制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的含能容器

摘要

本发明公开了一种制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的含能容器，通过设置复合结构的壳体缓冲了反应瞬间的冲击压力；同时通过在壳体外侧设置去应力带消除了容器的局部应力，提高了含能容器壳体的抗压能力及其承载强度，延长了含能容器的寿命；此外，通过增设快开装置，使操作人员同时控制壳体的进液阀以及排液阀，简化操作步骤，缩短操作时间，节约劳动力，提高生产效能，从而满足大规模生产的需要。本发明具有便于安装、可靠性高、易于安装和维护等优势，可提高含能容器的质量，满足大规模生产的需要。

说明书

技术领域

本发明涉及化工设备领域，更具体地说，涉及一种制备三维石墨烯包覆 单粒子纳米金刚石的含能容器。

背景技术

含能材料，按用途主要分为炸药、推进剂和烟火剂三类，在民用、军事 和航天等领域都起着举足轻重的作用，是已得到大规模应用的特殊功能材料。 现今，随着纳米技术的发展与进步，许多新概念通过含能材料制备。

以三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石为例，石墨烯是由单层SP2杂化碳 原子组成的六方点阵蜂窝状二维结构，其结构稳定，具有优良的导电导热特 性、良好的机械特性，因而得到了广泛的研究。石墨烯已经被制备出来并应 用在能源存储、透明电极、机械驱动器等领域。为了能够进一步开发石墨烯 的潜在应用，尤其在能量存储转化方面，除了二维石墨烯薄膜外，三维石墨 烯结构也已经能够制备出来，并且，近年来三维石墨烯包覆氧化物、碳材料 等复合材料开始得到广泛研究，例如，三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石， 由于三维石墨烯的包覆，显著提高了被包覆的纳米金刚石材料的导电率，并 且结合了石墨烯的优良特性，这些复合物的的导电性能会显著增加，在催化、 电容器、和储能方面也表现出优良的性能，已成为物理和半导体电子研究领 域的国际前沿和热点之一。

现有技术中含能材料合成三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的方法是利 用高能富碳含能材料在特定高温高压条件下含能合成，通常将含能材料放入 盛满水的容器中，再将盛水容器吊入含能反应容器中触发反应器反应以制备 出待提纯溶液，然后通过提纯系统从溶液中提炼出三维石墨烯包覆单粒子纳 米金刚石。其中，高能富碳含能材料通常包括三硝基甲苯(TNT)以及黑索今 (RDX)或奥索金(HMX)等混合而成。

现有的含能容器(如图1所示)包括：含有上下两端开口的圆球形壳体1 以及用于固定支撑圆球形壳体1的支撑架9，圆球形壳体1的上端开口处通过过 渡段2连接法兰盖3，以形成上端进料孔，圆球形壳体1的下端开口处设有排液 阀8；其中，法兰盖3上安装有控制阀7以及排气阀10。

由于含能容器中存在高压和高温(压力达到5-6兆帕，温度达到2100摄氏 度)，尤其在反应瞬间，高温高压更为明显，而现有的含能容器存在结构上 的缺陷：

1.现有的含能容器通常为单层结构，单层外壳的材质包含碳钢、复合钢 或钛钢等，在反应瞬间，圆球形壳体1的外壳由于为单层结构，其外壳较为薄 弱,易出现容器变形，甚至容器破损的情况；

2.过渡段与圆球形壳体的接缝处应力集中，承载强度低、缺少减冲装置， 导致含能容器使用寿命短。

针对上述问题，本领域技术人员亟需提供一种新的制备三维石墨烯包覆 单粒子纳米金刚石的含能容器，从而提高含能容器的抗冲击能力，延长含能 容器的寿命，满足大规模生产的需要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的含 能容器，提高含能容器外壳的抗压能力，缓冲反应瞬间的冲击压力，提高含 能容器的寿命。

本发明为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的含能容器，包括含有上下 两端开口的中空圆球形壳体，所述壳体的上端开口处通过过渡段连接法兰盖， 形成上端进料孔，圆球形壳体的下端开口处设有排液阀，所述壳体包括内层 壳体、外层壳体以及截面呈连续波浪状的钢板；所述钢板固定于所述内层壳 体和外层壳体中间，所述波浪状钢板的波底与所述内层壳体固定连接，且所 述波浪状钢板的波顶与所述外层壳体固定连接；

所述壳体与所述过渡段的连接处设有去应力钢带，所述去应力钢带通过 紧固件固定并包覆于所述圆球形壳体的外侧壁上；其中，所述紧固件承载的 最大应力阈值低于所述去应力钢带承载的最大应力阈值。

优选的，所述进料阀与所述排液阀之间设有用于同时控制进料阀和排液 阀联动启闭的连杆，所述连杆包括杆体以及两个端部，两个端部分别与所述 进料阀和所述排液阀固定连接；其中，通过施加外力于所述连杆，以使所述 进料阀以及排液阀同时处于打开或关闭状态。

优选的，所述去应力钢带至少为两条，所述去应力钢带环绕所述圆球形 壳体一圈并交错分布于所述圆球形壳体的外侧壁上。

优选的，所述圆球形壳体包括两个上下对称的半球形壳体，两个半球形 壳体的连接处设有去应力钢带，所述去应力钢带环绕所述圆球形壳体一圈， 并通过紧固件固定于所述圆球形壳体的外侧壁上。

优选的，所述波浪状钢板的波底与所述内层壳体焊接，且所述波浪状钢 板的波顶与所述外层壳体焊接。

优选的，所述排液阀为倒锥形结构，所述排液阀的外径尺寸与所述圆球 形壳体的下端开口尺寸相适应。

优选的，所述波浪状钢板的材质为弹簧钢，所述波浪形钢板的厚度为 1cm-20cm；所述内层壳体为双层结构；所述外层壳体的材质为低碳钢Q345R。

优选的，所述内层壳体包括低碳钢Q345R层以及304不锈钢层。

优选的，所述去应力钢带的材质为低碳钢Q345R，其带宽为2cm～8cm， 厚度为1mm～6mm。

本发明提供的制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的含能容器，通过 设置复合结构的壳体缓冲了反应瞬间的冲击压力，通过在壳体外侧设置去应 力带消除了容器的局部应力，提高了含能容器壳体的抗压能力及其承载强度， 延长了含能容器的寿命；本发明具有便于安装、可靠性高、易于安装和维护 等优势，可提高含能容器的质量，满足大规模生产的需要。此外，通过增设 快开装置，使操作人员同时控制壳体的进液阀以及排液阀，即通过对连杆施 加外力，进料阀以及排液阀同时处于打开或关闭状态，简化操作步骤，缩短 操作时间，节约劳动力，提高生产效能，从而满足大规模生产的需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所 需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动 的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的含能容器的 结构示意图；

图2为本发明制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的含能容器的 结构示意图；

图3为本发明制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的含能容器的 俯视图。

[附图编号说明]：

1、壳体，2、过渡段，3、法兰盖，4、进料孔，5、去应力钢带；6、 紧固件，7、进料阀，8、排液阀，9、支撑架，10、排气阀，11、内层壳 体，12、外层壳体，13、钢板，14连杆。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内 容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人 员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。其次，本发明利用示意 图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照 一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

请参阅图2、3，图2为本发明制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的 含能容器的结构示意图；图3为本发明制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚 石的含能容器的俯视图。

如图2、3所示，本发明提供一种制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石 的含能容器，包括含有上下两端开口的中空圆球形壳体1，壳体1的上端开 口处通过过渡段2连接法兰盖3，形成上端进料孔4，圆球形壳体1的下端开 口处设有排液阀8，壳体1包括内层壳体11、外层壳体12以及截面呈连续波 浪状的钢板13；钢板13固定于内层壳体11和外层壳体12中间，波浪状钢 板13的波底与内层壳体11固定连接，且波浪状钢板13的波顶与外层壳体 12固定连接；壳体1与过渡段2的连接处设有去应力钢带5，去应力钢带5 通过紧固件6固定并包覆于圆球形壳体1的外侧壁上；其中，所述紧固件6 承载的最大应力阈值低于去应力钢带5承载的最大应力阈值。通过设置复合 结构的壳体1缓冲了反应瞬间的冲击压力，通过在壳体1外侧设置去应力带 5消除了容器的局部应力，提高了含能容器的抗压能力及其承载强度，延长 了含能容器的寿命。

具体的，本实施例中，去应力钢带5至少为两条，去应力钢带5的数量 及位置可根据实际情况设置于球形壳体1的侧壁上。去应力钢带5的带宽优 选为2cm～8cm，厚度优选为1mm～6mm；去应力钢带5的材质优选为低碳钢 Q345R。去应力钢带5环绕所述圆球形壳体1一圈，也可根据实际需要设置于 球形壳体1的局部区域，去应力钢带5交错分布于球形壳体1的外侧壁或内 侧壁上，或球形壳体1的内侧壁或外侧壁同时设置去应力钢带5。此外，紧 固件6承载的最大应力阈值低于去应力钢带5承载的最大应力阈值,可以使在 爆炸的瞬间，紧固件6相对于去应力钢带5优选断裂，从而避免更换去应力 钢带5，即更换紧固件6即可，降低经济成本，减少损失。

其中，圆球形壳体1的接缝处可设有去应力钢带5，圆球形壳体1通常 包括两个上下对称的半球形壳体，而两个半球形壳体的连接处通常连接较为 薄弱，因此两个半球形壳体的连接处可设有去应力钢带5，所述去应力钢带5 环绕所述圆球形壳体1一圈，并通过紧固件6固定于所述圆球形壳体5的外 侧壁上，去应力钢带5也可设置于圆球形壳体1的内侧壁上，或圆球形壳体 1的内侧壁或外侧壁同时设置。通过设置去应力带，可保证在爆轰瞬间，消 除容器的局部应力，使爆轰容器的承载强度均匀，提高爆轰容器的质量。

本实施例中，波浪状钢板13的波底与内层壳体11焊接，且波浪状钢板 13的波顶与外层壳体12焊接，以此将波浪状钢板13固定于内层壳11和外 层壳体12中间，优选为焊接方式固定，该固定方式牢固同时便捷快速，且成 本较低。此外，波浪状钢板13的材质包括但不限于弹簧钢，其厚度优选为 1cm-20cm；外层壳体12的材质优选为低碳钢Q345R；所述内层壳体11为双 层结构，其包括低碳钢Q345R层以及304不锈钢层。通过设置复合结构的壳 体1，缓冲反应瞬间的冲击压力，提高含能容器的寿命及质量。

此外，为了简化工作人员操作步骤，缩短时间，提高生产效能，进料阀 7与排液阀8之间设有用于同时控制进料阀7和排液阀8联动启闭的连杆14， 连杆14包括杆体以及两个端部，两个端部分别与进料阀7和排液阀8固定连 接；其中，通过施加外力于连杆14，以使进料阀7以及排液阀8同时处于打 开或关闭状态。

在生产过程中，操作人员施加外力于连杆14，将连杆14向上提起，则 进料阀7以及排液阀8均处于打开状态，此时，排液阀8排出壳体1内的液 体，而操作人员同时将含有炸药的含水容器投入至壳体1内。待排液完毕、 含有炸药的含水容器投入完毕，操作人员再次施加外力于连杆14，将连杆14 向下按压，则进料阀7以及排液阀8均处于关闭状态，从而进行下一步骤。 因此，由于增设了快开装置，同时控制排液阀8以及进料阀7的开关，简化 操作步骤，缩短操作时间，从而提高了生产效能。

含能容器下方还设有用于固定支撑圆球形壳体1的支撑架9，支撑架9 的的支撑面与圆球形壳体1的外侧壁相匹配。排液阀8优选为倒锥形结构， 排液阀8的外径尺寸与圆球形壳体1的下端开口尺寸相适应。在爆炸含能材 料时，将高能富碳炸药组装后吊入容器内，通过起爆器起爆炸药，以制备出 含能溶液，然后通过提纯系统从溶液中提炼出含能颗粒。

综上所述，本发明提供的制备三维石墨烯包覆单粒子纳米金刚石的含能 容器，通过设置复合结构的壳体缓冲了反应瞬间的冲击压力，通过在壳体外 侧设置去应力带消除了容器的局部应力，提高了含能容器壳体的抗压能力及 其承载强度，延长了含能容器的寿命；本发明具有便于安装、可靠性高、易 于安装和维护等优势，可提高含能容器的质量，满足大规模生产的需要。此 外，通过增设快开装置，使操作人员同时控制壳体的进液阀以及排液阀，即 通过对连杆施加外力，进料阀以及排液阀同时处于打开或关闭状态，简化操 作步骤，缩短操作时间，节约劳动力，提高生产效能，从而满足大规模生产 的需要。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例 并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发 明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作 出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未 脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任 何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。