爆炸法制备碳包覆铜纳米粒子及其对AP热分解的影响研究

摘要

本论文以黑索金(RDX)为主体炸药、石蜡(WAX)为碳源、硝酸铜(Cu(NO3)2·3H2O)为金属源，按照一定配比组成爆轰前驱体，利用爆炸法成功制备出碳包覆铜纳米粒子(CCNPs)，并考察了该纳米粒子对AP以及AP/HTPB基推进剂热分解性能的影响，研究结果对废旧炸药的再利用具有一定的实践指导意义。
　　首先，基于炸药爆轰理论，利用爆轰参数评估软件EXPLO5对不同配比爆轰前驱体的爆轰参数进行了模拟计算，得到RDX、WAX和(Cu(NO3)2·3H2O配比对爆温、爆压、氧平衡的影响规律。结果表明:爆温和爆压随着RDX含量的减少而减小、随着WAX和Cu(NO3)2·3H2O含量的增加而下降;负氧平衡度随WAX含量增大而显著变大，RDX和(Cu(NO3)2·3H2O含量对其无显著影响。基于以上规律并结合爆轰产物碳/铜比，优选出了四种爆轰前驱体配方:RDX0.7WAX0.2Cu(NO3)2·3H2O0.1(2＃)，RDX0.55WAX0.2Cu(NO3)2·3H2O0.25(6＃),RDX0.5WAX0.15Cu(NO3)2·3H2O0.35(8＃),RDX0.45WAX0.15 Cu(NO3)2·3 H2O0.4(10＃)。
　　其次，以WAX为包覆材料，采用水悬浮法制得WAX/RDX包覆颗粒，将其与Cu(NO3)2·3H2O按一定的比例均匀混合，并压制成具有一定密度的前驱体药柱。采用雷管将该药柱在爆炸容器中引爆，将爆炸固体产物收集，经过酸洗、水洗、干燥，得到CCNPs。采用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱对产物成分和形貌进行了表征。结果表明:爆轰产物呈规则的球形，粒径分布在20～45 nm;具有明显的核壳结构，外壳碳包覆层厚度为2～5 nm，主要由石墨和无定型碳构成。
　　最后，将CCNPs和AP按照质量比5∶95进行混合，采用DSC差示扫描量热分析仪考察了AP与AP/CCNPs混合物的热分解特性，并对其热分解动力学参数进行了计算和分析。结果表明:在5、10、20℃/min的升温速率下，含CCNPs的AP的低温分解峰消失，高温分解峰温度分别提前了72.77℃、72.93℃、74.77℃，Kissinger法计算的表观活化能下降了27.18kJ/mol。此外，考察了CCNPs（3wt.％）对AP/HTPB基推进剂热分解性能的影响，结果表明:在5、10、20℃/min的升温速率下，和不含CCNPs推进剂配方相比，含CCNPs推进剂配方的低温分解峰温度分别提前了58.74℃、58.39℃、54.66℃，高温分解峰温度分别提前了33.59℃、30.69℃、27.51℃，Kissinger法计算的高温表观活化能降低了74.90 kJ/mol。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文的研究背景及意义

1．2 纳米材料概述

1．2．1 纳米材料的涵义及分类

1．2．2 纳米材料的特性

1．2．3 纳米技术及其进展

1．3 碳包覆金属纳米材料的发展和研究现状

1．3．1 碳包覆纳米材料的制备方法

1．3．2 碳包覆金属纳米材料的应用

1．4 AP热分解催化反应研究现状

1．4．1 AP热分解

1．4．2 AP催化反应研究现状

1．5 论文主要研究内容和研究方案

2 爆炸法制备碳包覆铜纳米粒子的理论研究和计算模拟

2．1 引言

2．2 混合炸药性能参数的理论计算

2．2．1 氧平衡的计算

2．2．2 理论密度的计算

2．2．3 爆压的计算

2．2．4 爆温的计算

2．3 EXPLO5爆轰参数模拟软件介绍

2．4 爆轰前驱体配方设计

2．4．1 炸药种类的选取

2．4．2 金属源的选取

2．4．3 碳源的选取

2．4．4 爆轰实验配方的选取

2．5 本章小结

3．1 引言

3．2 实验仪器和试剂

3．2．1 实验用爆轰设备介绍

3．2．2 实验仪器和实验试剂

3．3 制备工艺流程和实验步骤

3．4 爆轰实验研究

3．4．1 爆轰前驱体的制备

3．4．2 爆轰实验结果及产物处理

3．5 配方2#爆轰产物的分析与表征

3．5．1 XRD测试与结果分析

3．5．2 SEM测试与结果分析

3．5．3 TEM测试与结果分析

3．5．4 拉曼光谱测试与结果分析

3．6 配方8#爆轰产物的分析与表征

3．6．1 XRD测试与结果分析

3．6．2 SEM测试与结果分析

3．6．3 TEM测试与结果分析

3．6．4 拉曼光谱测试与结果分析

3．7 爆炸反应机理研究

3．8 本章小结

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验仪器和实验试剂

4．2．2 热分析实验

4．3 原料AP的形貌表征

4．4 碳包覆铜纳米粒子对AP热分解性能的影响

4．4．1 DSC测试与结果分析

4．4．2 热分解动力学参数计算与分析

4．4．3 AP催化机理简析

4．5 碳包覆铜纳米粒子对AP／HTPB基推进剂热分解性能的影响

4．5．1 AP／HTPB基推进剂配方设计

4．5．2 AP／HTPB基推进剂DSC测试与结果分析

4．5．3 AP／HTPB基推进剂热分解动力学参数计算与分析

4．6 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文和科研成果

致谢