综述了近几年国内外硼基金属复合物点火和燃烧特性的最新研究进展,重点归纳了二元硼基金属复合物、三元硼基金属复合物和纳米硼基金属复合物的点火和燃烧研究现状,并对比了其优缺点,其中对二元硼基金属复合物的研究较为丰富,对三元硼基金属复合物的研究大多集中于制备方向,关于点火和燃烧特性研究较少,对纳米基金属复合物的点火燃烧机理尚不清楚。指出了硼基金属复合物未来的研究方向:(1)对于制备工艺较简单的二元硼基金属复合物,下一步应具体研究其工艺对产物性能的影响;(2)利用分子动力学和有限元分析的方法对其燃烧机理进一步分析;(3)关于纳米硼基金属复合物可考虑建立一种稳定悬浮液进一步探究其点火和燃烧机制。附

为研究聚合物基铝热剂的性能,制备了以GAP-ETPE和F2311作为黏结剂的Al/CuO纳米铝热剂。然后利用油墨直写技术(DIW)配制出固含量高达80%的含能油墨GAP/F2311-MICs(GF-MICs),在此基础上加入高氯酸铵(AP),探索AP/GF-MICs模型推进剂的可打印性,并研究了AP含量对于AP/GF-MICs模型推进剂燃烧性能的影响规律; 采用FTIR方法测试了混合黏结剂的相容性和稳定性,通过TG-DSC和静态拉伸研究了GF-MICs纳米铝热剂的热性能,并测试了其流变性和聚合物的力学性能。结果表明,GAP-ETPE与F2311质量比为1:4时,混合黏结剂的相容性、稳定性和力学性能最好; 纳米Al/CuO的加入使得F2311和GAP-ETPE的热分解温度分别提前89.0℃和32.9℃; 随着模型推进剂中Al/CuO含量的增加,AP高温分解温度最高提前101.58℃,预先点火反应提前29.68℃,放热量提升135%; GF-MICs能够很好地提高模型推进剂的反应活性和燃烧速率,且当模型推进剂中Al/CuO质量分数由10%增至40%时,到达P_max时间缩短了71%,平均燃烧速率提升了293%。

为研究降速剂对丁羟四组元推进剂燃烧性能的影响规律,将典型季铵盐和金刚烷衍生物两种高效降速剂引入核壳结构铝基复合颗粒Al@HMX和AP@Al,使其分别作用于HMX颗粒内部和AP颗粒表面,制备了4种含降速剂的铝基复合颗粒(Al/A@HMX,Al/B@HMX,AP@Al/A和AP@Al/B); 采用扫描电子显微镜对样品形貌进行了表征; 采用高速红外相机拍摄推进剂燃烧过程的火焰红外照片,并对推进剂的爆热、密度、点火延迟时间和燃速进行了测试。结果表明,加入惰性降速剂会导致推进剂爆热降低,而Al@HMX复合颗粒能部分抵消这一现象,使推进剂爆热值增加了338J/g; 降速剂能够抑制AP和HMX的热分解过程,使达到AlO辐射峰值前维持低强度的“平台段”; 而引入Al@HMX后,推进剂的点火延迟时间比基础配方减小49.4%; 在10～20MPa范围内两种降速剂均能有效降低推进剂燃速,在此基础上采用Al@HMX可使含季铵盐丁羟四组元推进剂20MPa下的燃速降低7.1mm/s(38.4%),压强指数降至0.25; 当降速剂作用于AP表面时,含质量分数1%季铵盐的推进剂在20MPa下燃速可降低5.0mm/s(27.3%)。

为了探讨富勒烯(C₇₀)作为催化剂用于偏二甲肼(UDMH)推进剂分解的可行性,采用密度泛函理论(DFT)研究了UDMH分子与C₇₀团簇分子的相互作用,分析了UDMH在C₇₀表面的吸附行为及分解路径,计算获得了UDMH在C₇₀存在时发生抽氢反应的活化能和反应热。结果表明,UDMH分子在C₇₀表面表现为两种吸附构型,主要发生物理吸附且吸附能较小,C₇₀分子的加入并未改变UDMH分解的初始和次级反应位点,在与NO₂抽氢反应时表现为在NH₂基团上依次发生。与纯UDMH分解相比,A、B两种吸附构型中UDMH分解初始基元反应的反应活化能分别下降了19.4kJ/mol、21.1kJ/mol,反应热分别降低了24.2kJ/mol和27kJ/mol。因此,C₇₀对于UDMH分解的前两步反应具有催化能力,能够促进UDMH的分解。

为了研究硼/硝酸钾(BPN)组分粒径对Slapper-BPN型爆炸箔爆燃点火器(EFDI)发火感度的影响,设计并制备了由不同粒径的硼粉和硝酸钾组成的多个BPN配方,采用激光粒度仪表征了硼粉的粒径,讨论了硼粉粒径数量分布和体积分布的特点; 通过扫描电镜(SEM)获得硝酸钾粒径对BPN药剂界面形貌的影响; 根据差示扫描量热法(DSC)数据,计算了不同配方BPN的指前因子、表观活化能、最低热解温度和热爆炸临界温度,分析了BPN组分粒径对其动力学性能的影响; 根据兰利法获得了不同配方BPN的临界发火电压及标准误差,讨论了BPN动力学性能和药剂界面形貌对其发火感度的影响。结果表明,BPN组分粒径主要从BPN的热分解性能和药柱界面形貌影响EFDI发火感度; BPN组分粒径变大,会使BPN药剂的最低热解温度变高,从而降低了EFDI发火感度; BPN组分粒径变小,改变了BPN药柱界面形貌,会使BPN药柱颗粒堆积更密实,减小药剂颗粒空隙,阻碍BPN的传火传热通道,在低密度装药条件下,会明显降低EFDI发火感度。因此,硼粉粒径一致性对低密度BPN发火感度的标准差具有一定影响。

针对一种四组元HTPB推进剂(HTPB/Al/AP/RDX)关键组分,基于第一性原理计算的数据集,使用深度神经网络模型开发了一个机器学习势函数; 基于新开发的势函数,建立了四组元HTPB推进剂燃面模型,并进行了大规模的分子动力学模拟计算,对推进剂燃烧时的微观结构、温度、反应组分的时空演化进行了系统统计分析。结果表明,新开发的势函数能够准确描述推进剂组分单质及两两之间界面的能量和受力特性,是一个高精度、高效率的机器学习势函数; 燃面模型实现了对推进剂燃烧过程中的AP、RDX、HTPB热解过程精准模拟,阐明了扩散火焰的形成机理以及铝粉从燃面剥离等微观过程,揭示了其中的各组分界面相互作用机制。表明分子动力学模拟能够在原子尺度上实现时间分辨的三维重建,进而获得推进剂燃烧的微观机理,可为固体推进剂的理论研究提供了新的工具。

为了改善高氯酸铵(AP)的热分解性能, 基于聚乙烯亚胺(PEI)本征的正电荷和氨基基团,在与负电荷AP发生静电自组装包覆的同时,吸附铜金属催化剂于AP表面,制备了AP/PEI/Cu(ClO₄)₂包覆样品,并通过DTA和TG-DSC等热分析技术研究了其热分解行为; 通过SEM、XPS、XRD、IR、ICP-OES和Zeta电位等测试手段对AP/PEI/Cu(ClO₄)₂包覆样品的形貌与结构进行了表征。结果表明,与原料AP相比,AP/PEI/Cu(ClO₄)₂包覆样品的高温分解峰温降低了94.2℃,表观放热量增加了512.91J/g,证实PEI/Cu(ClO₄)₂对AP的热分解具有良好的催化效果; PEI的加入能增强金属催化剂和AP的界面作用,使得催化剂更均匀地分布于AP表面,从而促使金属催化剂更好地发挥热分解催化作用。

以AP和铝粉为原料,采用“AP预处理+表面沉积”两步法工艺制备了以铝粉为“壳”的铝基核壳材料AP/Al; 采用SEM-EDS、粒度分析、密度测试等方法表征了AP/Al的表面形貌、元素分布、粒度分布和密度等物理特性,对比测试了铝基核壳材料AP/Al的感度性能、热分解性能、爆热及残渣活性铝含量并与AP/Al物理混合物进行了对比; 运用Flynn-Wall-Ozawa方程计算了AP/Al物理混合物及铝基核壳材料AP/Al的分解活化能,并通过高速摄像机记录了铝基核壳材料AP/Al的燃烧特性。结果表明,铝基核壳材料AP/Al是以AP为“核芯”、铝粉为“壳”,密度为2.0485g/cm³的类球形颗粒; 相比于物理混合物,铝基核壳材料AP/Al静电火光感度由27.94mJ提高至102.88mJ,AP低温分解和高温分解活化能分别提升10.9和9.0kJ/mol,爆热值未出现明显降低(物理混合物为9298.4J/g,铝基核壳材料AP/Al为9260.6J/g),但铝基核壳材料AP/Al残渣中活性铝质量分数降低90%以上; 有别于传统铝粉燃烧的拖拽火焰,铝基核壳材料AP/Al燃烧时,铝液滴溅射大量细颗粒铝珠,且燃烧火焰更加均匀、明亮。

以氟化锂/缩水甘油叠氮化物聚合物(LiF/GAP)为界面层对微米硼进行改性,研究LiF/GAP协同作用对硼粉热行为、燃烧性能和凝聚相燃烧产物的影响。结果表明,通过硅烷偶联剂处理后,硼粉表面黏结性得以提高,LiF能够较好地包覆在硼粉表面; GAP在400℃之前抑制了LiF与硼表面氧化膜的反应,使LiF的除膜效应延后至硼粉氧化增重阶段,从而将更多的活性硼暴露在空气中发生氧化,促进了硼粉的燃烧; LiF和GAP协同作用显著改善了硼粉的燃烧性能,尤其当LiF和GAP质量分数均为10%时,作用效果最为明显。此外,LiF和GAP协同作用有效抑制了燃烧过程中硼粉团聚,使其凝聚相燃烧产物粒径降低。