论文部分内容阅读
铝热剂是一种复合型含能材料，具有高能量密度、高携氧量、高质量密度等特点，在国防工业和经济建设中发挥着重要作用。然而，随着社会的发展和进步，传统铝热剂由于其反应起始温度高、放热性能差、燃烧速率慢等缺陷，已不能满足更严格的实际应用要求。因此，开发具有优异反应性能的新型铝热剂成为了含能材料领域的一个热点问题。通常，微纳米燃料和氧化剂可以有效地缩短组分之间的传质距离，显著改善组分的放热和燃烧性能，从而大大改善铝热复合含能材料的反应性能。
通过液相还原以及后续的热处理技术和快速沉淀法分别制备了三种不同微观形貌的氧化铜。然后，采用电泳沉积技术和自组装技术制备了四种性能优异的微纳结构复合含能材料。此外，还研究了复合含能材料的电泳沉积法动力学行为，以及自组装法制备核壳结构铝热剂的可行性和制备条件。此外，还对这些复合含能材料的放热性能进行了详细地研究。为微纳结构复合含能材料的开发和应用提供了一种新的策略和方法。研究的主要内容和结论如下：
（1）针对复合含能材料电沉积动力学尚不清楚的问题，探索了Al/CuO微盒复合含能材料的电泳沉积工艺。采用电泳沉积法制备了Al/CuO微立方体复合含能材料，并验证了Al/CuO微立方体的电泳沉积动力学过程受扩散控制。采用粒径约为2μm左右的CuO微立方体作为复合含能材料的氧化剂。研究结果表明，10%dwb（总固体干重比）的聚乙烯亚胺能有效促进CuO微立方体在Ti阴极上发生电泳沉积。此外，沉积到钛片上Al/CuO微立方体复合含能材料的当量比（Фd）与悬浮液中Al/CuO的当量比（Фs）存在良好的线性关系，能够通过改变电泳沉积参数进行精确调节。当悬浮液中Al/CuO的当量比Фs为3.0时，样品的放热量能够达到3049J/g。为电泳沉积技术制备复合含能材料提供了新的策略。
（2）为了理解不同形貌原材料对复合含能材料电泳沉积动力学行为的影响，进一步研究了Al/CuO微球复合含能材料的电泳沉积过程。通过简便的液相还原以及后续的热处理技术成功地制备了粒径为100~120nm的CuO微球，并将这种CuO微球用作复合含能材料的氧化剂。通过电泳沉积法制备了Al/CuO微球复合含能材料。发现Al/CuO微球的电泳沉积动力学过程受扩散控制。结果表明，通过改变电泳沉积参数，可以精确调控复合含能材料的当量比（Фd）。当Al/CuO微球复合含能材料在悬浮液中的当量比Фs为1.5时，样品的放热量可达1977J/g。
（3）针对复合含能材料制备过程中耗时长、工艺复杂的问题，采用自组装技术制备了核壳CuO@Al复合含能材料。通过液相还原以及后续的热处理技术制备了粒径约为450nm的CuO微球，利用聚（4?乙烯基吡啶）（P4VP）对CuO微球进行修饰，通过自组装法在CuO微球表面包覆了Al纳米颗粒，成功制备了以CuO微球为核，Al纳米颗粒为壳的核壳结构CuO@Al复合含能材料。DSC测试结果表明，当量比Ф=1.5时，CuO@Al复合含能材料的总放热量最高可达1860J/g。由于CuO@Al复合含能材料中燃剂与氧化剂的密切接触，因而具有良好的放热性能。本工作为制备高放热性能CuO@Al复合含能材料提供了一种简便的策略。
（4）纳米铝在环境中与氧气或水蒸气反应，形成Al2O3钝化层，削弱了含能材料的放热性能。相比之下，硅具有更高的抗氧化性，在长期储存或运输中更稳定，有望成为一种新型的含能材料燃料。在此背景下，采用自组装技术合成了核壳Si@CuO复合含能材料。采用快速沉淀法成功制备了直径约8nm的纳米CuO颗粒。通过聚（4?乙烯基吡啶）（P4VP）对纳米Si进行修饰，通过自组装法在纳米Si表面包覆了纳米CuO颗粒，成功地制备了以纳米Si为核，纳米CuO颗粒为壳的核壳结构Si@CuO复合含能材料。DSC测试结果表明，当量比Ф=1.0时，核壳Si@CuO复合含能材料的最大放热量为1061.4J/g。纳米Si与CuO之间具有较短的传质距离，提高了复合含能材料的放热性能，为制备高放热性能硅基复合含能材料提供了新的策略。
通过液相还原以及后续的热处理技术和快速沉淀法分别制备了三种不同微观形貌的氧化铜。然后，采用电泳沉积技术和自组装技术制备了四种性能优异的微纳结构复合含能材料。此外，还研究了复合含能材料的电泳沉积法动力学行为，以及自组装法制备核壳结构铝热剂的可行性和制备条件。此外，还对这些复合含能材料的放热性能进行了详细地研究。为微纳结构复合含能材料的开发和应用提供了一种新的策略和方法。研究的主要内容和结论如下：
（1）针对复合含能材料电沉积动力学尚不清楚的问题，探索了Al/CuO微盒复合含能材料的电泳沉积工艺。采用电泳沉积法制备了Al/CuO微立方体复合含能材料，并验证了Al/CuO微立方体的电泳沉积动力学过程受扩散控制。采用粒径约为2μm左右的CuO微立方体作为复合含能材料的氧化剂。研究结果表明，10%dwb（总固体干重比）的聚乙烯亚胺能有效促进CuO微立方体在Ti阴极上发生电泳沉积。此外，沉积到钛片上Al/CuO微立方体复合含能材料的当量比（Фd）与悬浮液中Al/CuO的当量比（Фs）存在良好的线性关系，能够通过改变电泳沉积参数进行精确调节。当悬浮液中Al/CuO的当量比Фs为3.0时，样品的放热量能够达到3049J/g。为电泳沉积技术制备复合含能材料提供了新的策略。
（2）为了理解不同形貌原材料对复合含能材料电泳沉积动力学行为的影响，进一步研究了Al/CuO微球复合含能材料的电泳沉积过程。通过简便的液相还原以及后续的热处理技术成功地制备了粒径为100~120nm的CuO微球，并将这种CuO微球用作复合含能材料的氧化剂。通过电泳沉积法制备了Al/CuO微球复合含能材料。发现Al/CuO微球的电泳沉积动力学过程受扩散控制。结果表明，通过改变电泳沉积参数，可以精确调控复合含能材料的当量比（Фd）。当Al/CuO微球复合含能材料在悬浮液中的当量比Фs为1.5时，样品的放热量可达1977J/g。
（3）针对复合含能材料制备过程中耗时长、工艺复杂的问题，采用自组装技术制备了核壳CuO@Al复合含能材料。通过液相还原以及后续的热处理技术制备了粒径约为450nm的CuO微球，利用聚（4?乙烯基吡啶）（P4VP）对CuO微球进行修饰，通过自组装法在CuO微球表面包覆了Al纳米颗粒，成功制备了以CuO微球为核，Al纳米颗粒为壳的核壳结构CuO@Al复合含能材料。DSC测试结果表明，当量比Ф=1.5时，CuO@Al复合含能材料的总放热量最高可达1860J/g。由于CuO@Al复合含能材料中燃剂与氧化剂的密切接触，因而具有良好的放热性能。本工作为制备高放热性能CuO@Al复合含能材料提供了一种简便的策略。
（4）纳米铝在环境中与氧气或水蒸气反应，形成Al2O3钝化层，削弱了含能材料的放热性能。相比之下，硅具有更高的抗氧化性，在长期储存或运输中更稳定，有望成为一种新型的含能材料燃料。在此背景下，采用自组装技术合成了核壳Si@CuO复合含能材料。采用快速沉淀法成功制备了直径约8nm的纳米CuO颗粒。通过聚（4?乙烯基吡啶）（P4VP）对纳米Si进行修饰，通过自组装法在纳米Si表面包覆了纳米CuO颗粒，成功地制备了以纳米Si为核，纳米CuO颗粒为壳的核壳结构Si@CuO复合含能材料。DSC测试结果表明，当量比Ф=1.0时，核壳Si@CuO复合含能材料的最大放热量为1061.4J/g。纳米Si与CuO之间具有较短的传质距离，提高了复合含能材料的放热性能，为制备高放热性能硅基复合含能材料提供了新的策略。