【摘 要】
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高氯酸铵(AP)作为固体复合推进剂的主要的能量组分,提升AP的燃烧性能、热分解性能、安全性能和防吸湿性能对于推动航空航天和军事化学的发展具有重要意义。超细高氯酸铵(UF-AP)拥有更快的燃烧速度,但AP的尺寸变小会导致其吸湿加剧和安全性能降低,AP热分解和安全性能之间相互矛盾也是行业难以解决的难题。本研究首先提出了一种简单高效的重结晶的方法细化AP,针对其细化后吸湿的难题,引入了超疏水的概念,选用
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高氯酸铵(AP)作为固体复合推进剂的主要的能量组分,提升AP的燃烧性能、热分解性能、安全性能和防吸湿性能对于推动航空航天和军事化学的发展具有重要意义。超细高氯酸铵(UF-AP)拥有更快的燃烧速度,但AP的尺寸变小会导致其吸湿加剧和安全性能降低,AP热分解和安全性能之间相互矛盾也是行业难以解决的难题。本研究首先提出了一种简单高效的重结晶的方法细化AP,针对其细化后吸湿的难题,引入了超疏水的概念,选用了低表面能材料硬脂酸盐,构建超细高氯酸铵(UF-AP)/硬脂酸盐的核壳结构复合物,通过低表面能和粗糙的硬脂酸盐壳层抑制UF-AP吸湿率。硬脂酸盐壳层在常温时保持其缓冲作用,有效降低了UF-AP的感度,温度升高时在UF-AP表面原位分解产生对应的金属氧化物,并催化UF-AP的热分解,硬脂酸盐的加入同时提升了UF-AP的热分解性能与安全性能,解决了两个性能之间互相矛盾的难题。本文研究的内容主要有:(1)在AP的细化方面,以溶剂-非溶剂方法为原理,采用了一种全新的喷雾重结晶方法细化AP,还探究了溶剂和非溶剂的选择及比例对细化结果的影响。通过SEM表征,当5℃水作为非溶剂时得到的AP尺寸和形貌都不符合要求,而5℃乙醇作为非溶剂时所制得的UF-AP尺寸更小,偏向球形,尺寸大都分布在10μm左右,增加非溶剂的比例并不能直观的减小UF-AP的平均尺寸,且会导致分布在更小尺寸的UF-AP比例变多。后续的结构的表征FT-IR和XRD并没有发生改变,说明了本细化方法不会改变AP的分子结构和晶型,DSC-TG证明了细化后得到的UF-AP的高低温分解峰均略有提前,且热分解的过程更加的平滑,通过吸湿率和感度的表征证明了AP细化后会产生的吸湿加剧和安全性能降低的问题。(2)硬脂酸盐和UF-AP复合通过液相沉积的方法,采用硬脂酸和金属乙酸盐反应,在UF-AP的表面生成对应的硬脂酸铜(Cu SA)、硬脂酸钴(Co SA)和硬脂酸锌(Zn SA)壳层。经过SEM初步确定UF-AP的表面包覆了一层材料,然后深入的结构表征FT-IR、XPS和XRD证明了三种硬脂酸盐正常生成以及核壳复合结构,且UF-AP的晶型并没有发生改变。在防吸湿性能方面,硬脂酸盐壳层有效的抑制了UF-AP在72 h内的吸湿率,Cu SA的含量为5%时,UF-AP在72 h内的吸湿率从0.56%下降到0.03%。在安全性能方面,硬脂酸盐壳层也极大的降低了UF-AP的撞击感度和摩擦感度,Cu SA的含量为5%时,H50由25.4 cm提升至54.2 cm,P由96%降低至12%,核壳复合结构的降感效果还优于物理混合的复合物。采用DSC-TG表征了复合物的热分解性能,首先研究了三种硬脂酸盐的热性能,它们在100-120℃会发生融化,在温度持续升高至时发生分解,原位生成相对应的金属氧化物催化附着在UF-AP的表面,且催化UF-AP的热分解。Cu SA分解产生的Cu O对UF-AP有着优异的催化效果,Cu SA含量为5%时,可以将UF-AP高温分解峰从424.5℃提前至305.9℃;而Co SA分解起始温度稍有延后,分解速度也略慢,在分解时首先会生成Co O产物,在高于300℃会进一步氧化成Co3O4,UF-AP/Co SA(wt=5%)的高温分解峰提前至344.8℃;由于Zn SA的分解起始温度最高,且分解速度慢,导致了分解产生的Zn O只能将UF-AP高温分解温度提前到370-380℃,且不会随着Zn SA含量的增加而更加的提前。最后,采用热红联用表征推测了硬脂酸盐与UF-AP的复合物的热分解机理。硬脂酸盐壳层的成功的降低了UF-AP的吸湿效果,在提高了UF-AP的安全性能同时还通过硬脂酸盐的热性能巧妙的催化了UF-AP的分解,是一种全面提升AP性能的方式,在未来的工程应用中能有着巨大的潜力。
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