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“沙子”也能促进含能材料燃烧?(二)

已有 2668 次阅读 2018-12-22 11:15 |个人分类:含能材料与安全|系统分类:科研笔记| 含能材料, 二氧化硅, 分解, 促进燃烧

(二)其次,我们还测试了二氧化硅对铝/高氯酸铵体系燃烧的影响。
为了让高氯酸铵跟二氧化硅接触绝对紧密,同时又能获得较为均一的球形颗粒,我们利用喷雾干燥(Spray-drying)的方法将两者复合到一起。把高氯酸铵溶解于二氧化硅水溶胶中,然后利用喷雾干燥就能得到二氧化硅/高氯酸铵复合颗粒。通过改变二氧化硅的含量,可以改变颗粒内部孔隙的大小,从而改变高氯酸铵的结晶大小,这一点也从粉末衍射的结果可以得到证实。二氧化硅含量高的复合物高氯酸铵的峰更矮更宽。

把这些二氧化硅/高氯酸铵复合物与铝粉进行混合,然后对其燃烧特性进行表征。这里采用的是密闭的燃烧罐,定量25mg,可以同时出压力-时间曲线和光强-时间曲线。从下图可以看出,总含量7%二氧化硅的Al/AP复合含能材料,点火后产生的压强(气体释放能力)是不加二氧化硅的二倍多,压强上升速率是原来的五倍之多。于此对应,25mg的样品的总燃烧时间则是之前的1/3。

从上面的结果可以看出,二氧化硅的确促进了Al/AP的燃烧,这与前面的文献结果一致。那么对于AP而言,二氧化硅有没有促进其分解的作用呢?我们用热重-差热分析仪对AP和AP/SiO2进行了测试,AP还是典型的高低温分解两阶段。而有二氧化硅的AP起始分解温度提高,同时结束温度提前,也就是说,在二氧化硅的促进下,AP分解更快了,DSC中也显示了只有一个高温分解阶段的放热峰。

我们还利用时间飞行质谱对快速升温下AP和AP/SiO2的分解产物进行了表征,发现有二氧化硅的气体产物的释放均为单峰。也就是说AP两步分解被加速成一步高温分解。

利用快速加热丝对Al/AP(含二氧化硅与不含二氧化硅)点火测试发现,有二氧化硅的Al/AP点火温度低100度,而且反应更强烈,火焰更大更明亮。

利用飞行时间质谱测试其反应产物,发现Al/AP释放氧气以及ClO2的最高点位于400度左右。而包含二氧化硅的Al/AP释放氧气以及ClO2的最高点位于600度左右。而我们知道铝一般的点火温度位于660摄氏度左右,即其熔点附近。AP过早释放氧化性气体不能使铝提前发生反应,从而造成这部分氧化性气体浪费。而加了二氧化硅以后,AP开始释放氧化性气体的温度得到了延后,正巧位于铝能够发生剧烈反应的温度区间,从而加速了反应性。这一点从TG/DSC以及后来的飞行时间质谱都可以得到证实。

因此,对于二氧化硅促进AP分解以及促进Al/AP燃烧的研究,我们提出下图的反应机理:
Al/AP中的AP具有典型的低温和高温分解阶段,其中低温阶段释放的氧化性气体由于温度过低,铝粉不能发生反应,产生浪费。添加了二氧化硅以后,Al/AP没有低温分解步骤,而只有一步很快的高温分解步骤,这个时候温度刚好,铝粉与快速释放的氧化性气体发生反应,从而加速了燃烧。

二氧化硅催化AP分解的原因,推测可能是AP分解的NH3(被认为是覆盖到AP表面从而影响其进一步分解,直至高温阶段解吸附)被多孔的二氧化硅吸收,因此AP能够略过低温分解步骤。再加上多孔的二氧化硅锁住了气体产物的释放(没有在低温看到失重),直至高温阶段二氧化硅结构崩塌,从而全部快速一步分解。

敬请参考:
【1】Wang, H., Rehwoldt, M.C., Wang, X., Yang, Y. and Zachariah, M.R., 2019. On the promotion of high temperature AP decomposition with silica mesoparticles. Combustion and Flame, 200, pp.296-302.

原文请移步至Researchgate查看,欢迎分享转发评论批评。
【1】https://www.researchgate.net/publication/329464204_On_the_promotion_of_high_temperature_AP_decomposition_with_silica_mesoparticles

 




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