纳米氧化物的形貌对超级铝热剂在推进剂中燃烧性能的影响

A super-thermite is a metastable intermolecular composite frequently combined by aluminium and a metal oxide in nanometer scale. Compared with the traditional thermite，a super-thermite can effectively improve the combination degree of aluminium and the metal oxide, thus it greatly increases the reaction energy and the combustion efficiency. In this project, different shapes of metal oxides are prepared. Through kinds of composite techniques, the combined pattens of nano aluminium powder and nano metal oxide will be improved. The contact area will be larger and the contact degree will be higher so as to improve the reaction properties of super-thermites. The differential scanning calorimetry, vacuum stability test and drug plasma method are selected to confirm the compatibility of the prepared thermites with some main components of the propellants. The thermal behavior and thermal decomposition kinetics are systematically studied in order to find some evidences of the compatibility from the activation energy. The super-thermite is added to propellants based on some certain formula specification, then the tests of combustion properties and sensitivity are carried out, therefore some propellants formulations with low sensitivity, high combustion velocity and good pressure index are obtained. At the same time, the computer simulation is carried out to explain the relationship of structure-property, so as to provide some basic information and method for design and preparation of energetic materials of micro-loaded technique and to meet with the diverse needs of weapons and military supplies.

超级铝热剂通常是指由纳米铝粉和纳米金属氧化物复合所组成的一种亚稳态分子间复合物。除了具有普通尺寸铝热剂的一般性能外，还能够有效提高金属氧化物与铝粉的结合程度，从而大大提高反应能量的释放和燃烧效率。 本项目拟制备不同形貌的纳米氧化物，通过采用多种纳米复合技术获得超级铝热剂，以改善纳米铝粉与金属氧化物的结合方式，提高组分间的接触面积及结合紧密程度，达到提高铝热剂反应性能的目的。综合利用微量热法、真空安定性实验和药浆法评判超级铝热剂与固体推进剂主要含能组分的相容性，系统研究其热分解行为和热分解动力学，从活化能角度说明相容性。按照固体推进剂的配方要求将超级铝热剂添加到推进剂中开展燃烧性能和感度测试，分析其燃烧特点，优选出钝感、燃速高、压力指数好的配方；同时与计算机模拟技术相结合，分析其结构与性能的关系，为适用于微装药技术的含能材料的设计、制备提供基础信息和方法，满足武器装备多样化需求。

相较于传统铝热剂，将铝热剂中的氧化剂和还原剂纳米化，制备出超级铝热剂，能够增大二者之间的接触面积，加速铝热反应，将其应用于固体推进剂，能够起到提高燃速的作用，但是在制备过程中，由于粒径小易发生团聚，影响其性能，因此超级铝热剂的制备和应用仍是当前国防领域的研究热点之一。. 本项目制备出不同形貌、尺寸的纳米氧化铁、氧化铜、氧化钨和氧化锰，并与纳米铝粉复合，探讨纳米氧化物形貌对铝热剂反应性能的影响。将超级铝热剂与环三亚甲基三硝胺（黑索金，RDX），六硝基六氮杂异伍兹烷（CL-20），硝化棉（NC）等复合，考察相容性，研究铝热剂对这些含能化合物的热分解行为及热分解动力学参数的影响，为铝热剂在固体推进剂中的应用提供了理论基础。实测了不同形貌的氧化物与纳米铝粉复合物的撞击感度和不同形貌纳米氧化物的激光点火性能，考察了纳米氧化物的形貌对铝热剂的宏观性能所产生的影响；将超级铝热剂作为配方之一，添加到固体推进剂中，测定了配方的燃烧性能，发现添加超级铝热剂的配方具有较高的燃速和较好的压力指数，优选出钝感、燃速高、压力指数好的配方；运用Dmol3程序，模拟含能材料分子RDX、CL-20、1,1'-二羟基-5,5'-联四唑二羟胺盐( HATO,TKX-50)、高氯酸铵（AP）与金属铝和氧化铁之间的吸附与分解行为，对反应的吸附构型、吸附能、电子结构和活化能进行了计算，对含能材料分子与固体界面之间的相互作用进行了研究，从而从原子层次阐释了含能材料分子与还原剂之间的相互作用。相关结果在RSC Advances，J Anal. Applied Pyrosis，J Solid State Chem.等国际SCI杂志上发表论文23篇, 申请中国发明专利1项。