基于海藻酸盐提升高氯酸铵的热分解性能研究

摘要

近年来，提高固体推进剂的燃烧性能一直是研究的重点和热点。高氯酸铵(AP)作为最常用的氧化剂，是复合固体推进剂的主要成分。为了获得更高的复合固体推进剂的燃烧速率，有效地改善AP的热分解性能是至关重要的。添加催化剂是一种能有效改善AP热分解性能的重要方法，尤其是过渡纳米金属、氧化物以及相关的复合物作为提高AP热分解性能的催化剂。然而，纳米催化剂由于尺寸小、表面积大，容易团聚，分布不均匀，从而降低了表面活性中心，对催化AP热分解性能有很大的影响。　　天然生物材料因其无毒、生物降解性好、低成本、易得、环保等优点，在各领域内被广泛认为是一种理想的候选材料。基于自然生物材料－海藻酸钠(SA)，在催化领域得到了广泛的关注。为了解决纳米催化剂在AP应用中的团聚问题以及提高AP热分解性能，本研究受天然生物海藻酸的启发，利用原位合成，制备了一种新型的海藻酸盐/高氯酸铵复合物，并且采用各表征手段对复合物的结构、形貌以及性能进行表征。深入研究了这些海藻酸盐对AP热分解的催化作用，并且对催化AP的热分解机理进行了初步探讨。主要研究内容包括以下几个方面：　　(1)采用针管注射法，通过离子交联固化，原位合成了海藻酸钴/高氯酸铵(CA/AP)复合物。利用DSC分析考察了不同的硝酸钴溶液原位合成的CA/AP复合物的热分解性能。同时，对催化AP热分解可能的机理进行了探讨。DSC分析结果表明，与纯AP相比，原位合成的CA/AP复合物使热分解温度降低了92.7℃，显著地提高了对AP的催化效果。　　(2)采用空气雾化法，通过离子交联固化，原位合成了生物灵感海藻酸铜/高氯酸铵(Cu-alginate/AP)复合物。SEM分析结果表明，Cu-alginate/AP复合物没有出现团聚现象，而且颗粒尺寸也较小，表面致密而光滑。撞击感度和摩擦感度测试结果表明，Cu-alginate/AP复合物的撞击感度H50=44.8cm，摩擦感度爆炸概率是0%。与纯AP相比，明显降低了复合物的撞击感度和摩擦感度。此外利用DSC分析考察了不同的硝酸铜溶液原位合成的Cu-alginate/AP复合物的热分解性能。同时，对催化AP热分解可能的机理进行了探讨。DSC分析结果表明，与纯AP相比，Cu-alginate/AP复合物使热分解温度降低了90.3℃，显著地提高了对AP热分解的催化作用。　　(3)采用空气雾化法，通过离子交联固化，原位合成了双金属海藻酸钴锰/高氯酸铵(CoMn–alginate/AP)复合物。利用DSC分析考察了不同质量比的AP和SA及不同摩尔比的硝酸钴和硝酸锰乙醇溶液原位合成的双金属CoMn–alginate/AP复合物的热分解性能。同时，对催化AP热分解可能的协同机理进行了探讨。DSC分析结果表明双金属CoMn–alginate/AP复合物使热分解温度降低了122.9℃。与单金属Co–alginate和Mn–alginate相比，双金属CoMn–alginate存在出更高的催化活性，显著地提高了对AP热分解的催化作用。所有结果都表明，双金属CoMn–alginate对AP的热分解具有更大的协同效应。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2固体推进剂

1.2.1固体推进剂的发展

1.2.2复合固体推进剂的组成

1.3高氯酸铵

1.3.1高氯酸铵的简介

1.3.2高氯酸铵的热分解

1.3.3高氯酸铵的热分解机理

1.4海藻酸钠

1.4.1海藻酸钠的简介

1.4.2海藻酸钠的应用

1.5 论文选题的目的意义、创新点和内容

1.5.1 论文选题的目的意义

1.5.2 论文选题的创新点

1.5.3 论文的主要研究内容

2表征与测试方法

2.1 X射线衍射(XRD)

2.2 场发射扫描电子显微镜

2.3 红外光谱

2.4 透射电镜

2.5 X射线光电子能谱

2.6 感度表征

2.7 热分解表征

3 CA/AP复合物的制备及其低温热分解性能

3.1 引言

3.2 本小节主要的研究内容

3.3 实验部分

3.3.1 实验试剂

3.3.2 实验仪器

3.3.3 CA/AP复合物的制备

3.3.4 样品的表征

3.4 结果与讨论

3.4.1 CA/AP复合物的表面形貌、结构及组成

3.4.2 热分解性能表征

3.4.3 AP热分解机理研究

3.5 本章小结

4 生物灵感Cu-alginate提升AP的安全及热分解性能

4.1 引言

4.2 本小节主要的研究内容

4.3 实验部分

4.3.1 实验试剂

4.3.2 实验仪器

4.3.3 Cu-alginate/AP复合物的制备

4.3.4 样品的表征

4.4 结果与讨论

4.4.1 样品的形貌、结构、成分和压缩刚度表征

4.4.2 XRD表征

4.4.3 Cu-alginate的形貌和结构表征

4.4.4 复合物的感度和催化性能研究

4.4.5 AP热分解可能的催化机理

4.5 本章小结

5 双金属CoMn-alginate的制备及对AP热分解的研究

5.1 引言

5.2 本小节主要的研究内容

5.3 实验部分

5.3.1 实验试剂

5.3.2 实验仪器

5.3.3 双金属CoMn-alginate/AP复合物的制备

5.3.4 样品表征

5.4 结果与讨论

5.4.1 形貌和结构表征

5.4.2 热分解性能研究

5.4.3 AP热分解可能的催化机理

5.5本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果