纳米铁系金属粉和复合粉体的制备及对推进剂的催化性能研究

论文摘要

高能量高燃速固体推进剂是推进剂领域重要的发展方向,添加纳米金属粉作为燃烧催化剂是提高固体推进剂燃速和能量的有效方法之一。本文主要是针对固体推进剂用纳米金属粉催化剂的制备和应用来开展研究。本文系统地开展了铁系纳米金属粉的制备、表征、防氧化、分散技术及其在AP、ADN及固体推进剂催化应用等方面的研究,得出了一些创新性的结果。针对高纯度、高产率纳米金属粉体的制备及催化应用问题,本文在充分考察各种纳米金属粉体制备方法的基础上,基于等离子体自由弧温度高、活性高、温度分布集中的特点,以铁系金属Fe、Co、Ni为研究对象,主要采用等离子体方法制备了纯度高、平均粒径小,粒径分布均匀、团聚少的Fe、Co、Ni纳米粉体材料。不仅对纳米金属粉体的等离子体制备工艺参数进行了优化,而且从粉体质量控制因素及内在机理等多方面对制备过程进行了较系统的研究。首先,研究了等离子体法制备纳米粉体过程中氢气百分含量、电弧电流、气态总压等工艺参数对纳米粉体的产率及微观结构的影响,采用单因素工艺实验法探讨了主要工艺参数对粉体产率和粒度的影响规律。最终获得采用等离子体法制备铁系纳米金属粉体的优化工艺条件,利用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)、比表面分析(BET)等方法对所制备的纳米粉的晶型、形貌、粒径及比表面积等进行了研究,并对纳米金属粉的制备机理做了一些探讨。其次,利用化学还原法进行了纳米Co粉与CoB粉的制备研究,探讨了制备条件对金属粉质量与形貌的影响,并利用XRD、TEM等分析手段对所制备的样品进行了表征研究;对纳米Co粉和CoB粉的防氧化进行了研究,利用热重分析(TG)方法对其抗氧化效果进行了研究,对包覆前后的失重效果和催化效应进行了对比。另外采用微胶囊工艺开展了纳米Co粉在推进剂中分散技术的研究。最后,开展了采用等离子体法制备的纳米金属粉对复合固体推进剂及其所用的氧化剂高氯酸铵(AP)的热分解的催化效应的研究。将纳米金属粉分别添加到AP和AP/HTPB复合固体推进剂中,用DSC方法研究了铁系纳米金属粉对AP和AP/HTPB复合固体推进剂热分解的催化影响效果,根据热分解峰温和表观分解热的变化来评价催化效果。并将纳米金属粉应用于AP/HTPB复合固体推进剂中,研究其对固体推进剂的燃速和压强指数的影响。另外,进行了纳米Co粉对氧化剂ADN热分解催化性能研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 纳米金属材料特性及应用
• 1.1.1 纳米材料的主要特性
• 1.1.2 纳米金属材料的性能及应用
• 1.2 纳米金属粉制备技术的国内外进展
• 1.2.1 主要制备方法及其基本特点
• 1.2.2 现有制备技术中存在的问题及发展趋势
• 1.3 纳米材料在固体推进剂中的应用
• 1.3.1 纳米催化剂在固体推进剂中的应用现状
• 1.3.2 纳米金属粉在固体推进剂中应用的研究现状
• 1.3.3 纳米材料应用中存在的问题及解决方法
• 1.4 研究背景、思路和主要研究内容
• 1.4.1 研究背景
• 1.4.2 研究思路
• 1.4.3 主要研究内容
• 参考文献
• 2 铁系纳米金属粉及复合金属粉等离子法制备工艺研究
• 2.1 引言
• 2.2 纳米金属粉的氢电弧等离子法制备工艺研究
• 2.2.1 实验基本原理
• 2.2.2 基本的操作条件和工艺步骤
• 2.2.3 纳米金属粉的表征方法与手段
• 2.2.4 工艺参数对产率和粒度的影响
• 2.3 纳米金属粉的表征
• 2.3.1 纳米金属钴粉的表征
• 2.3.2 纳米金属镍粉的表征
• 2.3.3 纳米金属铁粉的表征
• 2.4 纳米复合金属粉的制备与表征
• 2.4.1 纳米复合金属粉的制备
• 2.4.2 纳米复合金属粉的表征
• 2.5 纳米金属粉的生成机理
• 2.5.1 气体蒸发中的蒸发机制
• 2.5.2 成核半径与晶核的形成能
• 2.5.3 氢的作用机制
• 2.5.4 晶核蒸发生长与凝聚生长
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 3 铁系纳米金属粉化学法制备工艺研究
• 3.1 引言
• 3.2 纳米金属Co粉的制备
• 3.2.1 实验试剂与仪器
• 3.2.2 方法原理
• 3.2.3 制备工艺过程
• 3.2.4 主要工艺参数对Co粉粒度及形貌的影响
• 3.3 纳米CoB非晶合金粉的制备
• 3.3.1 实验部分
• 3.3.2 结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 4 纳米金属粉防氧化及分散技术的研究
• 4.1 前言
• 4.2 纳米金属粉防氧化研究
• 4.2.1 纳米CoB复合粉的防氧化研究
• 4.2.2 纳米金属Co粉的Ag包覆
• 4.3 等离子体法制备金属纳米粉的表面防氧化
• 4.3.1 表面氧化的影响因素分析
• 4.3.2 表面防氧化的主要措施
• 4.3.3 表面防氧化效果
• 4.4 铁系纳米金属粉在高聚物中的分散方法研究
• 4.4.1 分散过程
• 4.4.2 分散实验结果与讨论
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 5 铁系纳米金属粉催化性能的研究
• 5.1 热分析样品的准备及测试方法
• 5.1.1 实验用试剂与仪器
• 5.1.2 纳米金属粉与氧化剂复合粒子的制备
• 5.1.3 AP/HTPB复合固体推进剂热分析样品的制备
• 5.1.4 分析测试方法
• 5.2 AP及AP/HTPB复合固体推进剂的热分解特性
• 5.2.1 AP的热分解特性
• 5.2.2 AP的热分解机理
• 5.2.3 AP/HTPB复合固体推进剂的热分解特性
• 5.3 纳米金属粉对AP及AP/HTPB催化性能研究
• 5.3.1 纳米Co粉的催化性能研究
• 5.3.2 纳米Ni粉的催化性能研究
• 5.3.3 纳米Fe粉的催化性能研究
• 5.3.4 催化性能的比较
• 5.3.5 纳米金属粉催化AP的热分解机理分析
• 5.3.6 纳米金属粉催化AP/HTPB推进剂热分解的机理分析
• 5.4 纳米Co粉对ADN热分解的催化性能研究
• 5.4.1 纳米Co粉催化ADN的热分析
• 5.4.2 分解过程动力学分析
• 5.4.3 纳米Co粉对ADN催化机理分析
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 6 纳米金属粉对AP/HTPB推进剂燃烧性能的影响
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.2.1 实验仪器
• 6.2.2 推进剂样品的制备
• 6.2.3 燃速测试方法
• 6.2.4 数据处理方法
• 6.3 铁系纳米金属粉对AP/HTPB推进剂的燃速和压强指数的影响
• 6.3.1 纳米Co粉及CoB复合粉对燃速和压强指数的影响
• 6.3.2 纳米Fe粉对燃速和压强指数的影响
• 6.3.3 纳米Ni粉对燃速和压强指数的影响
• 6.4 催化机理探讨
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 7 本文结论
• 7.1 结论
• 7.2 主要创新点
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表学术论文和编写著作情况