造粒技术促进含能材料的燃烧

王海洋

       上几篇博文中探讨了一下黑火药造粒技术对其燃烧性能有巨大的影响，均匀内部多孔的造粒能使火焰传播速度大大增加，同时也能使火药均匀燃烧，从而大大增加了黑火药的反应性（reactivity）。黑火药的例子对我们现在含能材料的研究是否有指导意义呢？答案是肯定的。笔者曾经利用静电喷雾的方法制备了纳米铝粉/硝化纤维（Al/NC）的多孔球以及纳米铝粉/纳米金属氧化剂/硝化纤维（Al/CuO/NC）的多孔球，发现其燃烧特征参数（燃烧压力，燃烧速度等）比传统物理混合法制备的提高了数倍。将Al/NC多孔球当做燃料（fuel），再另加高氯酸铵（AP）作为氧化剂，并以HTPB作为粘合剂制成的推进剂药柱，其燃烧速度比同尺寸铝粉制成的快36%。笔者在论文中对原因进行了分析。现在看来，最为重要的是微米球中的孔为火焰传播提供了通道，加速了火焰的传播。在这几则参考文献中，也对纳米铝热剂的堆积密度（bulk density）对其反应活性的影响进行了探讨，其结果都表明，较为松散的堆积能够使纳米铝热剂的反应活性大大增加！而相反，倘若将纳米含能材料压实的话，其反应性则会大大降低！这些结果都表明，纳米铝热剂的内部孔隙对其火焰加速的作用很大！而笔者利用的静电喷雾技术为创造内部孔隙提供了条件，并能够制备出粒径均一的颗粒。此外，还在其内部加入一定量的气体发生剂，在点火的时候能够防止纳米铝粉等活性金属颗粒的烧结现象。从而大大的提高了其燃烧的活性以及均一性。

附图：

图1：静电喷雾法制备的Al/NC微米球

图2：静电喷雾法制备的Al/NC微米球和铝粉的燃烧情况对比

图3：静电喷雾法制备的Al/NC/Fe2O3，Al/NC/Bi2O3微米球

图4：静电喷雾法制备的Al/NC/CuO的燃烧压力和燃烧压力上升速率（正比于燃速）

附参考文献：

1、Wang, Haiyang, et al. "Electrospray formation of gelled nano-aluminum microspheres with superior reactivity." ACS applied materials & interfaces5.15 (2013): 6797-6801.

2、Wang, Haiyang, et al. "Assembly and reactive properties of Al/CuO based nanothermite microparticles." Combustion and Flame 161.8 (2014): 2203-2208.

3、Wang, Haiyang, et al. "Electrospray formation and combustion characteristics of iodine-containing Al/CuO nanothermite microparticles." Combustion and Flame 162.7 (2015): 2823-2829.

4、Wang, H., et al. "Metal Iodate-Based Energetic Composites and Their Combustion and Biocidal Performance." ACS applied materials & interfaces 7.31 (2015): 17363-17370.

5、Young, Gregory, Haiyang Wang, and Michael R. Zachariah. "Application of Nano‐Aluminum/Nitrocellulose Mesoparticles in Composite Solid Rocket Propellants." Propellants, Explosives, Pyrotechnics 40.3 (2015): 413-418.

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