全致密纳米金属基复合物微观结构与反应机理的研究

全致密高活性纳米金属基复合材料是利用受阻反应球磨法制备的一系列高活性超细纳米复合材料。从理论上来说，这一系列材料可以替代目前的单分子含能材料以及金属燃料，并能极大提高燃烧效率和武器系统威力。本课题拟利用现代的化学表征手段包括原位X射线衍射、拉曼以及漫反射傅立叶红外结合热分析等，原位分析一系列不同元素组成的全致密纳米金属基复合物在升温过程或恒温条件下晶形、晶相变化与相变过程，跟踪其基体以及基体/复合物界面上可能形成的中间亚稳相以及最终稳定相。研究在升温条件不同气氛中可能出现的特殊晶相和合金态，研究在特殊气氛下表面的吸附态。结合材料本身物化性质与反应活性的评估，材料结构特性、组成元素等与反应活性和反应机理之间相互影响规律的总结，进而确定反应机理与速控步骤，探索和发现相关体系构效关系的物理化学本质。实验结果将有助于针对不同的应用需求设计合适的复合材料，达到指导材料合成和相应器件制备的目的。

利用受阻反应球磨法，本项目首先探索制备了化学计量比的铝基全致密高活性复合物，借助现代分析手段，包含原位分析等，结合热动力学分析，深入研究了微观结构组成，结构特性与其热分解和燃烧特性的关联性。研究结果显示2Al+3CuO的放热反应可以用四个平行的最可几动力学机理函数描述。随着温度升高，化学计量比全致密纳米金属复合物在加热条件下放热反应的具体速控步分别为：氧化铜的热分解、反应物种扩散通过表面,以及非晶氧化铝以及多晶氧化铝的成长等，其点火主要是由低温氧化反应过程驱动，并且可以用热分解动力学模型来描述。这一研究结果为理解Al+CuO纳米复合物的非均相放热反应与其燃烧特性的关联性提供了最初的理论解释。 在此基础上，本项目研究探索制备了富燃料比的铝基全致密纳米金属复合物，包括铝/氧化铜的比例分别为8:3，10:3,12:3的全致密纳米金属复合物，借助现代分析手段，包含原位分析等，结合热动力学分析，深入研究了其微观结构特性与其热分解和燃烧特性的关联性，考察了不同原料组分以及不同球磨条件对于富铝全致密纳米复合物的合成以及燃烧特性的影响。研究显示微米级的氧化铜，合适的过程控制剂的量以及球磨时间有助于高活性全致密纳米复合物的形成。研究还显示使用超细氧化铜不利于纳米复合物的形成，例如使用纳米氧化铜的样品中铝基体表面纳米氧化铜团聚并形成了薄膜，由于使用超细氧化铜不能有效的形成全致密纳米金属复合物，这样的团聚行为会降低纳米复合物的反应活性。研究还显示合成的纳米复合物中均有部分局部铝热反应的产物。使用特定比例燃料/氧化剂，控制氧化剂微观结构有助于控制获得具最高燃烧效率的全致密纳米复合物。. 本项目还研究了特殊气氛下，金属氧化物微观结构对燃烧产物的吸附影响，结果表明，在CuFe2O4的（100）表面，NO分子倾向于吸附在Fe原子顶位，形成N-Fe键。由于吸附作用，NO分子键长被拉长。这一研究结果为全致密高活性纳米复合材料在含氮氧化合物的环境中，如硝基推进剂中燃烧特性的研究提供了初步的研究基础。针对全致密纳米金属复合物合成方法中存在的问题（即易燃，易爆等），本研究还探索性的利用液相原位还原法合成了高分散的金属-金属氧化物复合物，该研究结果使得通过安全可控的液相法调控金属/金属氧化物界面微观接触程度，进入实现感度和活性调控成为可能。