微纳结构铝粉/氟聚物核壳复合含能材料的构筑与性能研究

Aluminum powder is one of the most important raw materials in the areas of aviation, aerospace and ordnance industries. Al powders ,with the advantages of high density, low oxygen consumption, high combustion heat value and low cost, can greatly improve combustion heat value, burning temperature and the energy performance of solid propellants. Improving the combustion efficiency of Al powder in solid propellants, reducing the agglomeration size and decreasing activity aluminum content in combustion products of aluminum, have been increasingly the focus of international attention. The study of preparation and properties of fluorocarbon based metal fuel system is a current international research hotspot and frontier technology. In our study, an aluminum/fluoropolymer core-shell energetic metastable intermolecular composite with micro-nano-structure would be constructed. Fluorinated monomer molecules generated a uniform fluoropolymer nano-layer on the surfaces of aluminum powder by in situ chemical polymerization.The research of controlled synthesis and properties of aluminum / fluoropolymer core-shell composite particles would be carried out to improve the ignition characteristics and combustion efficiency of aluminum, which will provide a technical support to further enhance the performance of combustion and energy performance of aluminized propellants

金属铝粉是航空、航天和兵器等行业不可缺少的重要材料之一，Al粉具有密度高、耗氧量低、燃烧热高值及成本低等特点，可大幅提高固体推进剂及PBX炸药的燃烧热和燃烧温度，显著提升固体推进剂能量性能。提高固体推进剂中Al粉的燃烧效率，探索降低铝团聚尺寸、燃烧产物中活性铝含量，一直是国内外固体推进剂科技工作者的重点研究领域。氟碳化合物基金属燃料的制备及性能研究，成为当前国内外研究热点和技术前沿。我们提出采用含氟分子单体在微纳米铝粉表面化学原位聚合制备微纳结构铝粉/氟聚物核壳含能亚稳态分子间复合材料，在微米或纳米铝粉表面可控包覆一层均匀的纳米结构的含氟聚合物，开展微纳结构铝粉/氟聚物核壳复合微粒的可控制备及性能研究，改善铝粉的点火特性与燃烧效率，为进一步提升含铝推进剂燃烧与能量性能提供技术支撑。

通过以含氟烯烃或含氟二醇为聚合单体，采用自由基聚合或缩合聚合等方法，在微米或纳米铝粉表面原位乳液聚合生成一层致密的氟聚合物膜，有效制备了一种微纳结构铝粉/氟聚物核壳含能复合材料。采用现代分析方法对复合微纳米铝粉的微粒粒径及分布、有效氟含量、活性铝含量、表面形貌等结构与性能参数进行表征。分析了复合微纳米铝粉燃料与推进剂主要组分之间的相容性，采用TG-DSC分析了包覆铝粉的热力学行为，采用激光点火分析了复合微纳米铝粉的燃烧行为，探讨了氟聚物对于铝粉燃烧的促进作用。研究了复合微纳米铝粉对NEPE固体推进剂燃烧性能的影响规律，借助于推进剂燃烧测试性能测试系统及燃烧火焰照片分析研究含氟铝粉对于推进剂燃烧火焰、燃烧行为以及燃烧残渣粒径、残渣活性铝含量的影响，获得氟聚物包覆对含铝推进剂燃烧行为的影响规律，理论结合实验分析含氟铝粉对固体推进剂燃烧与能量性能影响的内在机制。在微纳结构Al/氟聚物核壳复合材料的研究基础之上，开展了铝基氟聚物复合微单元燃料的研究工作。该微单元燃料是一种以铝粉为核，氧化剂为壳，氧化剂与还原剂之间有含氟聚合物层，最外层可再用高分子保护层的新型结构单元，属于核壳型材料，具有尺寸均匀、燃烧效率高、感度低等特点。核壳型铝基复合微单元燃料中燃料和氧化剂之间微/纳米级尺度组装，缩短燃料与氧化剂燃烧时的质量传输距离，降低传质、传热过程对燃烧性能的影响，可使燃料与氧化剂之间的化学反应更加充分完全，可充分发挥固体推进剂组分的化学潜能，从而有效提高固体推进剂的能量和能量利用率。