FTIR, XRD, XPS, SEM and TEM. The influence relationship on the thermal decomposition and glass transition temperature (Tg) of FGO/ETPE composites are investigated by TG and DSC. The mechanical properties response mechanism on the structure of FGO and ETPE is revealed from molecular level by using dynamic mechanical properties. The changing regularity of mechanics properties of FGO/ETPE composites are investigated by tensile strength. Which has the important theoretical meaning and practical value for the development of high performance solid propellant.

力学性能和能量特性的协调统一是制约含能热塑性弹性体（ETPE）基固体推进剂发展的关键难题之一。由于ETPE结构中含能单元的影响，在保证能量的前提下，利用提高分子量、改变晶区/非晶区组成的方法难以使ETPE力学性能显著提高。本课题从新的视角提出了功能化石墨烯（FGO）增强ETPE的思路，不仅可大幅提高ETPE力学性能，且改善其安全性。主要开展FGO设计、合成及表征研究，为复合物制备提供依据；利用自组装或化学接枝构建FGO/ETPE复合物，进行FTIR、XRD、SEM、XPS和TEM研究，确定其组成、结构和形貌；对该类复合物进行TG、DSC研究，获得FGO对ETPE玻璃化温度和热分解的影响关系；对该类复合物进行动态力学性能研究，从分子层面揭示FGO结构与ETPE力学性能响应机制；通过拉伸强度研究，探究其组成与ETPE力学性能的变化规律，这对高性能固体推进剂的发展具有重要的理论意义和实用价值。

固体推进剂主要由粘合剂、金属燃料、氧化剂和其它添加物。粘合剂在其中起着较为主要的作用，它主要负责粘合添加的固体材料，并通过捏合等工艺，得到理想的结构。常用的含能粘合剂有GAP、NC、BAMO和AMMO等。常用的含能粘合剂有聚叠氮缩水甘油醚(GAP)、聚3,3-二叠氮甲基氧杂环丁烷(poly(BAMO))、3-叠氮甲基-3-甲基氧杂环丁烷(poly(AMMO))，但是它们存在玻璃化温度较低、力学性能差、燃烧效果不佳的缺点。本项目制备了氨基硅型功能化氧化石墨烯（NH-SiGO）和巯基硅型FGO（SH-SiGO），并使用红外、XPS、拉曼、SEM和TEM对其结构和形貌进行了表征和分析。设计制备了不同含量的GO/聚叠氮缩水甘油醚含能热塑性弹性体复合物（GAP-ETPE）、GO/NC复合物、GO/聚3,3-二叠氮甲基氧杂环丁烷和3-叠氮甲基-3-甲基氧杂环丁烷含能热塑性弹性体复合物（BAMO-AMMO-ETPE）、NH-SiGO/GAP-ETPE、NH-SiGO/BAMO-AMMO-ETPE、NH-SiGO/NC、SH-SiGO/GAP-ETPE、SH-SiGO/BAMO-AMMO-ETPE、SH-SiGO/ NC和FGO/HAVOH复合物，并表征了结构、分析了形貌。获得了GO（FGO）/GAP-ETPE和GO（FGO）/BAMO-AMMO-ETPE的热分解温度、热失重、力学性能、玻璃化温度、燃烧热数据；获得了GO（FGO）/NC的热分解温度、热失重、热分解动力学、燃烧热数据；获得了FGO/HAVOH复合物的热分解温度和力学性能。采用量子计算的方法探究GO和FGO结构与GAP-ETPE效能间的关系。其中，NH-SiGO的加入可以改善NC的燃烧性能，降低GAP-ETPE的玻璃化温度，改善GAP-ETPE和BAMO-AMMO-ETPE的力学性能。研究成果对于新型固体推进剂的设计和开发具有重要的意义。