聚合物基Al/CuO纳米铝热剂的制备及表征

为研究聚合物基铝热剂的性能,制备了以GAP-ETPE和F2311作为黏结剂的Al/CuO纳米铝热剂。然后利用油墨直写技术(DIW)配制出固含量高达80%的含能油墨GAP/F2311-MICs(GF-MICs),在此基础上加入高氯酸铵(AP),探索AP/GF-MICs模型推进剂的可打印性,并研究了AP含量对于AP/GF-MICs模型推进剂燃烧性能的影响规律;采用FTIR方法测试了混合黏结剂的相容性和稳定性,通过TG-DSC和静态拉伸研究了GF-MICs纳米铝热剂的热性能,并测试了其流变性和聚合物的力学性能。结果表明,GAP-ETPE与F2311质量比为1∶4时,混合黏结剂的相容性、稳定性和力学性能最好;纳米Al/CuO的加入使得F2311和GAP-ETPE的热分解温度分别提前89.0℃和32.9℃;随着模型推进剂中Al/CuO含量的增加,AP高温分解温度最高提前101.58℃,预先点火反应提前29.68℃,放热量提升135%;GF-MICs能够很好地提高模型推进剂的反应活性和燃烧速率,且当模型推进剂中Al/CuO质量分数由10%增至40%时,到达P max时间缩短了71%,平均燃烧速率提升了293%。

电泳沉积PVDF/Al/CuO复合含能薄膜及其燃烧性能研究

基于含氟聚合物的强氧化及含氟量高的特性,以聚偏二氟乙烯(PVDF)为代表,通过电泳技术,采用石胆酸(LCA)作为表面活性剂,制备了PVDF/Al/CuO有机/无机杂化含能薄膜,并对其组分、结构、形貌及含能特性进行了系统的表征。结果表明:PVDF电泳沉积过程中石胆酸的最佳添加剂量为3mL(1wt%);当PVDF添加量为2wt%时,PVDF/Al/CuO复合薄膜的燃烧性能最好,热释放能量达3924J/g,远远高于Al/CuO的热释放能量。产生上述实验结果的主要原因是PVDF本身具有氧化特性,能够与铝发生化学反应,释放热量;此外,PVDF热分解产生的氟能够腐蚀铝表面的钝化膜,进而释放活性铝,极大提升了Al/CuO体系的能量释放效果。

掺杂La_(2)O_(3)的Al/CuO铝热剂的反应特性

为了研究La_(2)O_(3)对Al/CuO铝热剂反应特性的影响,采用机械混合法制备了不同氧平衡状态,即当量比(φ)分别为1.0,1.4和1.8下的Al/CuO铝热剂,并分别掺杂2%,5%,10%,20%和30%的La_(2)O_(3)。利用扫描电子显微镜(SEM)、X⁃射线能谱仪(EDS)、X⁃射线衍射仪(XRD)和差示扫描量热仪(DSC)分别对未掺杂和掺杂La_(2)O_(3)的Al/CuO铝热剂的微观形貌、元素种类、物相以及放热过程进行了研究,采用燃烧管实验、T⁃jump快速升温点火实验和密闭爆发器实验对其燃烧特性和产气性能进行了对比分析。结果表明,零氧平衡状态(φ=1.4)下,掺杂La_(2)O_(3)的Al/CuO铝热剂发生铝热反应的起始温度和峰值温度明显低于未掺杂La_(2)O_(3)的Al/CuO铝热剂;掺杂2%La_(2)O_(3)的Al/CuO铝热剂放热量为1772 J·g^(-1),较未掺杂La_(2)O_(3)的Al/CuO铝热剂放热量1540 J·g^(-1)增长了15.1%。正氧平衡状态(φ=1.0)下,掺杂2%La_(2)O_(3)的Al/CuO铝热剂燃速为90.8 m·s^(-1),比未掺杂La_(2)O_(3)的Al/CuO铝热剂燃速61.9 m·s^(-1)增长了46.7%。Al/CuO铝热剂的点火温度随La_(2)O_(3)掺杂量的增加呈现上升的趋势。掺杂La_(2)O_(3)对Al/CuO铝热剂的产气性能有不同程度的改善,其中,正氧平衡状态(φ=1.0)和负氧平衡状态(φ=1.8)下,峰值压力较未掺杂时分别上升了34.5%和13.7%,对φ=1.4的铝热剂,产气性能改善不明显。火焰传播结果显示,La_(2)O_(3)的掺杂会改变Al/CuO铝热剂的火焰传播模式,随着掺杂量的增加,Al/CuO铝热剂燃烧状态由爆燃变为缓燃,能够作为一种燃烧速度和能量释放速率的控制手段。

Al/PVDF-Al/CuO/PVDF层间堆积多层膜的制备及其燃烧性能研究

为了研究Al/CuO铝热剂的高能量释放速率对Al/PVDF薄膜燃烧性能的影响,采用静电喷雾沉积法将Al/CuO/5%PVDF或Al/CuO/10%PVDF铝热剂与Al/PVDF薄膜原位层间堆积得到多层复合薄膜,通过调控Al/CuO/PVDF铝热剂的组成结构和厚度来调控该薄膜的燃烧性能,获得了该多层薄膜的线性燃速、可视化火焰温度和归一化热密流随铝热剂组成和厚度的变化规律。结果表明,铝热剂的组成和厚度直接决定薄膜的燃速大小和燃烧传热方式,除了Al/PVDF-Al/CuO/5%PVDF 3层薄膜表现为对流燃烧,燃速(104±10)cm/s,火焰温度2700K,其他多层薄膜的燃速只有5.5~12.0cm/s、火焰温度只有1570~1700K,Al/PVDF层对Al/CuO/5%PVDF或Al/CuO/10%PVDF层的紧密约束将铝热剂燃烧的对流传热方式可能转化为热传导和热辐射传热。Al-PVDF反应和Al-CuO反应之间的相互作用削弱了Al/CuO/PVDF铝热剂的高能量密度和高能量释放速率优势。

超级铝热剂Al/CuO前驱体的制备、表征、热分解机理及非等温分解反应动力学

以硝酸铜、无水乙醇、1,2-环氧丙烷和纳米铝粉为原料,在超声振荡条件下,采用溶胶-凝胶法制备了纳米复合含能材料——超级铝热剂Al/CuO的前驱体.利用热重-差示扫描量热-傅里叶变换红外-质谱(TG-DSC-FTIR-MS)联用技术,研究了纳米Al/CuO溶胶-凝胶前驱体的热行为和分解过程及机理.利用不同升温速率下的TG-DTG分析,研究了纳米超级铝热剂Al/CuO的溶胶-凝胶前驱体的热分解反应机理,采用了6种动力学分析方法进行动力学参数计算,得到前驱体分解反应的表观活化能、反应级数、频率因子等动力学参数,纳米Al/CuO前驱体分解反应的动力学方程为:dα/dt=1014.0×4α3/4exp(-2.0×104/T).

纳米铝热剂Al/CuO的制备及性能

采用溶胶-凝胶法及超临界干燥技术,以聚丙烯酸(PAA)作为分散剂,1,2-环氧丙烷作为Cu(Ⅱ)离子水解促进剂制备了CuO气凝胶,并在温和、无毒的条件下制备了纳米铝热剂Al/CuO。采用比表面测试法(BET)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)、差热分析法(DTA)-差示扫描量热法(DSC)等方法对样品的结构和热反应特性进行表征。结果表明,纳米Al粒子与CuO气凝胶粒子均匀复合,形成Al/CuO。纳米铝热剂Al/CuO的反应放热峰分别出现在598℃和752℃左右,快速燃烧过程伴随明亮火焰。

Al/CuO纳米铝热剂加速老化性能研究

目的研究nAl/CuO的组分配比和贮存时间对Al/Cu O纳米铝热剂性能的影响规律。方法采用常用的机械混合方法,制备当量比(Φ)分别为1.0、1.4、1.8的n Al/CuO纳米铝热剂,参考GJB 736.8—90《火工品试验方法71℃试验法》,在温度为71℃和相对湿度为40%的环境条件下,开展nAl/CuO纳米铝热剂加速老化试验。采用XRD、SEM、燃烧速度测试、点火温度测试和密闭爆发器实验等表征和实验手段,对老化前后不同当量比的nAl/CuO药剂进行分析。结果老化后,复合体系形貌发生明显变化,但是组分未发生明显变化。当量比为1.0、1.4的n Al/CuO复合体系老化7 d后,无法可靠传火;当量比为1.0、1.4、1.8的nAl/CuO复合体系,点火温度分别下降26.6%、22.6%、19.2%,燃气的峰值压力分别下降74.6%、80.8%、62.7%,升压速率也有明显下降。结论加速老化会明显改变Al/CuO纳米铝热剂的性能,适度提高当量比或Cu O的含量,有利于增加Al/CuO纳米铝热剂的贮存稳定性,并且随着贮存时间的增加,性能最终趋于稳定。

Si-Bi_2O_3对Al-CuO铝热剂点火性能的影响

为进一步提高铝热剂的放热能力,并降低其点火阈值,文章采用差热分析法(DTA),以Si-Bi_2O_3混合物为敏化剂,研究了不同粒径、质量比的Al-CuO铝热剂的点火温度。结果表明:采用Si-Bi_2O_3作为敏化剂可使铝热反应的激发温度大幅度降低;纳米级铝粉可使所制成的敏化铝热剂的激发温度进一步减小,体系中Al/CuO/Si/Bi_2O_3质量比为14.7/65.3/4/16(wt.%)时,此温度低至613℃,是一种较优的配方。以上结果可为今后铝热剂和起爆药的发展提供指导作用。

含能快递

法国国家科学研究中心设计了一种基于纳米铝热剂剧烈反应的小型单点式断路器,并展示了该器件良好的运行和再现性(成功率达100%),响应时间远低于经典机械断路器,只需将纳米铝热剂的质量从5.59mg调整为13.24mg,响应时间即可从1.02ms调整为0.57ms。该断路器的设计概念和制造技术具有商业规模生产的潜力。