科研训练说明书

1、科研训练说明书作 者:任天宇学 号：9学 院:化学与化工学院专业(方向):特种能源与技术工程题 目:多元铝热剂微球燃烧增强机理研究指导者： 姜炜 (姓 名) (专业技术职务) (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 年 月声 明我声明，本毕业设计说明书及其研究工作和所取得的成果是本人在导师的指导下独立完成的。研究过程中利用的所有资料均已在参考文献中列出，其他人员或机构对本毕业设计工作做出的贡献也已在致谢部分说明。本毕业设计说明书不涉及任何秘密，南京理工大学有权保存其电子和纸质文档，可以借阅或网上公布其部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权保存、借阅或网上公布

2、其部分或全部内容。学生签名：年 月 日 指导教师签名：年 月 日科研训练说明书中文摘要 本文基于静电喷雾原理研发了纳米含能材料复合颗粒制备技术,并对其工艺参数进行了优化设计和实验验证。基于该技术,制备了纳米铝粉纳米氧化铜硝化纤维的纳米含能材料复合颗粒。对复合物颗粒的形貌及尺寸、热分解特性、燃烧压力和速度、点火温度等进行了系统的表征。并对相关结果进行了讨论与分析。为进一步提高纳米含能材料在推进剂、炸药及烟火剂中的应用效能打下了基础,为开发新型含能材料提供了一个可行的技术手段。关键词 纳米铝热剂 静电喷雾法 硝化纤维科研训练说明书外文摘要Title Study on the combustion

3、enhancement mechanism of multi-aluminum heat agent microspheres AbstractBased on the principle of electrostatic spray, the paper develops the preparation technology of nano-energy-bearing material composite particles, and optimizes the design and experimental verification of its process parameters.

4、Based on this technology, nano-energy-containing composite particles of nano aluminum powder/nano copper oxide/nitrification fiber are prepared. The shape and size of composite particles, thermal decomposition characteristics, combustion pressure and speed, ignition temperature, etc. are systematica

5、lly characterized. The results are discussed and analyzed. In order to further improve the application efficiency of nano-energy-containing materials in propellants, explosives and pyrotechnics, it provides a feasible technical means for the development of new energy-bearing materials.Keywords Nano

6、aluminum heater, Electrostatic spray method，nitrocellulose目 次1 引言 12 静电喷雾法制备Al/CuO纳米复合含能材料 32.1 前驱液的制备 32.2 静电喷雾法制备CuO/Al 33 产物的表征 43.1 产物的XRD表征 43.2 产物的形貌表征 63.3 产物的热性能表征 83.4 产物的热重分析9结论 91 引言纳米铝粉是常用的金属燃料，然而，纳米铝粉在应用中也有很多的缺点，其易发生团聚;易氧化从而在表面形成钝化层;纳米铝粉又有很高的静电感度，在制备、运输、存放、使用中存在很大的安全隐患。为改善其性能，研究者通过包覆改性的

7、方法制出纳米铝粉复合材料，在一定程度上解决了上述问题。还可利用含能聚合物将纳米含能材料颗粒组装成微米大小，以期减少其燃烧前团聚、燃烧后烧结及粘度大处理困难的问题。与此同时， 又仍可保持其纳米颗粒的优异燃烧性能。1.1 静电喷雾法概述静电喷雾，又称电流体驱动雾化。是一种利用静电场力将炫融液体或者液体溶液分散、破碎成微小液滴的方法。通常情况下 ，较高的电压通过较细的玻璃或金属管加载到管内的液体上。适当条件下，液体会流出管端并形成泰勒椎，尾端形成射流状细线并发生雾化，而液滴则从细线尾端被逐滴快速释放。静电喷雾是基于液滴表面能存在的电荷数有一定极限，从而在库伦排斥力的作用下破碎成小液滴这一基本原理。1

8、.2 静电喷雾法制备含能材料通过静电喷雾法制备高体积能量密度的铝热剂微球，并进行性能表征，研究其机理。与较物理混合法制备的纳米铝热剂相对，基于静电喷雾法制备的多元铝热剂微球表现出优异的燃烧性能，然而，目前对其燃烧增强机理尚不明确，因此，本项目拟探索多元微球燃烧增强机理，为多元微球的应用提供理论基础。1.2.1 主要药剂表1 主要药剂药品名称分子式规格生产厂家纳米铝粉Al50 nm上海比客新材料科技有限公司纳米氧化铜CuO40 nm上海Aladdin公司丙酮（Acetone）C3H5O99.5%国药集团化学试剂有限公司N,N-二甲基甲酰胺（DMF）C3H7NO99.5%国药集团化学试剂有限公司正

9、己烷C6H1497.0%国药集团化学试剂有限公司聚偏氟乙烯（PVDF）-(CH2-CF2)n-Mw53400国药集团化学试剂有限公司1.2.2 主要仪器表1 主要药剂仪器名称型号生产厂家超声波清洗器KQ2200DA昆山市超声仪器有限公司电子分析天平AB104-N瑞士Mettler Toledo 公司恒温磁力搅拌器MS-H340-S4美国SCILOGEX公司静电喷雾仪HD-2535北京永康乐业科技发展有限公司2 静电喷雾法制备Al/CuO纳米复合含能材料2.1前驱液的制备量取20mg的NC置于样品瓶中，用移液枪加入1ml的DMF，再加入1ml的丙酮。搅拌15min，超声30min。取77.52m

10、g的纳米Al铝粉加入样品瓶，再加入0.5ml的DMF，搅拌15min，超声30min。称量302.48mg的纳米CuO加入样品瓶。再加入0.5mlDMF，搅拌15min，加入1ml DMF,超声1h。最后搅拌24h完成前驱液的制备。2.2静电喷雾法制备CuO/Al将配置好的前驱液加入5 mL注射器中（针管编号为17），推注速度分别为 0.275 mm/min。0.412 mm/min。0.550 mm/min。向注射器和厚制铝箔间施加 19kV的高压电场，对制备的前驱体溶液分散，针尖顶端的液体会战胜表面张力形成喷射状细流，喷射过程中溶剂得到挥发，最后在厚制铝箔上收集到CuO/Al固体。三支样品

11、分别喷雾时间为1h30min左右58min左右80min左右。通过改变纳米Al粉的质量分数、喷射速度，得到不同形貌的反应产物。3.产物的表征3.1产物的XRD图像 图3.1 推注速度0.275mm/min的XRD图图3.2 推注速度0.412mm/min的XRD图图3.3 推注速度0.550mm/min的XRD图图3.4 不同推注速度的Al/CuO复合铝热剂燃烧后产物的X射线粉末衍射分析图谱，其中CuO的JCPDS号码为01-080-1916 分析：在XRD图谱中明显可以看出，在35与39左右，有两个尖锐的峰，其中在35的峰为CuO，而在39的峰为Al。而在45左右有一个镍化铁的峰，很有可能是

12、在处理样品时混进的杂质。3.2产物的形貌表征利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信息。通过对这些信息的接受、放大和显示成像，获得测试试样表面形貌的观察，这是SEM的工作原理，所以采用SEM和TEM进行样品表面形貌表征。 图3.5 推注速度0.275mm/min的SEM与TEM图 图3.6 推注速度0.412mm/min的SEM与TEM图 图3.7 推注速度0.550mm/min的SEM与TEM图 分析：三组样品的粒度为100000X。从三组样品的SEM与TEM图可以看出三组CuO/Al复合纤维的微粒直径在大约50nm到200nm之间。明显可以看出推注速度0.275mm/mi

13、n的样品，相较于推注速度0.412mm/min的样品与推注速度0.550mm/min的样品，其每一个纤维的独立性更好，发生的团聚情况较少。故从电镜扫描可以看出推注速度0.275mm/min的样品的微粒形貌较为理想。3.3产物的热重分析接下来对三个样品分别进行热重测试分析图3.8 推注速度0.275mm/min的热重曲线图3.9 推注速度0.412mm/min的热重曲线图3.10 推注速度0.550mm/min的热重曲线由上述热重分析可以得出，三个不同推注速度的样品都在温度为170左右开始失重，并且基本在330左右达到质量的最低点，损失质量百分数都在8%-10%之间，其中推注速度为0.412mm

14、/min的样品质量损失略微多一点。从图像中可以看出，推注速度为0.275mm/min的样品在330后质量增大，基本上随着温度的升高而增大，最后达到了原质量的97%左右。而推注速度为0.412mm/min的样品在330后质量趋于平稳，直到510左右质量再次下降，620时降至最低，质量为原质量的89%左右，而后质量缓慢升高恢复到原质量的91%左右。此外推注速度为0.550mm/min的样品在330左右质量降至最低，到620期间一直趋于平稳，温度高于620后质量缓慢上升，最终恢复到原质量的94%左右。再看热流曲线，推注速度为0.275mm/min的样品在520和990处相较于另外两组样品有两个更为明

15、显尖锐的峰。综上所述，推注速度为0.275mm/min的样品的性能更为良好稳定一些。3.4产物的热性能表征对三个样品分别取20mg药量，放于坩埚上，给镍铬合金丝10kV的电压，产生大量热量点燃样品。利用光传感器获取光信号，将传感器与示波器相连获得如下波形图。 图3.11 不同推注速度下的CuO/Al点火燃烧光信号曲线通过简单点火实验，三组不同的样品我们得到了三条不同的曲线数据，如上图所示。通过对比图像明显可以看出，推注速度为0.275mm/min的样品的最大点火电压达到了3.0V左右，而点火延迟时间为0.2s左右。推注速度为0.412mm/min的样品的最大点火电压在3.0V左右，点火延迟时间

16、在0.3s左右。而推注速度为0.550mm/min的样品的最大点火电压3.0V左右，点火延迟时间在0.4s左右。综上所述 ，0.275mm/min为最佳推注速度，该推注速度下的样品点火性能最好。结 论静电喷雾法工艺简单，实验参数易调节，实验产物结构形态可控，可以有效抑制单一纳米粉体颗粒的团聚，提高分散性，并且能避免有机溶剂、乳化剂的大量使用，是一种绿色环保新型材料成型方法。采用静电喷雾法制备样品主要分为两个步骤，一是前驱液的制备，二是向装有前驱液的注射器与接收板之间施加高压电场对制备的前驱体溶液分散，液体会形成喷射状细流，喷射过程中溶剂得到挥发，最后在接收板上收集到类似于非织造布形态的复合纤维

17、。在制备样品过程中有以下难点：前驱液的性质极大影响了实验结果，在前驱液的制备中有以下难点：一般情况下制备的前驱体溶液为悬浮液，若是前期准备工作不足，喷射过程中不均匀的溶液极易导致实验失败，造成注射器喷头堵塞或者直接喷射出大液滴。故在前驱体溶液的制备过程中，超声和搅拌时间的选择应尽可能长一些，为了验证溶液是否混合均匀，可以将溶液静置一段时间，如若样品有明显的分层则实验必定失败。在喷雾的过程中，工艺参数（注射器针头内径大小、针头和接收板两端施加的工作电压、前驱体溶液的进料速度以及样品的接受距离）的变化也会影响样品的形态：1.工作电压和接受距离的变化会引起电场强度的变化，从而影响射流的拉伸及纤维产物的结构和长径比2.进料速率对泰勒锥的形成和射流的连续性有显著影响，在保证射流连续形成的基础上，直径随着进料速率的增大而减小。温度、湿度和气压等环境因素（主要是温度）会影响溶液的溶解度以及溶剂的挥发速率，对产物的形态也会产生影响，实验过程中应尽量保证相同的实验环境。静电纺丝法工艺简单，实验参数易调节，实验产物结构形态可控，可以有效抑制单一纳米粉体颗粒的团聚，提高分散性，并且能避免有机溶剂、乳化剂的大量使用，是一种绿色环保新型材料成型方法。通过对比超声物理混合制得的CuO/Al和静电喷雾法制得的CuO/Al我们可