[發明專利]一種負載型高氯酸銨/氧化石墨烯三維含能材料的制備方法

有效

• 申請號: 201810580576.8
• 申請日: 2018-06-07
• 公開（公告）號: CN108786883B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 鄭堅;張曉;熊超;于貴波;殷軍輝;支建莊;蘇續軍;崔凱波;鄧輝詠
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍工程大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/02
• 代理公司: 北京華仲龍騰專利代理事務所(普通合伙) 11548
• 代理人: 李靜

本發明公開了一種負載型高氯酸銨/氧化石墨烯三維含能材料的制備方法，包括以下步驟：第一步，制備氧化石墨烯，并通過高強度超聲處理，制備出分散均勻的氧化石墨烯水溶液；第二步，將高氯酸銨晶體溶解于氧化石墨烯水溶液中，并將混合液置于低溫環境中使其完全凍結；第三步，利用凍干法將混合物中的水除去，保留高氯酸銨/氧化石墨烯的三維結構；本發明的負載型高氯酸銨/氧化石墨烯三維含能材料的制備方法，成本低，安全性高，材料各組分分布均勻，不會產生殘留雜質或反應物，成品率高；且形成的三維結構保持良好，提高了熱分解過程中的熱量傳輸，保證了催化反應的高效、連續發生，可以顯著提升推進劑燃速。

技術領域

本發明涉及一種負載型高氯酸銨/氧化石墨烯三維含能材料的制備方法，屬于含能材料制備技術領域。

背景技術

固體推進劑是火箭和導彈發動機的能量來源，其性能直接影響火箭和導彈武器系統的作戰效能，良好的燃速和能量特性，是固體推進劑及其武器系統研制的重要方向和技術基礎；復合固體推進劑因其比沖高、力學性能好，近年來廣泛運用于各國導彈系統，是目前所采用的主流發動機設計方案；復合固體推進劑以聚合物為基體，內部填充氧化劑和金屬燃料，固體推進劑的燃燒性能主要依賴于氧化劑的熱分解，分解溫度越低，點火延遲時間越短，燃燒速率越高；因此，優化推進劑的燃燒性能，關鍵在于提升氧化劑的分解特性。

高氯酸銨是一種廣泛運用于固體推進劑的強氧化劑，其熱分解特性直接影響推進劑的燃燒性能；高氯酸銨的反應速率、活化能以及分解溫度均與固體推進劑的燃燒性能密切相關；高氯酸銨的熱分解受其催化劑影響較大，催化劑的類型、含量、混合方式以及催化劑粒子的尺寸均是影響高氯酸銨熱分解特性的重要因素；傳統用于催化高氯酸銨熱分解的催化劑主要是過度金屬及其氧化物，近年來出現了多種新型高氯酸銨熱分解催化劑；同時，納米級催化劑相對于微米級催化劑對高氯酸銨有更好的催化效果，本質上是高氯酸銨與催化劑的接觸面積不同導致的；目前常用的納米催化劑有納米金屬氧化物、富勒烯、碳納米管等。

納米材料在催化高氯酸銨的分解方面具有很多的優勢，但是，由于納米材料較小的尺寸和巨大的比表面積，在與其他材料進行混合時容易因為范德華力和分子間氫鍵的作用形成團聚，進而明顯降低與高氯酸銨的接觸面積與催化反應位點的數量，從而降低催化反應活性。

石墨烯作為一種單原子層厚度的新型二維材料，與其他碳材料相比，具有更加優異的物理和化學性能；石墨烯具有典型的sp²雜化結構，理論比表面積為2630 m²g^-1，楊氏模量達到1000 GPa，拉伸強度為130 GPa，是鋼的一百多倍；石墨烯在室溫下的載流子遷移率約為15000cm²/(V s)，這一數值比超出了硅材料的10倍；同時，石墨烯具有超高熱導率（~5000 Wm^-1K^-1），這些都對能量的傳輸具有重要作用；氧化石墨烯作為石墨烯的含氧衍生物，本身也具有石墨烯的優異性能，同時，研究表明，由于極高的比表面積、高導熱系數以及輻射熱傳播特性，氧化石墨烯對高氯酸銨的熱分解具有顯著的催化作用；另一方面，氧化石墨烯作為催化劑，不僅可以催化燃燒，還可以參與燃燒反應，在燃燒的過程中不產生固體剩余顆粒，為含能材料提供了一種新的納米結構燃燒催化劑。

目前將氧化石墨烯用于高氯酸銨催化的主要加工工藝為：1. 將氧化石墨烯、高氯酸銨在混合機中混合，這種方法由于未進行任何表面處理，氧化石墨烯很容易發生團聚，降低催化效果；2. 將高氯酸銨顆粒附著在氧化石墨烯片層表面，此方法增大了高氯酸銨與氧化石墨烯的接觸面積，但由于各片層之間相互獨立，因此限制了熱量的傳導，限制了催化效能的進一步提升；3. 將氧化石墨烯沉積在高氯酸銨顆粒表面，此方法同樣未形成良好的熱量傳導路徑，限制了熱分解催化效能的提升。

發明內容