富勒烯在新型高能燃料中的燃烧机理

论文摘要

NEPE推进剂是新型的硝酸酯增塑聚醚固体火箭推进剂。它集中了双基推进剂和复合推进剂的优点,属于新型高能燃料,不仅能量高、低温延伸率大,而且工艺性能、安全性能也较好,超过了现有的各种推进剂,是国际上现装备中能量最高的品种之一。但其在燃烧性能方面存在一些亟待解决的问题,特别是压强指数较高,能量性能与燃烧性能之间的矛盾,燃速与压强指数之间的矛盾,尚无有效的解决方法。燃烧机理的独特性,使得已有的双基或复合推进剂燃烧机理对它失效。以C60为代表的富勒烯系列催化剂是近年来应用较广的催化剂材料之一,独特的封闭球状结构使得它们在许多方面都具有十分优良的催化性能,它们作为燃速催化剂在固体火箭推进剂中也有着十分显著的效果。本论文研究了以C60为代表的富勒烯对NEPE推进剂中主要氧化剂、粘合剂的热分解机理以及对推进剂燃速和压强指数的影响,发现少量的富勒烯灰（FS）催化剂就可以有效催化高氯酸铵（AP）热分解,抑制聚乙二醇（PEG）老化等。同时,获得了能有效降低RDX/AP-CMDB推进剂压强指数的0.5%FS/2.5%邻苯二甲酸铅（φ-Pb）/0.5%己二酸铜（J-Cu）复合催化剂配比,以及具有较高能量、较高燃速和较低压强指数的AP+PEG/硝化甘油（NG）/1,2,4-丁三醇三硝酸酯（BTTN）+2%FS推进剂配方范围。（1）通过富勒烯和炭黑（CB）催化剂对推进剂中氧化剂AP热分解影响的实验研究发现,5%FS使得AP的起始分解温度（T0）,低温分解峰温（TL）和高温分解峰温（TH）分别提前了32℃,34℃和45℃,而5%EFS和5%C60对AP的T0,TL和TH影响都较小。5%CB使得AP的T0,TL和TH分别降低了11℃,27℃和44℃。通过FS和CB含量对AP热分解影响的研究结果可以看出,FS和CB对AP热分解都表现出了很好的催化作用,相对而言,FS的催化效果更好一些。3%FS就可以明显促进AP的起始分解,低温分解和高温分解过程,随着FS含量的提高,催化作用更加明显,当FS含量增加到8%时,AP的高低温分解过程发生重合。3%CB不影响AP的起始分解阶段,抑制了AP的低温分解阶段,但5%,8%和10%CB均促进了AP的起始分解,低温分解和高温分解过程。同样,当CB含量增加到8%时,AP的高低温分解过程发生重合。（2）通过对AP+5%FS和AP+5%CB的热分解动力学研究可以看出,5%FS和5%CB均使得AP的高温热分解活化能明显降低。5%FS和5%CB使得AP的高温热分解活化能分别降低了约37%和34%。两种催化剂均使AP高温热分解反应的指前因子显著增加,说明催化剂能明显增加活化分子在总反应分子数中的百分比。所有催化剂均可以降低AP的着火温度,特别是5%FS可以使AP的着火温度下降47.4℃,而5%EFS,5%C60和5%CB可以使AP的着火温度分别降低5.6℃,9.7℃和12.3℃。（3）通过对富勒烯（或CB）/φ-Pb复合催化剂对AP热分解特性影响的实验研究发现,所有复合催化剂均使AP的起始分解温度显著提前,其中FS/φ-Pb复合催化剂对AP的起始分解过程催化最为明显,5%FS/φ-Pb使得AP的起始分解温度提前约40℃,随着FS含量从5%提高到10%,AP的起始分解温度也相应提前约8℃,但随着FS含量的进一步升高,AP的起始分解温度几乎保持不变。通过复合催化剂对AP恒容燃烧热影响的结果可以看出,相对于纯AP来说,70%AP/15%φ-Pb/15%FS和70%AP/15%φ-Pb/15%CB的恒容燃烧热分别增加了约146%和115%。（4）富勒烯（或CB）催化剂对奥克托金（HMX）和六硝基六氮杂异戊兹烷（CL-20）的热分解特性研究结果显示,5%FS可以使得HMX的起始分解温度提前46℃,15%FS可使得HMX的分解峰温提前约15℃,而其它催化剂对HMX的热分解影响均不明显。FS使得CL-20的起始分解、分解峰温和分解结束温度都明显提前。纯CL-20的热分解和载气气氛没有关系,而氮气环境比空气环境更有利于FS对CL-20热分解的催化作用。（5）根据富勒烯对推进剂中粘合剂端羟基聚丁二烯（HTPB）热分解和裂解特性影响的实验研究可以看出,HTPB的热分解动力学特性仅取决于HTPB的主链结构。应用裂解-气相色谱/质谱联用技术分析了HTPB的主要裂解产物,发现在280,320,350和380℃四个不同的裂解温度下,HTPB的裂解产物中都含有4-乙烯基-1-环己烯、苯乙烯等16种产物。对缩水甘油叠氮聚醚（GAP）的热分析实验结果显示,10%FS不影响GAP的低温分解过程,当FS含量增加到30%和50%后,GAP的低温分解峰温分别提前6℃和9℃。（6）根据富勒烯对PEG热分解、原位升温红外光谱和裂解-气相色谱/质谱研究可以看出,FS使得PEG的起始分解温度和最大失重速率处的温度都有明显升高,同时也提高了PEG气相分解的温度,FS抑制了PEG的分解,它和PEG之间没有发生化学反应,没有生成新的具有红外吸收的官能团,它们之间仅仅是范德华力的作用。FS并没有从根本上改变PEG的分解机理,仅使得PEG的热分解峰温显著增加。FS对PEG的凝聚相分解过程影响并不明显,但使得PEG的气相分解温度明显升高,这主要是由于FS吸附的PEG气相分解产物覆盖了PEG的分解活化中心,从而抑制了PEG的气相分解。（7）通过富勒烯（或CB）/φ-Pb/J-Cu复合催化剂对RDX/AP-CMDB推进剂催化作用的实验研究可以看出,富勒烯/φ-Pb/J-Cu复合催化剂对RDX/AP-CMDB推进剂的热分解过程影响不大,只略微促进了RDX/AP-CMDB推进剂中硝化棉（NC）的固相分解以及RDX的液相分解。富勒烯/φ-Pb/J-Cu复合催化剂均使得RDX/AP-CMDB推进剂的恒容燃烧热略有降低,相对于不同的催化剂来说,推进剂的恒容燃烧热可表示如下:HX-013（EFS）＞HX-014(C60)=HX-009（CB）＞HX-011（FS）。0.5%FS/2.5%φ-Pb/0.5%J-Cu使得推进剂HX-010的压强指数从基础配方的0.77降到0.64,降低了20%,在所有的催化剂组合中最为有效。（8）通过FS对AP+GAP/NG/BTTN,HMX/AP+GAP/NG/BTTN和AP+PEG/NG/BTTN,HMX/AP+PEG/NG/BTTN推进剂的热分解、恒容燃烧热和燃速的影响结果可以得出,HMX有利于推进剂热分解过程,而AP则有利于推进剂燃速的提高。对于HMX/AP+GAP/NG/BTTN和HMX/AP+PEG/NG/BTTN推进剂来说,2%FS均比1%FS+1%PbO催化剂对推进剂的热分解和恒容燃烧热有利。其中对于AP+GAP/NG/BTTN和HMX/AP+GAP/NG/BTTN推进剂来说,2%FS可使它们的恒容燃烧热分别增加321 J·g-1和851 J·g-1;而对于AP+PEG/NG/BTTN和HMX/AP+PEG/NG/BTTN推进剂来说,2%FS可使它们的恒容燃烧热分别增加201 J·g-1和153 J·g-1。特别是对于AP+PEG/NG/BTTN推进剂来说,用2%FS取代1%FS+1%PbO催化剂,在2.94MPa、4.90MPa、6.86MPa和8.83MPa压强下分别使推进剂的燃速增加78.4%、72.2%、55.5%和50.2%。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 选题的背景和意义

1.2 文献综述及研究现状

1.2.1 富勒烯的研究进展

1.2.1.1 富勒烯的制备

1.2.1.2 富勒烯的性质

1.2.1.3 富勒烯的催化作用

1.2.1.4 富勒烯在新型高能燃料中的燃烧机理

1.2.2 高能固体推进剂的主要组分

1.2.2.1 氧化剂

1.2.2.2 粘合剂

1.2.2.3 增塑剂

1.2.2.4 金属燃烧剂和其它添加剂

1.2.3 高能固体推进剂的燃烧机理概述

1.2.3.1 国外高能固体推进剂的燃烧机理研究

1.2.3.2 国内高能固体推进剂的燃烧机理研究

1.3 研究内容和预期结果

1.3.1 研究内容

1.3.2 预期研究结果

1.4 研究方法

1.5 论文结构安排

第2章富勒烯对氧化剂热分解特性的影响

2.1 引言

2.2 实验

2.2.1 仪器

2.2.2 样品

2.3 结果与分析

2.3.1 催化剂比表面积的表征

2.3.2 富勒烯和炭黑添加物对AP热分解特性的影响

2.3.2.1 AP催化热分解的研究进展

2.3.2.2 富勒烯和炭黑催化剂对AP燃烧特性的影响

2.3.2.3 铅-富勒烯复合催化剂对AP热分解的影响

2.3.3 富勒烯和炭黑添加物对HMX热分解特性的影响

2.3.3.1 HMX热分解的研究进展

2.3.3.2 富勒烯和炭黑催化剂对HMX热分解影响

2.3.4 富勒烯和炭黑添加物对RDX热分解特性的影响

2.3.4.1 纯RDX的热分解特性

2.3.4.2 FS和炭黑催化剂对RDX热分解的影响

2.3.5 富勒烯和炭黑添加物对CL-20热分解特性的影响

2.3.5.1 纯CL-20的热分解特性

2.3.5.2 FS对CL-20热分解的影响

2.4 结论

第3章富勒烯对粘合剂热分解特性的影响

3.1 引言

3.2 富勒烯对HTPB的影响

3.2.1 纯HTPB的热分解机理

3.2.2 富勒烯和炭黑对HTPB燃烧特性的影响

3.2.2.1 富勒烯和炭黑对HTPB热分解的影响

60对HTPB裂解产物的影响'>3.2.2.2 C₆₀对HTPB裂解产物的影响

3.3 富勒烯对 GAP热分解的影响

3.3.1 纯GAP的热分解

3.3.2 升温速率对GAP热分解的影响

3.3.3 FS含量对 GAP热分解的影响

3.3.4 升温速率对含FS的GAP样品热分解的影响

3.4 富勒烯对PEG热分解和裂解-GC/MS结果的影响

3.4.1 FS对PEG热分解的影响

60的GC-MS检测结果'>3.4.2 PEG和 PEG+10% C₆₀的GC-MS检测结果

3.4.3 PEG和 PEG+10% FS的原位升温红外光谱

3.5 结论

第4章富勒烯对 NEPE推进剂燃烧特性的影响

4.1 引言

4.2 推进剂组成和实验

4.2.1 推进剂组成

4.2.2 推进剂的热分析实验条件

4.2.3 恒容燃烧热的测量

4.2.4 燃速和燃速压强指数测定

4.2.5 火焰形貌观测和CCD图像采集分析

4.2.6 熄火表面的形貌分析

4.3 结果与分析

4.3.1 富勒烯对RDX/AP-CMDB推进剂燃烧特性的影响

4.3.1.1 推进剂样品的热重分析实验

4.3.1.2 推进剂样品的差示扫描量热结果

4.3.1.3 推进剂样品的恒容燃烧热测量

4.3.1.4 推进剂样品的燃速和压强指数测量结果

4.3.1.5 推进剂火焰的近距摄影照片

4.3.1.6 推进剂熄火表面的SEM图像

4.3.2 富勒烯对HMX/AP+GAP/NG/BTTN推进剂燃烧特性的影响

4.3.2.1 HMX/AP+GAP/NG/BTTN推进剂的热重实验结果

4.3.2.2 HMX/AP+GAP/NG/BTTN推进剂的恒容燃烧热实验

4.3.3 富勒烯对HMX/AP+PEG/NG/BTTN推进剂燃烧特性的影响

4.3.3.1 HMX/AP+PEG/NG/BTTN推进剂的热重实验结果

4.3.3.2 HMX/AP+PEG/NG/BTTN推进剂的恒容燃烧热实验

4.3.3.3 推进剂样品的燃速和压强指数测量

4.4 结论

第5章创新性研究和结论

5.1 富勒烯-铅盐之间相互作用的探讨

5.1.1 铅-炭复合催化剂的催化机理

5.1.2 富勒烯-铅盐催化剂的应用前景分析

5.1.3 实验部分

5.1.3.1 实验设计

5.1.3.2 实验结果与分析

5.1.3.3 结论

5.2 本研究的创新点

5.3 后续研究的建议

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

致谢

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