納米硼對Al/CuFe2O4@NC復合物點火和燃燒反應特性的影響

王為民,賈 睿,張笑笑,于 佳,楊 航,陳蘇杭,蒿銀偉,徐抗震,趙鳳起

(1.黎明化工研究設計院有限責任公司, 河南 洛陽 471000; 2.西北大學 化工學院, 陜西 西安 710069; 3.西安近代化學研究所 含能材料全國重點實驗室, 陜西 西安 710065)

引 言

納米鋁熱劑,又稱亞穩態混合復合物 (MICs),是一類由納米尺度燃料和氧化劑組成的重要高能復合物材料[1-2]。與傳統CHON有機含能化合物相比,MICs具有更高的能量密度和優異的燃燒性能,在推進劑、炸藥和煙火劑中具有廣闊的應用前景,是近年來研究的熱點[3-4]。添加燃料、改變燃料/氧化劑比例和調控復合物結構,可以有效調節MICs的感度和反應活性、改善點火和燃燒性能,獲得性能優異的鋁熱劑復合物[1,5]。Sheikhpour等[6]發現少量的微米Mg粉可以顯著增加Al/CuO的熱釋放能和反應活化能,從而提高復合物的能量密度和安全特性。Zhao等[7]研究表明,在Si/KClO4復合物中添加低氧化溫度的Ti粉,可以降低體系的點火溫度、縮短燃燒反應時間、提高壓力增速和燃燒效率。Nie和Zhao等[8-9]發現,Ni和Ti能夠抑制鋁熱劑復合物中Al顆粒的燒結、減小凝聚相燃燒產物粒徑,提高Al粉燃燒效率和增強燃燒性能。

B粉具有高的體積熱值(136.44kJ/cm3)和質量熱值(58.30MJ/kg),是最具發展潛力的固體火箭沖壓發動機推進系統富燃料推進劑用燃料[10-11]。含硼富燃料推進劑的熱值30～34MJ/kg、比沖10000N·s/kg,是含鎂、鋁富燃料推進劑比沖的1.6～1.8倍,是常規固體推進劑的3倍,體積比沖最高[12-13]。在鋁熱劑復合物中添加B粉能顯著提高其熱特性和燃燒性能。Sullivan等[14]通過恒容燃燒實驗發現,在Al/CuO中添加B粉可以增強體系的反應活性。方偉和Shen等[15-16]研究表明,Al/B/Fe2O3較Al/Fe2O3具有更大的熱釋放能、更低的鋁熱反應溫度和點火溫度及更低的感度。Wang等[17]發現,B粉能提高Al·I2和Mg·I2復合物的燃燒效率、降低點火溫度和縮短持續燃燒時間。

現有的MICs改性研究主要集中于金屬氧化物或離子鹽類鋁熱劑復合物,金屬復合氧化物由于獨特的空間結構特性作為氧化劑在鋁熱劑中已有研究,但對其改性研究較少[18-20]。因此,為實現金屬復合氧化物基納米鋁熱劑反應活性的可控調節,本研究在Al/CuFe2O4@NC基礎上,通過靜電噴霧技術制備了系列不同Al/B摩爾比的Al/B/CuFe2O4@NC復合物,比較研究了Al/B二元復合燃料對復合物熱行為、靜電感度、點火和燃燒特性的影響。以期為不同特性MICs配方設計和更多功能復合材料的制備提供參考。

1 實 驗

1.1 原料和儀器

納米Al(粒徑100nm)和B(粒徑100nm,純度≥99%)由北京伊諾凱科技有限公司提供,活性Al質量分數約為80%;CuFe2O4(粒徑200nm)通過一步溶劑熱法制備[21-22];NC(質量分數11.8%～12.1%),西安近代化學研究所;無水乙醇、乙醚(AR),國藥集團化學試劑有限公司;蒸餾水,實驗室自制。

靜電噴霧裝置,天津云帆科技有限公司,最大可調電壓30kV,蠕動泵推料速率0.0001～0.3mm/s;SIGMA HV 場發射掃描電子顯微鏡 (FESEM),德國Carl Zeiss公司;Rigaku MiniFlex 600 X射線衍射儀,日本理學集團公司,測試條件:Cu Kα射線 (λ=1.5406?),電壓40kV、電流40mA、2θ=5°～80°、掃描速率5°/min;IRAffinity-1S WL傅里葉變換紅外光譜儀 (FT-IR),日本Shimadozu公司;51-XMX1121 X射線能量色散光譜儀 (EDS),英國Oxford公司;ASAP 2460 N2吸-脫附儀,美國Micromeritics公司,比表面積通過多點Brunauer-Emmett-Teller法 (BET) 計算;HT1600熱重-差示掃描同步熱分析儀 (TG-DSC),瑞士Mettler Toledo公司,測試條件:室溫～900℃、Ar氣氛、流速40mL/min,升溫速率10℃/min;JHY-HK2021靜電火花感度儀,西安斯萊克防務技術有限公司;SLC 110二氧化碳脈沖激光器,美國COHERNT公司。

1.2 復合物顆粒的制備

復合物顆粒的制備過程包括前驅體溶液制備和靜電噴霧形成兩步。以Al/B/CuFe2O4@NC 5/5 (Al/B摩爾比為5/5) 為例,制備過程如下:首先稱量20mg的NC溶于1.5mL的乙醇/乙醚混合溶液中(體積比為1∶2),攪拌均勻后得到NC溶液,記做溶液A。然后將65.13mg納米Al、26.10mg納米B和288.77mg的CuFe2O4顆粒通過超聲均勻分散在3mL乙醇溶液中,記做溶液B。最后將溶液A、B混合,并在室溫下持續攪拌12h,即得到復合物前驅體溶液。

靜電噴霧形成過程如圖1所示,該裝置主要由高壓直流電源、蠕動泵、注射器和接收器4部分組成。樣品制備過程中,首先將前驅體溶液加載到10mL注射器中,然后開啟蠕動泵,溶液由針頭擠出并在高壓電場中形成微小液滴,待溶劑揮發后,燃料和氧化劑顆粒被NC粘接在一起形成復合物微顆粒,最后沉積在接收器上。實驗參數:工作距離10cm、電壓22kV、推料速率6.7mL/h、接收器電壓-2kV。所有操作在通風櫥內進行,并通過計算機系統遠程控制,同時正確佩戴手套、防靜電服等防護用品,確保實驗安全。

圖1 復合物顆粒靜電噴霧形成機理圖Fig.1 Schematic diagram of electrospray formation of composite microparticles

1.3 結構表征與性能測試

采用XRD和FT-IR對復合物顆粒及凝聚相燃燒產物的相組成進行表征分析;采用FESEM和N2吸-脫儀對微觀形貌和孔結構特性進行表征分析;采用TG/DSC和JHY-HK2021靜電火花感度儀對熱行為和感度特性進行測試;采用二氧化碳脈沖激光器系統在空氣氣氛下對點火性能進行測試,并采用高速數碼相機同步記錄點火后的燃燒過程;采用自主搭建的密閉爆發器系統和燃速測試系統對能量和燃燒特性進行測試。

2 結果與討論

2.1 物相組成和形貌結構

B/CuFe2O4@NC、Al/B/CuFe2O4@NC復合物微粒及其物理混合物(PM. Al+B+CuFe2O4和PM. B+CuFe2O4)的XRD結果如圖2(a)和(b)所示。圖中2θ角位于38.5°、44.6°、65.2°和78.2°的特征衍射峰依次對應于Al顆粒(1 1 1)、(2 0 0)、(2 2 0)和(3 1 1)晶面,這與其標準XRD譜圖(PDF# 04-0787)一致。值得注意的是,靜電噴霧Al/B/CuFe2O4@NC復合物中納米Al特征峰的衍射強度隨其相對含量的增加而顯著增強,表明組分特征峰的衍射強度與其含量成正比。2θ角位于18.3°、30.1°、35.5°、43.3°、53.4°、57.1°、62.8°和74.1°的特征峰依次對應于CuFe2O4顆粒(1 1 1)、(2 2 0)、(3 1 1)、(4 0 0)、(4 2 2)、(5 1 1)、(4 4 0)和(5 3 3)晶面,這與其標準XRD譜圖(PDF# 77-0010)一致[21-22]。另外由圖2(a)可知,物理混合物的XRD圖中2θ角位于43.3°處CuFe2O4(4 0 0)晶面特征峰的衍射強度較相應靜電噴霧復合物的更高,這與復合物的形貌結構和組分分散均勻性有關。XRD結果中沒有觀察到納米B的特征衍射峰,其歸因于兩個方面:(1) 無定形結構納米B的相對原子質量較Al和CuFe2O4小,在復合物中的質量占比較低;(2) B顆粒均勻分散在復合物中,被納米Al和CuFe2O4顆粒包裹,導致其特征峰被掩蓋。

圖2 B/CuFe2O4@NC和不同Al/B摩爾比Al/B/CuFe2O4@NC復合物的XRD和FT-IR譜圖Fig.2 XRD and FT-IR patterns of B/CuFe2O4@NC and Al/B/CuFe2O4@NC with different Al/B molar ratios

NC作為重要的含能聚合物黏合劑,對構筑三維均勻結構復合物顆粒具有重要的作用。XRD結果中沒有觀察到NC的特征峰,原因主要有3個方面[23-24]:(1) NC是無定形、非晶態的含能混聚物,相對晶態的燃料和氧化劑具有更低的衍射強度和較小的信噪比;(2) NC在復合物中相對燃料和氧化劑的含量較低;(3) NC在靜電噴霧過程中被高度分散在燃料和氧化劑顆粒中,使得其衍射峰的強度進一步變弱。NC的結構通過FT-IR分析,結果如圖2 (c) 所示。對單質NC,波長位于1631.7和1274cm-1處的伸縮峰歸屬于—ONO2的對稱和非對稱振動;1068.5和823.6cm-1處的兩個特征吸收峰對應C—O的環間伸縮振動和C—O—NO2的變形振動[25-27]。復合物中NC的特征吸收峰與NC單質一致,表明通過靜電噴霧技術,Al/B/CuFe2O4@NC被成功制備。值得注意的是,復合物中—ONO2對應特征吸收峰的波數變大,表明NC與固相顆粒間存在弱相互作用。FT-IR結果表明,Al/B/CuFe2O4@NC復合物微粒被成功制備,而且在靜電噴霧過程中NC的分子結構沒有發生改變。

原料納米Al、B和CuFe2O4顆粒的微觀結構如圖3所示。由圖3(a)可知,納米Al為表面光滑、粒徑均勻的球形顆粒結構,平均粒徑約100nm。由圖3(b)和(c)可知,納米B為非均勻形貌的無定形結構,CuFe2O4呈形貌均勻的球形顆粒結構,平均粒徑約200nm。圖3(c)進一步表明,CuFe2O4由更小粒徑的納米晶團簇而成,且表面較為粗糙,這有利于復合物微粒的組裝和制備。

圖3 納米Al、納米B和納米CuFe2O4顆粒的SEM圖Fig.3 SEM images of pure nano Al, nano B, and nano CuFe2O4 particles

靜電噴霧Al/B/CuFe2O4@NC 5/5復合物的SEM、EDS和Mapping結果如圖4所示。由圖4(a)可知,靜電噴霧復合物呈均勻的球形顆粒狀結構。通過靜電噴霧技術,納米Al、B和CuFe2O4顆粒在NC的交聯作用下緊密粘結在一起形成多孔結構的微顆粒,顆粒間緊密的界面接觸對提高復合物的燃燒性能是有益的。由圖4(b)和(c)可知,Al/B/CuFe2O4@NC的元素組成主要包括C、N、O、Fe、Cu、Al和B,且均勻地分布在復合物中,表明復合物中各組分被均勻地混合。N元素代表NC,NC在復合物結構中有兩個作用[28-29]:一是作為重要的黏合劑單元,有效阻止微粒三維結構的破壞;二是抑制Al顆粒吸濕和鋁水合物形成,改善復合物的點火和燃燒特性。

圖4 靜電噴霧Al/B/CuFe2O4@NC 5/5復合物的SEM、EDS 和Mapping譜圖Fig.4 The SEM, EDS, and Mapping spectra of the Al/B/CuFe2O4@NC 5/5 by electrospray

靜電噴霧Al/B/CuFe2O4@NC微粒的形成機理可以概述為[30-31]:首先,納米Al、B和CuFe2O4顆粒表面被NC溶液包裹;然后,隨著靜電噴霧過程中溶劑的揮發,燃料和氧化劑顆粒在NC的交聯作用下緊密粘接在一起形成三維多孔結構的顆粒物;最后,復合物顆粒在電場力的作用下沉積到接受器上。復合物顆粒中的孔洞結構為鋁熱反應過程中氣體和熱量的擴散提供了微通道,同時組分增強的界面接觸縮短了傳質轉熱距離,這有利于改善和提高復合物點火和燃燒特性[32]。

復合物比表面積和孔特性參數通過N2吸-脫附儀表征分析,比表面積通過Brunauer-Emmett-Teller(BET)方法獲得,結果見表1。

表1 靜電噴霧和物理混合制備所得復合物的BET結果和孔特性參數Table 1 BET specific surface area and the pore properties of composites by electrospray and physical mixing

由表1可知,靜電噴霧組裝的復合物較物理混合物具有更大的比表面積、單位孔體積和寬的孔尺寸分布,這與復合物微粒均勻的形貌結構有關,表明靜電噴霧在抑制納米顆粒團聚、增強組分界面接觸和構筑復合物微顆粒中具有重要作用。對不同Al/B摩爾比Al/B/CuFe2O4@NC復合物,其比表面積和孔特性隨Al/B摩爾比的變化先增大后逐漸減小,這與納米Al、B顆粒的微觀結構差異有關,表明原料形貌對產物結構存在影響。N2吸-脫附實驗進一步表明,靜電噴霧能夠抑制納米顆粒團聚、增強組分界面接觸和增大復合物比表面積,從而提高和改善復合物點火和燃燒特性。

2.2 熱行為分析

通過TG-DSC對復合物的熱行為進行表征分析,結果如圖5所示。一般而言,鋁熱劑復合物中燃料和氧化劑之間的鋁熱反應以燃料熔點為界限,分為固-固相反應和液(燃料)-固相反應兩個階段,在DSC曲線上對應兩個放熱峰。而且,當反應物處于納米尺度時,固-固相反應通常伴隨劇烈的放熱過程,擁有較大的熱釋放能,被認為是鋁熱反應的主反應。然后,剩余未反應的燃料在高溫下發生相變,由固相轉變為液相,在DSC曲線中對應一個微弱的熔融吸熱峰。隨后,熔化的液相燃料和氧化劑繼續反應釋放出剩余能量,對應一個寬化的放熱峰[33-36]。

圖5 10℃/min下Al/B/CuFe2O4@NC和B/CuFe2O4@NC復合物在氬氣氣氛下的DSC曲線Fig.5 DSC curves of Al/B/CuFe2O4@NC and B/CuFe2O4@NC composites fabricated by electrospray under argon flow with heating rates of 10℃/min

由圖5(a)可知,B/CuFe2O4@NC較Al/CuFe2O4@NC(567.8℃,1138.5J/g)具有更高的固-固相反應溫度和熱釋放能(603.3℃和1569.8J/g),這與納米B高的氧化溫度和熱值有關,表明B/CuFe2O4@NC具有更高的熱穩定性。Al/B/CuFe2O4@NC 5/5的DSC曲線有兩個不連續的放熱峰(567.5℃和605.8℃),表明Al/B/CuFe2O4@NC包含了納米Al和B分別與氧化劑反應的兩個過程,其中567.5℃為納米Al和氧化劑的反應溫度,而605.8℃對應納米B和氧化劑的反應溫度。此外,Al/B/CuFe2O4@NC 5/5由于高熱值B粉的添加,固-固相反應的熱釋放能由1138.5J/g增加至1426.9J/g,進一步表明高熱值燃料的添加有利于提高復合物的能量釋放。

由圖5(b)可知,當Al/B摩爾比小于5/5時,DSC曲線放熱峰的半峰寬較寬,表明其能量釋放過程較為緩慢溫和。隨著Al/B摩爾比的增大,DSC曲線逐漸呈兩個不連續的放熱峰,而且放熱峰的半峰寬變窄,表明復合物的反應活性增強。值得注意的是,和B/CuFe2O4@NC相比,Al/B/CuFe2O4@NC(1/9和3/7)的鋁熱反應溫度明顯降低,表明高活性燃料的添加有利于降低高反應溫度體系復合物的鋁熱反應溫度。相反,在低反應溫度體系中(Al/CuFe2O4@NC)添加高熔點和高氧化溫度的燃料(B粉),會增加復合物的反應溫度和提高其熱穩定性,如Al/B/CuFe2O4@NC(9/1和7/3)。DSC結果表明,燃料復合是調節鋁熱劑復合物反應特性的有效方法。

2.3 點火和燃燒性能分析

點火延遲是評價材料反應活性的重要參數。燃料和氧化劑的均勻混合有利于增強組分界面接觸、縮短質量轉移和熱量擴散距離,從而提高復合物的反應活性。納米Al、B和復合物點火延遲隨激光功率密度變化的曲線如圖6所示。低功率密度下(≤192W/cm2),樣品點火延遲和激光功率密度呈負相關,即點火延遲時間隨激光功率密度的增大而快速減小。隨著激光功率密度的進一步增大,點火延遲變化較小。這是由于低功率密度下,激光能量難以克服復合物的反應勢壘,故具有長的點火延遲時間,而高功率密度下激光的能量密度增大,極易克服鋁熱反應的活化勢壘,所以表現出短的點火延遲時間[37]。

圖6 燃料和鋁熱劑復合物點火延遲時間隨激光功率密度變化的曲線 Fig.6 The changing curves of ignition delay times of nano fuel and thermite composites with laser power density

由圖6(a)可知,同一激光功率密度下,納米Al較B具有更短的點火延遲時間,這與納米B更高的氧化溫度有關。由圖6(b)和(c)可知,靜電噴霧形成的三維均勻結構復合物比其物理混合物具有更短的點火延遲時間,表明復合物的結構特性對其反應活性有顯著的影響,靜電噴霧是增強組分混合均勻性和界面接觸的有效方法。復合物微粒較短的點火延遲可歸結為激光照射作用下產生的反應熱被限制在微顆粒內形成協同加熱效應,與物理混合物相比減少了向環境的熱損失,因此具有更短的點火延遲時間。同時,復合物緊密的界面接觸和增強的質量轉移及熱量擴散,對增強其起始反應特性也有顯著影響。

Al/B/CuFe2O4@NC 5/5和B/CuFe2O4@NC在192W/cm2下的點火延遲分別為10ms和16ms,表明添加燃料有利于縮短復合物點火延遲時間、提高起始反應特性和燃燒性能,這與點火后燃燒火焰的形貌結構是一致的。由圖6(d)可知,相同激光功率密度下,復合物的點火延遲時間隨Al/B摩爾比的增大而逐漸降低,進一步表明燃料組合比例對復合物的起始反應特性有顯著影響。激光點火實驗結果表明:(1) 高功率密度激光作用下,復合物具有更短的點火延遲時間;(2) 對相同化學組成的復合物,三維均勻結構復合物較其物理混合物具有更高的起始反應特性;(3) 添加燃料是調節鋁熱劑復合物點火和燃燒反應性能的有效方法。

Al/B/CuFe2O4@NC和B/CuFe2O4@NC復合物點火(192W/cm2)后的燃燒過程通過高速數碼相機記錄,如圖7所示。

圖7 B/CuFe2O4@NC和不同Al/B摩爾比Al/B/CuFe2O4@NC復合物點火后在限域空間內的燃燒快照Fig.7 Sequential burning snapshots of B/CuFe2O4@NC and Al/B/CuFe2O4@NC composites with different Al/B molar ratios in a confined cell

由圖7(a)可知,B/CuFe2O4@NC的燃燒火焰面積最小、光輻射強度最弱,且持續燃燒時間最長,表明其更溫和緩慢的能量釋放和燃燒反應過程。由圖7(b)～(e)可知,隨著Al/B摩爾比的增大,復合物的火焰擴散面積增大、亮度增強,特別是高Al含量Al/B/CuFe2O4@NC復合物,點火發生后火焰沿著垂直方向快速傳播,同時向周圍擴散,形成大而強的擴散火焰,表明復合物的燃燒反應特性顯著增強。此外,高Al/B摩爾比復合物的持續燃燒時間明顯縮短,不足B/CuFe2O4@NC的一半,進一步表明其燃燒反應特性增強。激光點火實驗表明,復合物的能量釋放和燃燒反應特性能夠通過添加燃料和燃料組合比例進行調節。

燃速測試用于進一步評價復合物的燃燒特性。測試時,首先將30mg的樣品均勻裝填在40mm×2mm×1.5mm耐高溫石英玻璃凹槽中,震蕩10s以消除顆粒間空隙對測試結果的影響。然后在空氣氣氛下從凹槽的一端點火,并記錄下樣品的持續燃燒時間。最后計算得到燃速[23, 32]。每個樣品測試不少于3次,取其均值。由此獲得不同Al/B摩爾比復合物的燃速分別是6.01cm/s (5/5)、21.24cm/s (7/3)和36.36cm/s (9/1),復合物燃速隨Al/B摩爾比的增大而顯著增加,表明其燃燒反應特性顯著增強,這與點火實驗結果是一致的。PM. Al+B+CuFe2O45/5 的燃速測量結果(3.34cm/s)顯著低于Al/B/CuFe2O4@NC 5/5的燃速(6.01cm/s), 表明靜電噴霧復合物微粒具有更高的燃燒反應活性,這與其增強的界面接觸和縮短的傳質轉熱距離有關。燃速實驗結果表明,復合物的燃燒反應特性能夠通過不同燃料的復配進行調節,同時復合物的結構對其燃速也有顯著影響。

密閉爆發器實驗用于進一步揭示復合物的能量釋放特性,單次實驗樣品質量28.5mg,結果如圖8所示。

圖8 靜電噴霧Al/B/CuFe2O4@NC復合物的壓力增速和光輻射—時間曲線Fig.8 The representative time resolved pressure and optical emission curves of Al/B/CuFe2O4@NC composites fabricated by electrospray with different Al/B molar ratios

實驗過程中,光輻射信號代表樣品的持續燃燒時間。由此測得不同Al/B摩爾比復合物的最大峰壓分別為7.03MPa (9/1)、5.32MPa (7/3)和3.32MPa (5/5),對應的壓力增加速率分別為0.17MPa/ms (9/1)、0.13MPa/ms (7/3)和0.05MPa/ms (5/5)。復合物的峰值壓力和壓力增加速率隨Al/B摩爾比的增加而增大,表明復合物反應活性被增強,這與激光點火和燃燒實驗結果一致。

2.4 靜電火花感度分析

復合物對靜電火花的敏感性是評價其貯存和使用過程安全性的重要參數,參照GJB 5891.27-006火工品藥劑靜電火花感度試驗方法對復合物靜電火花感度進行測試。以50%發火能量(E50)作為樣品的靜電火花感度值,試樣發生爆炸、燃燒或冒煙視為發火,否則視為不發火。由此獲得的不同Al/B摩爾比Al/B/CuFe2O4@NC復合物靜電火花感度值分別為61.25mJ (5/5)、45.0mJ (7/3)和11.25mJ (9/1)。復合物靜電火花感度隨納米B含量的增加而降低,這與B粉較高的氧化溫度有關,表明添加B粉有利于降低復合物的靜電火花感度、提高安全特性。

2.5 凝聚相燃燒產物分析

Al/B/CuFe2O4@NC復合物燃燒室壓力增速實驗后的凝聚相燃燒產物被收集,并通過XRD和SEM對其物相組成和形貌結構表征分析,結果如圖9和10所示。Al/B摩爾比對復合物凝聚相燃燒產物的相組成和形貌有顯著的影響。XRD結果表明,隨著Al/B摩爾比的改變,復合物凝聚相燃燒產物XRD衍射峰的位置和強度發生明顯變化。Al/B/CuFe2O4@NC 5/5凝聚相燃燒產物組成主要包括Cu、Fe和Al2O3,同時存在少量BN、Fe3.5B和Fe3O4;Al/B/CuFe2O4@NC 9/1的相組成包括Cu、Fe和Al2O3以及少量的FeAl2O4、AlCu4和BN。凝聚相產物相組成的差異與復合物的反應活性有關。SEM結果表明,Al/B/CuFe2O4@NC 5/5凝聚相產物具有相對完整和均勻的顆粒結構,而隨著Al/B摩爾比的增加,凝聚相產物的表面形貌和結構逐漸被破壞,顆粒均勻性變差,且顆粒表面被大量無定形的蓬松狀物質包裹,形成類核-殼結構的不均勻顆粒物。凝聚相燃燒產物相組成和形貌的差異,與不同Al/B摩爾比復合物的反應活性有關,進一步表明添加燃料是調節鋁熱反應特性的有效方法。

圖10 不同Al/B摩爾比Al/B/CuFe2O4@NC復合物凝聚相燃燒產物的SEM圖 Fig.10 SEM images of the condensed combustion productions of Al/B/CuFe2O4@NC composites with different Al/B molar ratios

3 結 論

(1) 采用靜電噴霧技術制備了一系列不同Al/B摩爾比Al/B/CuFe2O4@NC含能復合物。相組成和結構分析表明,燃料和氧化劑顆粒均勻地分布在復合物微粒中,并建立了組分間緊密的界面接觸;熱分析結果表明,高焓值納米B能顯著增加復合物的熱釋放能和提高鋁熱反應起始溫度,增強復合物的熱穩定性。

(2) 靜電噴霧復合物微粒由于增強的界面接觸和短的傳質傳熱距離,具有更高的反應活性。與物理混合物相比,三維均勻結構復合物微粒具有更短的點火延遲(10ms,降幅37.5%)和更高的燃速(6.01cm/s,增幅79.9%)。此外,Al/B摩爾比對復合物反應活性有顯著影響,復合物燃速、燃燒室壓力增速和靜電火花感度隨B含量增加而急劇減小,點火延遲則與之相反,表明添加燃料是調節復合物反應活性的有效方法。

(3) MICs作為一類重要的高能復合材料,結構和組成是影響其活性的重要因素,通過燃料組合可實現MICs復合物反應活性的可控調節。本研究為更多先進功能材料的設計和制備提供了一種新策略。