你是风儿，我是沙，风风火火闯天涯。

大家都知道在烧煤或者木柴的时候，加上鼓风机可以帮助燃烧。这是因为鼓风机能够将氧气源源不断的输送到燃烧中心，从而帮助燃料燃烧。

而沙子，主成分为二氧化硅，则彻彻底底的是属于“不可燃”的物质，甚至有专门的“消防沙”用于灭火。

而固体推进剂则主要包括燃料（如铝粉，Al）、氧化剂（如高氯酸铵，AP）和粘合剂（如端羟基聚丁二烯，HTPB；硝化纤维，NC）和一些添加剂。这些添加剂如氧化铁等用来催化高氯酸铵的分解，被称为燃速调节剂（Burn rate modifier）。来自俄罗斯的研究人员发现【1】，将二氧化硅加入到Al/AP的体系中，对体系燃速的提高比传统的燃速调节剂Fe2O3还要好。

最近，又有日本的科研人员发现，向固体推进剂的配方中添加硅藻土（约9成为二氧化硅），发现也能够显著提高其燃烧速度。图中的百分比是指添加硅藻土的质量分数。75%FAP请忽视，感兴趣的读者可以阅读原文。【2】

【1】L. D. Romodanova, P. K. Pokhil. Action of silica on the burning rates of ammonium perchlorate compositions. Combustion, Explosion, and Shock Waves. 1970 Jul 4;6(3):258-61.
【2】S. Shioya, M. Kohga, T. Naya, Burning characteristics of ammonium perchlorate-based composite propellant supplemented with diatomaceous earth. Combustion and Flame 2 (2014) 620-630.

这里，博主利用喷雾干燥技术制备了一些介孔的二氧化硅球形颗粒，其形貌请看下图a。如果利用投射电镜看（图b），发现里面是多孔结构，其比表面积大概在140 m2/g，平均孔大小约15nm。

我们将这些固体介孔颗粒添加到固体含能体系中，看它们对燃烧性能有何影响。

（一）首先，我们测试了铝/聚偏二氟乙烯（Al/PVDF）的体系。Al/PVDF是一新型的含能体系，Al可以和PVDF中释放的HF反应，产生大量的热。PVDF一方面提供氧化剂HF，另一方面还具有优异的粘合性，可以以较少的质量大量装载（粘合）固体颗粒，是一种较为理想的含能粘合剂。图c和图e是我们利用静电喷雾的方法制备的Al/PVDF薄膜。我们将制备的介孔二氧化硅小球加入到制备的前驱液中，制备出来的含二氧化硅的Al/PVDF薄膜如图d和图f所示。可见，加入二氧化硅小球之后，由密实的基本无孔隙无裂缝的薄膜转变成了多孔多层的薄膜。还发现了一点是PVDF的晶形结构发生了转变，添加了二氧化硅的晶体更偏向于β相，而之前更多的是α相。β相的PVDF有更强的压电效应，这点可能对PVDF的压电效应及其对燃烧有影响，但是此处与本文无关，在此不表。

接下来来到了我们的重头戏，看看二氧化硅的添加对燃烧速度有着什么影响

由上图可以看出，同样是在氩气中燃烧，加了二氧化硅的燃速比不加的快4倍，而且火焰的更大，更亮。那么究竟是因为什么呢？
因为Al/PVDF的反应本质上是Al和HF的反应，而HF则来自于PVDF的分解。首先我们制备了一些无铝的二氧化硅与PVDF的复合物，并测试了他们的热分解特性。图a的热重曲线显示PVDF自己是多步分解反应，而加了二氧化硅的都出现了不同程度的分解加速。这一点从对应的图b的DSC曲线更好了解。可以看出，加了多孔二氧化硅的PVDF分解放热峰最早，意味着对PVDF的分解有最强的促进作用。

有了这个信息之后，我们把铝粉也加入进去，发现加了5%二氧化硅的Al/PVDF放热量更大，于此对应发现释放的HF气体更多。

由此我们认为，（1）二氧化硅能够催化PVDF的热分解，从而更快的释放更多的HF与铝粉发生反应。（2）而且，二氧化硅本身导热差，火焰经过这些微米的热不良导体的时候，会绕过它们从而在其周围形成热点。（3）此外，多层的Al/PVDF薄膜还会有较强的热对流效应（heat convection）以及热颗粒的抛射效应（Hot particle throwing）从而使燃烧更快。

二氧化硅之所以能够促进PVDF的热分解，是因为PVDF热分解释放的HF能够与二氧化硅发生一定的反应，这一点在产物的EDS得到了证实。

敬请参考：
【1】Wang, H., DeLisio, J.B., Holdren, S., Wu, T., Yang, Y., Hu, J. and Zachariah, M.R., 2018. Mesoporous Silica Spheres Incorporated Aluminum/Poly (Vinylidene Fluoride) for Enhanced Burning Propellants. Advanced Engineering Materials, 20(2), p.1700547.

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【1】
https://www.researchgate.net/publication/321056369_Mesoporous_Silica_Spheres_Incorporated_AluminumPoly_Vinylidene_Fluoride_for_Enhanced_Burning_Propellants