炸药爆轰合成碳包覆纳米金属粒子与其机理研究

由于炸药爆轰能产生数千度高温与数万大气压的高压，在爆轰波反应区内可以合成出包覆紧密的碳包覆纳米金属粒子。据此，本项目提出了采用炸药爆轰法合成碳包覆金属纳米颗粒这一类新材料的思路，研究还针对爆轰合成CEMNPs的特点，提出了对其平衡态宏观机理和纳米粒子聚合的细微观机制的研究方法，以最终实现主动控制CEMNPs的目的。在项目研究中，首先参考其他CEMNPs合成方法已取得的研究成果，选用代表性铁族元素进行爆轰包覆研究，同时探讨其他元素的掺杂合金化对碳包覆作用的影响，以先进的材料学研究手段表征产物；在此基础上，研究爆轰反应区中的状态参数分布，以化学平衡态理论建立爆轰反应区的相图模型，确定爆轰反应的各相分布，从而构成爆轰合成CEMNPs的宏观平衡态机理；然后，建立纳米晶粒在爆轰反应区的成核生长动力学模型，结合对爆轰产物膨胀区的粒子演变历程研究，最终构成爆轰合成CEMNPs微细观机制。

在总结前人爆轰法合成纳米金刚石、纳米碳材料的基础上，首先，对爆轰前驱体从氧平衡、爆炸性能、热力学性能、选择材料等方面对前驱体炸药进行初步设计，以此出发进行爆轰合成碳包覆金属纳米晶颗粒（Carbon-encapsulated metal nano-particles，简称CEMNPs）研究。结果表明，以硝酸盐与一定量的络合剂合成金属络合物硝酸盐作为金属源材料，以猛炸药（太安或者黑索今）与有机物（醇类、酮类、油脂、有机酸等）混合物为碳源材料，在惰性气体保护下的密闭容器中，调整前驱体中元素的摩尔比例，大量地制备出碳包覆金属纳米颗粒材料，并以此为基础，探讨了爆轰合成CEMNPs机理。. 采用DSC/TG热分析技术对含有铁、钴、镍金属离子的前驱体中各组分、炸药混合物及前驱体炸药分别进行了热力学分析，通过对前驱体中各组分的热力学分析及主要组分之间的热分解动力学的研究。结果表明金属离子在前驱体中的存在一个最佳的百分含量，并且具有一定规律的动力学特征，为配制合成碳包覆金属纳米颗粒的前驱体提供了有利的热力学依据。. 通过调整前驱体中两种金属源材料、碳源材料的元素摩尔比例构成，成功合成了碳包覆合金（FeNi、FeCo）纳米颗粒，并采用XRD、TEM、EDX、XRF、Raman和VSM等表征方法，对其物相成分、形貌结构、磁性特征进行了分析，且一次合成产率大约10~15%。最后，还选用了硝酸铜与柠檬酸按照一定摩尔比与乙二醇配制成凝胶，然后与不同质量比的RDX混合后形成了凝胶前驱体，在密闭容器中惰性气体保护下，合成了碳包覆铜纳米晶颗粒，并采用XRD、SEM、EDX、TEM、XRF和Raman等测试方法对其进行了表征。. 最后，运用爆轰流体动力学理论、爆轰反应方程组并结合吉布斯最小自由能原理，通过编写含固体的爆轰反应动力学BKW专用程序(GS-BKW)，实现了爆轰气体产物与金属单质或者合金固体状态方程的耦合，对前驱体炸药爆轰合成复合纳米颗粒的爆轰参数实现了数值计算。结果表明，爆轰压力范围在9~ 15GPa，爆轰温度在2000~3500K之间有利于碳和金属团簇的生成，最终的碳包覆金属纳米颗粒则是由数纳米量级的碳-金属团簇聚集、生长而成。