新型高效富勒烯金属盐催化剂制备及其燃烧催化机理研究

The control of combustion properties is the key technique in the development of solid rocket propellant, so it is necessary to exploit new combustion catalyst for the novel solid rocket propellant. Based on preliminary experiments that fullerene lead /copper salt has significantly increase the burning rate of modified double-base propellant, this project intends to develop new fullerene metal salts catalyst ( target object ), design by the transition state theory, which is on the principle of carbon and metal salts catalyst on solid double-base propellant. The object is added to the propellant components to be made of propellant style, and then the compatibility and thermal stability will be researched. The effects from the target compounds'structure and proportion on rocket propellant combustion performance are also discussed. Combined with the experimental parameters on burning rate, the pressure factor, flame structure, combustion wave temperature distribution, flameout surface morphology and thermal decomposition performance etc, a mathematical model would be set up, which is used to deeply study the catalytic law and its mechanism of the target compounds on insensitive modified double base propellant. It is some excellent combustion performance fullerene based burning catalyst that will be screened at last. In a word, this study has important scientific significance and practical value for developping fullerene applications, enriching fullerenes science and catalytic combustion theory.

燃烧性能调节是研制固体火箭推进剂的关键核心技术，开发新型燃烧催化剂是新型固体火箭推进剂的战略需求。本项目拟在前期富勒烯铅/铜盐对改性双基推进剂有明显提高燃速调节燃烧性能的初步实验结果基础上，根据碳和金属盐对固体双基推进剂燃烧催化作用原理，在利用过渡态理论设计的基础上，开发新型富勒烯金属盐燃烧催化剂(目标物)。研究时将目标物添加到推进剂主成分中制成推进剂试样，研究目标物与推进剂主成分的相容性及自身热性能，研究目标物的结构、配比等因素对火箭推进剂燃烧性能的影响；结合实验测得的燃速和压力指数、火焰结构、燃烧波温度分布、熄火表面形貌、以及热分解性能等参数，综合分析并建立相应数学模型，采用数字模拟等方法深入研究目标物对钝感改性双基推进剂的燃烧催化作用规律及作用机理，最终筛选出燃烧性能优良的富勒烯基新型燃烧催化剂。本研究对于拓展富勒烯应用领域、丰富富勒烯科学和燃烧催化理论具有重要科学意义和实用价值。

本项目针对钝感改性双基推进剂对新型燃烧催化剂的战略需求，根据富勒烯-铅-含能基团分子催化材料设计新思想，提出用富勒烯铅/铜盐材料同时取代传统铅盐和炭黑作为推进剂燃烧催化剂。以C60、硝基/叠氮基富勒烯衍生物、衣康酸、马来酸、乙二胺以及各种氨基酸等为原料，合成得到了13种新型的富勒烯铅/铜盐和12种新型的含能富勒烯羧酸铅/铜盐衍生物，并采用紫外可见光谱、红外光谱、XRD、元素分析、X-射线光电子能谱、原子吸收光谱、ICP-MS等对产物结构进行了表征；采用DTA、DSC、TG–DTG、VST等对所合成的富勒烯铅/铜盐和含能富勒烯羧酸铅/铜盐等富勒烯材料的热稳定性及其与双基推进剂主要组分的相容性进行研究，同时将这些富勒烯材料添加到双基推进剂中，制成推进剂试样，研究常压、密封升压、高压、等速升温和快速裂解等条件下推进剂试样以及富勒烯材料自身的热分解机理，探索它们的热分解规律，计算出热分解反应动力学参数，获得最可几机理函数，并进行热安全性评价。结果表明，所合成的富勒烯材料具有较好热稳定，且与推进剂主要组分相容性良好，能添加到双基推进剂配方中安全使用。首次用所制备的与推进剂主要组分相容性好的富勒烯铅/铜盐取代传统的铅/铜盐催化剂，将其应用到双基推进剂配方中，研究其对双基推进剂的燃烧催化效果，掌握了富勒烯铅/铜盐对钝感改性双基推进剂燃烧的催化作用规律，获得FT1302、FT1305和FL1310三种性能优良钝感改性双基推进剂配方，其中配方FT1302可使10MPa下的燃速提高102%，12-16MPa范围压力指数从0.91降至0.28，特性落高为41.6cm；配方FL1305可使10MPa下的燃速提高103%，14-20MPa范围压力指数从0.77降至0.17，特性落高为40.0cm；配方FL1310可使10MPa下的燃速提高103%，12-20MPa范围压力指数从0.85降至0.24，特性落高为40.9cm。该项目研究拓宽了富勒烯科学的研究领域，推动富勒烯材料在分子设计、合成方法及性能表征方面的科学研究，促进富勒烯科学和含能材料学科发展，为开发和利用新型富勒烯基双基推进剂燃烧催化剂开辟了新的技术途径。