含能气凝胶复合材料的制备及微量热学机理研究

High energy density materials represents to the developing direction of the energetic materials. This project intends to prepare energetic composite materials with high energy, high density and tuned sensitivity using water-soluble sugars and polymers as the start materials and nitrogen heterocyclic, guanidine, amine and nitro group as units of energy through one-step hydrothermal synthesis, freeze-dried or supercritical CO2 techniques. The as-prepared energy aerogel materials would be structurally and morphologically characterized by EA, IR, UV, MS, NMR, XPS, BET, SEM and TEM, which provides the understanding of the structure of 3D energy aerogel composite materials with copolymerized energy groups. The explosive performance of the energy aerogel materials, including combustion energy, detonation velocity, detonation pressure, sensitivity and thermal decomposition characteristics, would be measured. Combination of the explosive property with the structure, the structural effect on property is being analysized and summarized. Through in-situ microcalorimetric technique, thermodynamics of the energy aerogel materials are being performed in order to disclose the preparation mechanism. The combustion tests of the targets will be explored and evaluated in aim to construct the relationship of reaction conditions - structure - the combustion property and further screen high efficiency energy aerogel materials. Importantly, the work develops the new strategy on the preparation of high energy density composite materials. On-line microcalorimetric mechanism would provide the experimental and theoretical guidance for the controllable preparation of energetic materials.

高能量密度材料是含能材料发展的方向。本项目以含氮杂环、胍基、氨基和硝基等基团为能量单元，水溶性糖类、水溶性高分子为原料，采用水热合成方法，经冷冻干燥或超临界CO2干燥制备得到高能、高密度且感度可调控的含能气凝胶复合材料，通过EA、IR、UV、MS、NMR、XPS、BET、SEM及TEM对其进行组成、结构和形貌表征，明确共聚的能量基团与三维碳气凝胶骨架结合的结构信息；测定其燃烧能、爆速、爆压、感度以及热分解特性，归纳总结复合材料性质的结构效应；通过原位量热技术开展含能气凝胶复合材料形成过程中的热动力学研究，揭示其制备机理；进行配方试验，评价复合材料在双基推进剂中的燃烧效能，建立反应条件-结构-燃烧效能的关系，筛选得到高效的含能气凝胶复合材料。研究工作以全新的策略实现高能量密度含能材料的构筑，在线的量热学机理研究结果将为含能材料的可控制备提供理论和实验指导。

以含氮杂环、胍基、氨基和硝基等基团为能量单元，水溶性糖类、可溶性金属盐、水溶性高分子为原料，水热合成或后修饰合成制备得到碳气凝胶复合材料，通过EA、IR、UV、XPS、BET、SEM及TEM对其进行组成、结构和形貌表征，测定了复合材料对AP或RDX的催化热分解特性。通过评价复合材料在双基推进剂中的燃烧效能，为含能材料的可控制备提供了理论和实验指导。主要结果如下：.1、通过后修饰合成方法，将三唑/四唑含能基团键合在碳气凝胶表面，其含氮量可达18.3%；而通过一锅法制备的含能碳气凝胶最高含氮量仅为12.6%。.2、水热制备得到的碳气凝胶的比表面积介于530～780 m2/g，凝胶颗粒尺寸约为20 nm左右。.3、向制备碳气凝胶的体系中添加金属盐可制备得到碳气凝胶/金属氧化物湿凝胶，经冷冻干燥、煅烧可得到金属/金属氧化物碳气凝胶复合材料，金属如氧化亚铁、氧化铝、氧化锌、氧化锆、二氧化钛、氧化锡、硫酸钡、单质铋等。.4、以碳气凝胶为前驱体，三聚氰胺为氮源制得氮掺杂碳纳米球，氮含量19.95 %，BET比表面积458 m2 g-1。对氮掺杂碳纳米球电容性能测试显示，当电流密度为0.5 A g-1时，其比电容为210.45 F g-1，在大电流密度5 A g-1下循环1000圈后比电容保持率仍高达88.56 %。.5、研究了SnO2/ ZnO/ TiO2/ CuO/ FeNi3/ Ni3Sn2/ Cu2Ni3Sn3/FeO-碳气凝胶复合材料对AP或RDX的燃烧催化性能，结果显示，复合碳气凝胶将AP的催化热分解峰温提前80~90℃，将RDX热分解峰温提前8.4~30.8℃。氧化亚铁/碳气凝胶将AP放热量从867 J•g-1提高至2000 ~ 2700 J•g-1。.6、在水热条件下葡萄糖与硝酸铋反应得到的 “Multi-Yolk-Shell” Bi@C 复合型中空纳米材料对 RDX 的热分解表现出优异的催化性能，能够有效降低 RDX 热分解的峰温 Tp，提高 RDX 热分解的燃烧速率，降低 RDX 热分解表观活化能，是一种高效的燃烧催化剂。.7、氧化锆碳气凝胶可明显提高双基推进剂的燃速，使燃速呈倍数提高，在4～20MPa压力范围内，燃烧效率均在1.4以上，特别是在4～8MPa压力范围内，燃烧效率达到1.9以上，并且在中高压段可明显降低压力指数。