微反应器在含能材料合成中的应用及展望

目前传统的间歇制备过程由于受制于宏观尺度难以对工艺参数、产物结构及性能实现精准调控,导致产物的均一性差,制备过程存在显著的安全隐患。因此,如何实现含能材料的安全、可控和高效的制备已成为目前研究的热点。微反应器以其微型化、集成化、高度安全性和出色的传质传热效率等诸多优势,高度契合含能材料制备过程的需求。因此,微反应器技术逐渐引起了研究者的广泛关注,在含能材料制备中崭露头角。本文介绍了微反应器在危险化工合成过程及含能材料制备中应用的国内外研究进展,特别关注了其在单质含能材料和复合含能材料制备中的潜在应用,对未来的研究方向进行了展望,强调了未来微反应器技术领域的发展需求包括规模化生产、三废处理及智能化平台建设等。     

微反应技术在含能材料连续安全合成中的应用与发展

含能材料广泛应用于兵器工业、航空航天及民用建设等领域。其合成过程复杂、危险性高,传统釜式反应工艺难以满足产品质量和过程安全控制的要求。微反应技术具有热质传递速率高和安全性好等优点,在含能材料领域具有广阔的发展前景。为此,本文从微反应技术基本原理、含能化合物合成、含能颗粒材料制备和超声微反应器四方面展开综述,基于化学工程视角,阐释微化工技术在含能材料领域的应用特点。同时,总结并展望了技术领域的研究难点与未来发展方向,包括反应动力学/热力学、高黏/含固流体混合强化、反应放大与智能系统、三废处理及如何与人工智能等新兴学科结合等问题。     

烧结工艺对Ni/Al/W含能反应材料性能的影响

采用粉末冶金工艺制备Ni/Al/W含能反应材料,对比研究550℃烧结温度下烧结时间对Ni/Al/W含能反应材料密度、抗压强度以及显微组织的影响,并通过烧结样品DSC曲线计算得到不同烧结时间Ni/Al/W材料的反应放热量,分析烧结样品的反应放热特征。研究表明,烧结温度为550℃、烧结时间为1~3 h时,Ni/Al/W材料的密度先降低后升高,抗压强度先升高后降低,反应放热量不断减小;烧结时间为2 h时,Ni/Al/W含能反应材料具有相对较高的密度、强度和反应放热量,密度达到9.8 g/cm3,准静态压缩强度为1 150 MPa,反应放热量为121.2 J/g。     

魔芋葡甘聚糖含能材料的制备及表征

利用资源丰富的可再生天然高分子材料魔芋葡甘聚糖为原料,以发烟硝酸、浓硫酸、五氧化二磷为反应体系制备了不溶于水而在丙酮等有机溶剂中溶解性好的葡甘聚糖含能材料;并通过元素分析、FT-IR、SEM、X衍射、TG-DSC等对其含氮量、结构、和性能等进行了分析表征.结果表明: 新型的材料含有-ONO2基团,含氮量达13.59%,疏松的网络结构,结晶性增强,分解温度为161 ℃,有较大的放热峰,具有含能材料的性质.     

含能复合结构与提供化学能的方法

含能复合材料由彼此反应是放热的Ａ，Ｂ两种物质的薄层组成，用缓冲物的薄层ｂ隔开可反应物质的层，以防止没到希望反应的时候就发生反应。反应由外界作用，例如机械应力或电火花，来引发。这种含能材料被称为亚稳态填隐式复合物。     

螺旋微反应器内传热过程模拟仿真与尺度放大

为提升微反应器制备含能材料的热安全性,采用基于有限体积法的计算流体力学模拟仿真方法,对螺旋微反应器内结构参数对流动与传热的影响规律进行了研究。结果表明,在螺旋微通道中,连续流动的流体在离心力的影响下会产生连续的二次流扰动方向变化,有助于增强流体的传热性能。增大螺旋微反应器的曲率、减小无量纲螺距值和增大流体流速,能够有效提升努塞尔数和控制沿程阻力系数。螺旋微反应器的传热性能存在“放大效应”,当螺旋管管道半径放大到2.5 mm以上时,热阻系数增大,传热性能降低。将螺旋管的管道半径控制在2.5 mm,能够在维持较高传热性能的同时,使换热流体通量增大了25倍,且压降降低了98.9%。     

微纳米含能材料研究进展

微纳米含能材料由于其小尺寸效应、密实效应、高表面能与高表面活性,表现出优异的性能并获得良好的应用效果。基于国内外学者的相关研究工作,综述了当前微纳米含能材料制备所采用的重结晶技术、粉碎技术,以及微纳米含能材料的干燥技术、粒度与形貌表征方法、感度随粒度大小变化机理、应用方向及效果等方面的研究进展。指出微纳米含能材料今后应重点加强基础理论、模拟仿真、应用作用机制及工程化放大与实际应用等方面的研究工作,使微纳米含能材料尽快转入工程化应用,以加快高能固体推进剂、混合炸药、发射药以及火工烟火药剂的发展并提升其性能。     

压力对某些含能材料液态热行为的影响

利用常压差示扫描量热（DSC）和高压差示扫描量热（PDSC）的方法研究了HMX、RDX、TEGDN、TMETN、NG、PDADN、DATH、GAP和TNT等含能材料液态热分解时的分解放热焓、分解峰温在不同压力下的变化规律。结果表明，压力可以抑制这些含能材料的升华（挥发），从而使其分解放热焓增大，分解峰温相应发生后移，压力可以使某些含能材料（如TMETN、TEGDN、PDADN、DATH等）液态分解时的自催化反应，气相产物之间的二次反应，主侧链竞争分解等一系列反应加强，并使其分解表观活化能发生变化。含叠氮基（-N3）的化合物的压力抑制其升华（挥发）后，分解峰温不再受压力影响，其热行为呈现较特殊的规律。     

KCl无机盐晶化网络增强电泳沉积含能薄膜附着力

电泳沉积技术具有成膜快、薄膜均匀平整、对电极形状要求低、可控性好、成本低廉等优点,近年来在含能材料研究领域备受青睐。电泳沉积薄膜附着力差、硬度低,严重影响含能材料成膜质量。为改善电泳沉积含能薄膜附着力,开发一种便捷的后处理策略。将电泳沉积所得含能薄膜进行0.1 mol/L、0.2 mol/L、0.5 mol/L不同浓度的KCl溶液浸渍处理,并利用扫描电镜、X射线衍射仪、同步热分析仪、高速摄影机以及美国国家标准ATSM D 3359—17胶带法附着力标准试验方法,对比研究电泳沉积制得的含能薄膜无机盐浸渍处理前后形貌、组分、放热量以及附着力。结果表明：经过处理的Al/CuO含能薄膜表面负载了KCl,而且无机盐溶液在干燥过程中发生重结晶,致密地填充在含能材料粒子间缝隙而形成网络结构,从而将散乱分布的颗粒连接为一体,含能薄膜附着力由1级提升至3级;经过后处理的含能薄膜Al/KCl(0.2 mol/L)/CuO放热量为1 781 J/g,较处理前Al/CuO薄膜放热量1 617 J/g 增加164 J/g;KCl无机盐的填充增加了含能薄膜的致密性,使纳米粒子间接触紧密,提升了Al/KCl/CuO 体系放热量。     

信息动态

金属化含能材料因金属与含能材料的分解产物发生二次反应释放出大量的热,在炸药、推进剂、发动机的燃料等领域广泛应用.阐述了镁、铝、硼等金属化含能材料中金属和含能材料的反应特性研究及其应用前景.今后应加强基础理论研究,研究金属化含能材料中金属的钝化机理、钝化层的形成对含能材料反应的影响,获得其能量释放的时间-空间分布,为金属化含能材料的应用提供科学依据.     

反相胶束微反应器的特性与Fe_3O_4纳米微粒制备

利用电导率仪、差示扫描量热仪等手段，研究了水／琥珀酸二异辛酯磺酸钠／异辛烷反相胶束微反应器的结构和内核水的特性，并以此为微反应器，使ＦｅＣｌ３、ＦｅＣｌ２与ＮＨ４ＯＨ反应制备了Ｆｅ３Ｏ４纳米微粒。用透射电镜和紫外分光光度仪等对所得纳米微粒的特性进行了表征。     

氧化氰二聚环化：对称氧化呋咱衍生物制备的重要途径

分析了国内外构筑氧化呋咱环的几种常用方法.总结了氧化氰结构的制备方法及其优缺点,如羟肟酰氯与弱碱的作用、醛肟与氧化氮作用、肼钾盐与氧化剂作用等,以及由氧化氰二聚反应获得的具有不同对称结构的氧化呋咱衍生物.列举了部分对称氧化呋咱衍生物的性能,分析结果有望设计和合成性能良好的新氧化呋咱衍生物.     

一种基于化学反应优化和粒子群优化的混合型优化算法

针对现有化学反应优化算法存在的不足,提出一种基于粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO) 和自适应化学反应优化算法(adaptive chemical reaction optimization,ACRO)相结合的混合算法(a hybrid optimization based on ACRO and PSO,ACRO-PSO)。在ACRO 算法的领域算子基础上,融入PSO 算法的全局算子,加入权重系 数控制本地搜索和全局搜索的比例,修改分解反应合化合反应出现的时机,利用化合反应输出最优解,采用标准测 试函数对ACRO-PSO 进行性能分析。仿真结果表明,ACRO-PSO 算法能高效地解决待优化问题。     

点火增长反应速率方程在LS-DYNA软件中嵌入及应用

为了得到能够正确描述炸药的冲击起爆过程且易于标定的反应速率方程,将一种点火增长反应速率方程嵌入LS-DYNA软件,并模拟DNAN基熔注炸药的冲击起爆过程。通过对比计算压力曲线和实验压力曲线标定这种点火增长反应速率方程参数,进一步分析在LS-DYNA软件中嵌入点火增长反应速率方程的优点。结果表明：这种点火增长反应速率方程参数较少、易于标定;计算得到的4个传感器位置处冲击波到达时间与实验值相差不超过0.2 μs,该反应速率方程能够正确描述炸药的冲击起爆过程;反应速率方程嵌入LS-DYNA软件所采用的算法效率高,计算中每个网格的迭代次数不超过3次。     

微纳米铝粉的氧化动力学研究进展

微纳米铝粉发生氧化反应是其放热释能和老化失活的重要途径,分子动力学和反应动力学是阐明铝粉氧化反应的微观机制,为定量水平描述氧化反应进程提供了必要手段。按照反应体系的类型,将铝粉的氧化反应分为铝-氧、铝-水以及铝-其他氧化物反应体系,综述了近年来分子动力学和反应动力学在上述反应体系中的进展,对铝粉氧化动力学的机制及氧化壳层、粒径、原子扩散速率、温度和氧浓度等关键影响因素进行了讨论,展示了分子动力学和反应动力学方法在铝氧化行为研究中的灵活性和有效性。在此基础上,针对不同氧化反应体系亟待解决的重要问题进行了分析和展望,提出未来重点需解决多因素作用下的氧化动力学、铝-水(气态)反应动力学,以及深化铝-其他氧化反应动力学研究等问题。     

组元配比对高能球磨固态还原反应的影响

研究了两种球磨强度下不同铝含量的Al/CuO高能球磨固态还原反应.理想配比的Al/CuO的反应孕育期最短.偏离这一配比,孕育期增长,反应由燃烧式逐渐过渡到渐进式完成.球磨强度的提高能够扩大以燃烧式进行的组元配比范围.当铝含量超过理想配比中的比例,随Al含量增加,反应由单一还原反应向还原+合成反应模式转化,反应产物依次为Cu+Al2O3、Cu9Al4+Al2O3、CuAl2+Al2O3、Al(Cu)+Al2O3,并与球磨Al-Cu- Al2O3体系反应进行了对比.     

烟火药中Mg+H_2O与MgO+H_2O反应的竞争机理研究

为了明确氧化镁在含镁烟火药中作为安定剂的作用机理,对镁/水反应和氧化镁/水反应的竞争机理进行了研究。采用密度泛函B3LYP/6-311++G(d,p)方法优化反应路径中各驻点的几何构型,分析其电子结构并计算振动频率,确定过渡态和中间体,得到两种反应的反应势能曲线。对比发现氧化镁与水会先发生反应,在长贮中起到保护镁粉的作用。     

超空泡鱼雷推进系统相关问题设计初探

总结了超空泡鱼雷对推进系统的3个设计要求，通过超空泡鱼雷推进系统与传统推进系统比功率的对比，确定超空泡鱼雷推进装置的类型宜选喷射推进装置；计算确定了鱼雷航程与燃料比冲量及密度的关系，选择水反应金属作为主要燃料。对采用金属水反应发动机的超空泡鱼雷推进系统工作原理和控制方式进行了详细论述，提出使用启动药柱和涡流旋转燃烧室解决金属水反应发动机启动和持续反应的问题，通过改变超空泡鱼雷尾部喷嘴喷出气体的方向来控制鱼雷的航行姿态。研究表明，采用铝水反应发动机的喷射推进系统可以满足超空泡鱼雷推进系统的设计要求。     

PEG/IPDI与PEG/TDI固化反应动力学研究

用二正丁胺滴定法对聚乙二醇(PEG)/甲苯二异氰酸酯(TDI)和PEG/异氟尔酮二异氰酸酯(IPDI)反应体系分别进行了研究,得到了相应体系在不同温度下的反应速率常数和活化能;并探讨了PEG分子量、固化剂的活性、燃烧催化剂和温度等因素对固化反应动力学参数和活化能的影响。结果表明:异氰酸酯和PEG反应为二级反应;PEG/IPDI和PEG/TDI体系固化反应的活化能分别为46.89kJ.mol-1和41.12kJ.mol-1;两体系的反应速率常数随着固化剂的活性和温度的增加而变大。不同活性的固化剂和燃烧催化剂虽影响两体系的固化反应速率常数,但不影响反应级数。