纳米碳材料对含硼铝热剂燃烧性能的影响

为改善含硼铝热剂的燃烧性能,在B/MoO₃体系中引入纳米片状石墨、碳纳米管、还原氧化石墨烯3种纳米碳材料。利用热流法测试了含硼铝热剂的导热性能;使用高速摄像机记录了含硼铝热剂的燃烧过程,并通过计算和分析得到了燃烧速率及其变化规律;采用金属桥带进行发火试验,测试铝热剂的临界发火电流。结果表明：添加3种碳材料能显著改善B/MoO₃铝热剂的导热性能,明显提高了燃烧速率,并降低了其临界发火电流;添加还原氧化石墨烯对铝热剂的影响最为明显,使得铝热剂导热系数提高258.3%,燃烧速率提高1 756倍,临界发火电流降低27.1%,证实还原氧化石墨烯显著改善了含硼铝热剂发火阈值高的问题。     

含不同形貌MoO3的Al/MoO3铝热剂的热性能和燃烧性能

不同形貌铝热剂在性能上有着很大的差异。为了探讨不同MoO₃形貌对Al/MoO₃铝热剂热性能和燃烧行为的影响,制备了Al/棒状MoO₃和Al/带状MoO₃铝热剂,采用场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、X射线衍射仪(XRD)和差示扫描量热仪(DSC)对其形貌和热性能进行了表征测试。DSC结果表明,Al/带状MoO₃铝热剂和Al/棒状MoO₃铝热剂释放的热量分别为1702 J·g^-1释放432 J·g^-1。Al/带状MoO₃铝热剂的初始反应温度为401.95℃,比Al/棒状MoO₃铝热剂的504.87℃提前102.92℃。通过非等温热力学分析,两种铝热剂的活化能(Ea)没有显著差异,但Al/棒状MoO₃铝热剂具有较高的热爆炸临界温度(Tb),说明其具有较高的安全性。在开放燃烧实验中,两种铝热剂的燃烧行为差异小,但当燃烧结束时,Al/带状MoO     

还原氧化石墨烯对B/KNO_3点火药撞击及静电感度的影响

采用Hummers法以鳞片石墨为原料制备出氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO),进一步热还原获得还原氧化石墨烯(reduced Graphene Oxide,rGO)。通过扫描电镜观测了还原前后材料的表观形貌,利用红外光谱分析对比了两种石墨烯衍生物片表面含氧官能团的变化,测试了含不同比例rGO的B/KNO_3点火药的热扩散系数和电阻率,依据GJB5891-2006测试了含rGO硼系点火药的特性落高、临界发火电压与50%发火能量。结果表明,添加1%～5%的rGO后,点火药导热系数由0.573 W·(m·K)~(-1)上升到0.620 W·(m·K)~(-1),电阻率由绝缘体下降到1.11×105Ω·cm;点火药的特性落高从42.3 cm上升到59.0 cm,临界发火电压从5 kV上升到25 kV,这表明,少量(5%最佳)rGO会显著改善点火药的撞击感度和静电感度。     

还原氧化石墨烯对B/KNO3点火药撞击及静电感度的影响

采用Hummers法以鳞片石墨为原料制备出氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO),进一步热还原获得还原氧化石墨烯(reduced Graphene Oxide,rGO)。通过扫描电镜观测了还原前后材料的表观形貌,利用红外光谱分析对比了两种石墨烯衍生物片表面含氧官能团的变化,测试了含不同比例rGO的B/KNO₃点火药的热扩散系数和电阻率,依据GJB5891-2006测试了含rGO硼系点火药的特性落高、临界发火电压与50%发火能量。结果表明,添加1%~5%的rGO后,点火药导热系数由0.573 W·(m·K)^-1上升到0.620 W·(m·K)^-1,电阻率由绝缘体下降到1.11×10⁵ Ω·cm;点火药的特性落高从42.3 cm上升到59.0 cm,临界发火电压从5 kV上升到25 kV,这表明,少量(5%最佳)rGO会显著改善点火药的撞击感度和静电感度。     

球形Al-25W合金燃料粉末的氧化行为与能量性能

为了获得热氧化与能量释放性能优异的新型合金燃料,采用铝热还原与超高温气雾化结合的方法,制备了球形铝钨合金燃料粉末(Al-25W),对其物相结构、氧化行为及能量性能进行了研究。结果表明,球形Al-25W合金粉末颗粒内部的亚稳态Al/W合金相均匀分布在单质Al基体中,且通过稳定化处理后亚稳态Al/W合金相转变为Al12W相,并对外释放能量。球形Al-25W合金粉末具有比单质Al粉更高的氧化放热量与氧化增重,能在1400℃空气中完全氧化,且W原子全部氧化为WO₃并以气态形式挥发,残留氧化产物仅为Al₂O₃。球形Al-25W合金粉末的实测体积燃烧焓超过单质Al粉的理论体积燃烧焓(83000 J·cm^-3),可达(83132.1±608.5) J·cm^-3,且剧烈燃烧时生成气态燃烧产物WO₃。     

纳米Al/Bi2O3制备和性能及长储研究

采用溶液法制备纳米Bi₂O₃颗粒,并用P4VP与Al粉自组装,获得分散均匀的纳米铝热剂Al/Bi₂O₃. 利用X-射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜（SEM）对其组成和形貌进行表征,运用差示扫描量热仪（DSC)、压力-时间曲线（p-t曲线）分析性能。自组装Al/Bi₂O₃的反应时间为0.036 s, 最大压力为4 729 kPa,达到最大气体压力的时间为0.162 s,表现出比Al/Fe₂O₃和Al/CuO反应更为迅速,产气量更大的性能特点。经过加速老化实验,Al和Bi₂O₃接触更紧密但无明显团聚;经老化处理,相当于常温下储存15 a时间,Al表面氧化层厚度由3.2 nm增加到4.6 nm,Al/Bi₂O₃放热量由1 112 J/g逐步降低到606 J/g,Al/Bi₂O₃用于半导体桥发火时间由37.20 ms增加到50.88 ms,发火能量由0.64 mJ增加到1.17 mJ.     

掺杂La2O3的Al/CuO铝热剂的反应特性

为了研究La₂O₃对Al/CuO铝热剂反应特性的影响,采用机械混合法制备了不同氧平衡状态,即当量比(φ)分别为1.0,1.4和1.8下的Al/CuO铝热剂,并分别掺杂2%,5%,10%,20%和30%的La₂O₃。利用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线能谱仪(EDS)、X-射线衍射仪(XRD)和差示扫描量热仪(DSC)分别对未掺杂和掺杂La₂O₃的Al/CuO铝热剂的微观形貌、元素种类、物相以及放热过程进行了研究,采用燃烧管实验、T-jump快速升温点火实验和密闭爆发器实验对其燃烧特性和产气性能进行了对比分析。结果表明,零氧平衡状态(φ=1.4)下,掺杂La₂O₃的Al/CuO铝热剂发生铝热反应的起始温度和峰值温度明显低于未掺杂La₂O₃的Al/CuO铝热剂;掺杂2%La₂O₃的Al/CuO铝热剂放热量为1772 J·g     

调制周期对Al/MoO3反应薄膜热性能和发火性能的影响

为了考察调制周期对反应薄膜性能的影响,采用磁控溅射技术制备了厚度为3μm,调制周期为50,150 nm和300 nm的Al/MoO3反应薄膜,采用差示扫描量热仪(DSC)探索了调制周期对Al/MoO3反应薄膜放热过程和反应活化能的影响;使用高速摄影和激光点火技术研究了三种调制周期反应薄膜的燃烧速率,通过与半导体桥和桥丝融合形成含能点火器件,考察了调制周期对电流和电压发火感度的影响。结果显示调制周期由50 nm增加到300 nm时,Al/MoO3反应薄膜燃烧速率由5.35 m·s^-1降低到1.75 m·s^-1。三种调制周期(50,150,300 nm)Al/MoO3反应薄膜半导体桥点火器件的50%电流发火电流分别为1.44,1.74 A和1.87 A;Al/MoO3反应薄膜桥丝点火器件的50%发火电流分别为0.08,0.65 A和1.02 A;将Al/MoO3反应薄膜与半导体桥和桥丝换能元结合形成点火器件,在点火间隙为1 mm的情况下,能够点燃钝感点火药硼-硝酸钾(B-KNO3)药片,提升点火系统的点火能力和可靠性。     

双基药燃烧产物热物性参数计算分析

为准确获得双基药燃烧混合气体生成物的热物性参数,求解火药燃烧产生的高温气体与身管内壁面的对流换热系数以及火炮发射过程中内壁面的温度,根据双基药组分,给出了火药燃烧化学反应方程式,计算得到燃烧生成物各组分的含量。基于已有的标准大气压下CO₂、CO、H₂O(g)、H₂和N₂的动力黏度、导热系数、比定压热容随温度的变化实测数据,采用最小二乘法拟合得到双基药燃烧混合气体生成物的热物性参数计算模型,并针对3种典型的双基药进行计算分析。结果表明：最小二乘法拟合得到的计算模型可以较好地应用于标准大气压下纯气体热物性参数的求解;气体的动力黏度、导热系数和比定压热容均随着温度的升高而增大;硝化棉含氮量越高,导热系数和比定压热容值越小,硝化棉含氮量对混合气体的动力黏度值影响较小,可忽略不计。     

Al-W合金燃料的氧化过程及性能提升机理

为阐明Al-W合金燃料氧化性能的提升机理,结合铝热还原与超高温气雾化法制备Al-20W与Al-30W合金燃料,并通过热重/差热热分析、X射线衍射仪、扫描电子显微镜/能量色散谱仪对其氧化过程进行研究。结果表明,Al-20W与Al-30W合金燃料均含有亚稳态Al/W合金相,随温度升高Al/W合金相的种类与形态发生转变。2种合金燃料具有优于单质Al燃料的氧化性能,分别在1300℃与1500℃完全氧化,氧化产物WO₃全部挥发。W的存在提升了Al-W合金燃料的氧化性能,机理为WO₃的挥发提供O₂扩散进入颗粒内部的通道;WO₃作为“氧运输船”向单质Al传输O,促进单质Al的氧化;WO₃发生进一步的化学反应,最终以气态形式挥发,促进含W相的氧化。     

氮化铝陶瓷的低温烧结研究

采用了三种复合添加剂Y2O3-CaF2、Y2O3-Dy2O3和Y2O3-Li2O,在1 650℃热压烧结AlN陶瓷;测定、分析了AlN陶瓷的性能和微观结构。结果表明,添加该三种复合助剂在低温烧结的AlN陶瓷晶格氧含量均较低,样品热导率较高,尤其是添加复合助剂Y2O3-CaF2可获得热导率为192 W.m-1.K-1的AlN陶瓷样品。     

石墨对TATB基PBX导热性能的影响

为有效调节TATB基高聚物粘结炸药(PBX)的导热性能,利用闪光导热仪研究了石墨包覆方式(内包和外包)、温度及石墨含量对TATB基PBX导热系数的影响,应用Agari模型分析了TATB基PBX的导热机制。结果表明,添加高导热石墨可改善TATB基PBX的导热性能。常温下,由内包和外包1%(质量分数)石墨改性的TATB基PBX配方的导热系数分别为0.572 W·(m·K)-1和0.697 W·(m·K)-1,显示,外包石墨包覆方式比内包石墨包覆方式更好。与不含石墨的TATB基PBX相比,内包1%和外包1%石墨的TATB基PBX的导热性能分别提高4.76%和27.66%。随温度升高,TATB基PBX及其石墨改性配方的导热性能逐渐降低。随着石墨含量增加,外包石墨改性的TATB基PBX的导热性能升高。外包2%(质量分数)石墨可使TATB基PBX的导热系数提高至0.786 W·(m·K)-1。TATB基PBX及由内包石墨改性的配方的导热机制符合串联模型,而由外包石墨改性的配方的导热机制介于串联模型和并联模型之间。     

TATB基PBX界面热阻研究及导热系数预测

为研究TATB基高聚物粘接炸药(PBX)中炸药晶体与粘结剂之间的界面热阻,采用在TATB单质药片上涂覆氟橡胶层的方法,制备了TATB基PBX单层界面样品,并通过纳米压痕法获得了界面样品氟橡胶层及界面层厚度,利用激光热导仪测得TATB/氟橡胶界面层在293,303,313,323,333 K下的导热系数分别为6.18×10~(-3),6.53×10~(-3),9.87×10~(-3),2.16×10~(-2),7.72×10~(-3)W·m~(-1)·K~(-1)。基于界面导热系数与热阻的关系,建立含界面热阻的PBX导热系数预测模型,获得了某型PBX导热系数理论值,理论计算结果与实测值吻合性较好。     

复合助剂Y2O3-CaC2对氮化铝陶瓷热导率的影响

为研究复合助剂Y2O3-CaC2的助烧机制和效果,试验分别在1700℃和1850℃热压烧结含添加剂Y2O3-CaC2的AlN陶瓷。测定了AlN陶瓷的密度和热导率,并分析了AIN陶瓷的微观结构及微观组织与宏观性能的关系。结果表明,添加复合助剂Y2O3-CaC2在1700℃和1850℃热压烧结的AlN陶瓷的第二相均为Y3Al5O12,但在1850℃烧结的AlN陶瓷的第二相和AlN晶内氧含量更低,其热导率高达223W/(m·K)。     

基于稳态法的材料热导率测量平台设计

在对稳态法测量材料热导率原理分析的基础上,设计制作了一套材料热导率测试装置。该实验装置克服了以往准稳态法测量热导率装置中存在的不足,同时开发出了适用于Windows环境运行的热导率测量软件。对热导率已知的三组样品(石英玻璃、聚苯乙烯、45钢)进行测量,验证该实验平台的准确性和良好的可操作性。验证测试结果表明,该实验平台对热导率介于1～10W/(m·K)的材料,测量值与文献参考值吻合得较好。测试实验平台可实现计算机数据采集和数据处理,操作简便,可重复性好,能够满足实际工程中热导率测量的需要。     

硼/超细硝酸钾点火药配方设计及工艺

为研究新型安全点火药配方及制备工艺,基于典型的硼/硝酸钾(B/KN O3)点火药配方,选用超细硝酸钾对其进行改性,采用手工混药法进行造粒,同时添加酚醛树脂或氟橡胶作为粘结剂,制备出B/KN O3造型粉,并测试了其火焰感度和静电感度。结果表明:随硝酸钾质量含量的减少,火焰感度升高,尤其外加2.5%酚醛树脂粘结剂的B/KN O3(50/50)火焰感度最高;而静电感度则降低,当B/KN O3配比一定时,添加相同的粘结剂氟橡胶比添加酚醛树脂更钝感。     

周期性环境条件下围护结构热物性对系统能耗及目标热控效果的影响

研究探讨了周期性环境条件下,围护结构材料的热物性对主动通风式热控系统的能耗和目标表面温度时间稳定性及空间均匀性等热控效果的影响。基于简化模型遍历分析了实际气象条件下,围护结构的导热系数和体积比热容两个关键参数对系统平均功耗及目标热控效果的影响,发现体积比热容的影响对材料导热系数的取值及进风温度与环境日平均温度相对高低有很强的依赖性。环境日平均温度高于或低于进风温度时,系统平均功耗及目标热控效果的主导因素为导热系数。环境日平均温度与进风温度接近时,在导热系数小于0.1 W/(m·K)的情况下,体积比热容对系统平均功耗及热控效果影响较小;但导热系数高于0.1 W/(m·K)时,增大体积比热容可降低系统平均功耗且提高目标表面温度时间稳定性及空间均匀性。     

衰减剂对AlN陶瓷热导率的影响

在AlN基相中加入衰减剂石墨粉及炭黑,采用热压工艺,制备复相微波衰减材料。通过矢量网络分析仪、SEM等测试手段,研究衰减剂C在基相中的微观存在形状和分布方式,同时研究保温时间对AlN-C复相材料的热导率的影响。结果表明,以球形孤岛状分布的炭黑使材料具有较高的热导率,达到116 W/(m.K);保温4～6 h为较佳的工艺条件。     

颗粒固结发射药作随行装药的应用研究

将颗粒固结发射药应用于随行装药技术,提出了一种新的随行装药方案。通过密闭爆发器与30 mm弹道炮试验,对该随行装药的点火延迟时间、力学强度、燃速和燃烧性能的稳定性进行了研究。结果表明,依托随行装药高力学强度,延迟机构可对随行装药点火延迟时间进行控制。初步验证了该随行装药的燃烧性能基本稳定。增加延迟机构的厚度、乙基纤维素(EC)含量,均可使随行装药点火延迟时间延长。增加随行装药的粘结剂含量、压制密度,均可使其力学强度增加、燃气释放速率降低。随行装药具有较高的燃速,粘结剂含量5%、压制密度1.5 g·cm-3时,随行装药燃速最大值是6/7发射药的46倍。主装药量113 g、延迟机构厚0.4 mm时,在最大膛压基本不变的情况下,随行装药在内弹道试验中的初速较标准弹丸初速增加73.3 m·s-1,增幅约8%。