石墨烯的功能化及在含能材料中的应用研究

Nanocrystallization of is an efficient approach to improve the proterties energetic materials. Graphene is a novel carbon nanomaterial film that is only one atom thick and has unique electrical and mechanical properties as well as supreme stability and durability. The functionazation of graphene may be divided into two classes: organic and inorganic modification. Functionalized graphene sheets can be obtained by grafting different molecular chains onto graphene oxide sheets. The stable graphene oxide sheets can also be used as starting material for preparation of graphene-based inorganic materials. The excellent electrical properties of graphene can reduce the electrostatic sensitivity of energetic system, good thermal conductivity of graphene may have an influence on the thermal sensitivity of energetic system, lubrication of graphene may reduce the mechanical sensitivity of energetic system to some extent, and various microscopic structures of different functionalized graphene sheets may induce different release rates of energetic systems. The different influences of various functionalized graphene microstructures on selectivity, sensitivity, energy release rate and the mechanism (insensitive mechanism and sensitive mechanism) will be investigated.

含能材料“纳米化”是提高其性能的有效途径之一。石墨烯具有许多优异的性能，本项目将石墨烯功能化后应用到含能体系中，研究功能化石墨烯对含能体系性能的影响。石墨烯的功能化可分为两种：无机修饰和有机修饰。通过氧化石墨烯表面的活性官能团将不同性能的分子链段或无机纳米粒子修饰到石墨烯上，得到不同功能化的石墨烯。利用石墨烯优异的性能可改善含能材料体系的性能，如石墨烯优异的电学性能能够降低含能体系的静电感度，石墨烯良好的导热性对含能体系的热感度有一定影响，单层石墨烯良好的润滑性有利于降低含能体系的机械感度，功能化石墨烯的微观结构可能会影响含能体系能量释放速率。研究功能化石墨烯对含能体系感度选择性和能量释放速率的影响，探讨其作用机理（钝感机理和敏化机理），对于设计此类含能材料具有重要的指导意义。

单组份催化剂由于自身缺陷，往往难以满足性能要求。由于各组分之间的协同效应，多组分功能纳米复合材料具有比单一组分更优异的性能。石墨烯因其优异的物理化学性质和独特的纳米尺寸效应而被认为是一种十分有前景的支撑材料，可以用来构建先进的复合催化剂。本项目设计、制备了无机修饰和有机修饰的功能化石墨烯复合材料。具体研究内容如下：.1. 采用原位聚合的方法设计、制备了共价键键合的氮化碳-石墨烯复合材料。首先氧化石墨烯与二氰二胺通过亲核取代反应形成二氰二胺共价键修饰氧化石墨烯，之后通过原位聚合的方法合成共价键键合的氮化碳-石墨烯复合材料。.2. 控制合成低缺陷石墨烯负载铂及钯催化剂。利用硝酸铂水解所产生的硝酸对石墨烯进行轻微地氧化。由于水解产生的硝酸其浓度远远小于传统酸处理过程中的酸浓度，因此在石墨烯表面仅会形成少量的结构缺陷，从而显著提高其导电性。由于合成条件更为温和，负载于低缺陷石墨烯表面的铂粒子相比于化学还原石墨烯表面的铂粒子分散性更高。更为重要的是，几乎完好的石墨烯结构可以显著降低复合材料的电荷转移电阻并提高铂颗粒的催化活性。.3. 二氧化锰改性的石墨烯负载铂及钯催化剂的控制合成及性能.石墨烯骨架中的碳原子可以与MnO4-离子发生直接的氧化还原反应，生成二氧化锰-石墨烯复合物。研究表明，以二氧化锰-石墨烯作为载体材料可以促进金属铂和金属钯颗粒的沉积，防止发生团聚现象。.4. 通过两步法制备出铁酸钴-石墨烯-聚苯胺和铁酸锰-石墨烯-聚苯胺三元复合纳米材料：首先通过水热反应将铁氧体纳米粒子负载到石墨烯表面，接着通过原位氧化聚合反应进行聚苯胺的包覆。.5. 将制备的具有纳米结构的部分材料作为添加剂加入到炸药奥克托金（HMX）中，考察了对其热稳定和机械感度等性能的影响。结果表明有机改性石墨烯的加入有利于提高 HMX 的热稳定性，石墨烯/CoFe2O4添加剂能明显抑制 HMX 的热效应。当 HMX 样品中加入少量有机改性的氧化石墨烯后，其撞击感度、特性落高和摩擦感度均未降低，但石墨烯可降低 HMX 反应的活化能，促进其爆轰反应进程和反应深度，从而表现出更高的爆轰能力。.项目共发表 SCI 论文14 篇，申请专利 3 项.