有机—无机纳米复合材料的制备、性能及其在含能材料中的应用研究
发布时间：2020-05-05 06:52
【摘要】：身管是火炮的重要组成部件,但随着各种新型高能发射药的广泛应用,身管的烧蚀磨损成为制约提高火炮威力、延长其使用寿命的关键因素之一。在装药系统中加入缓蚀剂是降低火炮身管烧蚀磨损较为简单、有效的方法,但传统缓蚀剂由于普遍存在用量大、占用装药空间大和残渣多等问题,已不能满足高新火炮的降烧蚀要求,因此迫切需求探索适用于高能发射药的新型高效缓蚀剂。纳米复合材料因其具有独特的物理及化学性质受到了广泛关注。本文结合有机-无机纳米复合材料优异的性能,从造成火炮身管烧蚀磨损的影响因素出发,将不同功能组分进行复合,设计、合成及制备了一系列新型的纳米复合材料,并重点研究了它们的理化及其在发射药配方中的抗烧蚀性能。该类纳米复合材料不仅可显著降低高能发射药的烧蚀性能,还可调控其燃烧性能,是一种潜在的多功能添加剂。本文的主要研究内容及结论如下:(1)TiO2可作为抗烧蚀材料和包覆钝感材料应用于发射药中。为了改善微纳米级TiO2在发射药中的应用效果,以聚苯乙稀(PS)微球为模板,采用溶胶-凝胶法制备了不同粒径的空心TiO2微球,然后利用“点击”化学法对空心TiO2微球表面进行改性,成功将聚酰亚胺(PI)分子链段接枝到空心TiO2微球表面,得到了具有比表面积大、质轻和耐热阻燃性能的TiO2/PI复合粒子,可作为一种新型结构的功能添加剂应用于发射药中。(2)相变材料如固体石蜡在其相变过程中可以吸收或释放大量的热量,可作为缓蚀剂的主要组分之一。借助纳米材料的独特性能以及无机材料如Si3N4和BN具有的高强度和硬度、优异的热稳定性和耐磨损性能等优点,制备了多种无机纳米粒子改性的、基于固体石蜡的复合相变材料,以期作为高能发射药的高效缓蚀添加剂。研究发现:复合相变材料呈微胶囊结构,粒径约为10μm～30μm,同时还具有较高的相变焓,热稳定性良好。在制备过程中,通过改变无机纳米粒子和固体石蜡的用量可以调控复合相变材料的微观形貌、蓄热性能和热稳定性等。(3)硅油是降低火炮身管烧蚀的一种高效液体缓蚀剂。为了解决液体硅油的装填和易泄漏的问题,利用Pickering乳液聚合法对二甲基硅油进行微封装,并将纳米TiO2和Si3N4复合物引入到微胶囊表面获得了以PS为内壳层,无机纳米粒子为外壳层的复合硅油微胶囊,粒径约为10μm～20μm,封装率可达70%。热重分析发现,液态硅油经微胶囊化后,由于杂化壳层对硅油囊芯的保护作用,硅油的初始分解温度和最大热分解温度明显滞后。(4)沸石咪唑酯骨架结构材料(ZIFs)是一种新型超多孔有机-无机杂化材料,具比表面积极高、热稳定性优异和骨架结构可调节及功能化等独特的性能。利用ZIFs独特的性能,将其与缓蚀剂组分固体石蜡进行复配,制备了ZIFs/固体石蜡复合相变材料。研究发现,该复合材料具有非常好的吸热性能,当ZIF-67晶体(由Co2+和2-甲基咪唑配位而成)含量为10wt%时,熔化焓可达159.60J/g,热稳定性良好。(5)利用烧蚀管试验法研究了上述制备的无机纳米粒子增强复合相变材料、复合硅油微胶囊和ZIFs/石蜡复合相变材料以及各种微纳米粒子的降烧蚀性能,并对其降烧蚀机理进行了分析。研究发现:在相同用量下,ZIF-67晶体的降烧蚀效果比纳米Ti02、BN和Si3N4粒子的都高;三种微纳米复合材料都具有较好的降烧蚀性能,降烧蚀率随用量增加而增大,但ZIFs/石蜡复合相变材料在较低用量下对发射药的降烧蚀效果更加明显。微纳米复合材料的小尺寸效应、燃烧过程中的吸热作用以及复合物中纳米粒子的沉积保护作用是其降低烧蚀管烧蚀的主要原因。(6)优选降烧蚀性能较好的纳米粒子与固体石蜡进行复合,制备得到多组分纳米复合材料,然后将其作为高能发射药的功能助剂,采用半溶剂法,经塑化捏合、挤出成型工艺获得改性高能发射药,并研究了其燃烧及烧蚀性能。研究发现:纳米复合材料对发射药基体的前期热分解历程有一定的影响;纳米复合材料的加入显著降低了高能发射药的烧蚀性能,同时还可抑制其起始燃速,并且该趋势随纳米复合材料含量的增加而增大。在相对发射药5.1 wt%的最大添加量下,改性高能发射药的烧蚀量下降了37.0%,对应火药力降低值为5.7%。实际应用过程中可根据应用需求调整添加量以获得综合性能的平衡。
【图文】：
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本文编号：2649714
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