纳米铝热剂的制备及老化研究进展

纳米铝热剂含能材料因其比表面积大、体积能量密度高、高反应速率等特点,在各领域中得到广泛应用。为了使纳米铝热剂组分之间混合均匀以及性能改变,产生了多种形式的制备方法。随着纳米铝热剂的应用多样化,它在长期储存过程中的贮存性能有待进一步观察,防止其在环境或其他应力条件下失效或者意外发火。因此,开展对纳米铝热剂的制备方法以及在存储过程中的老化性能研究非常有必要。本文综述了纳米铝热剂的制备方法和老化研究,并总结了制备方法的优缺点和老化研究的方法、性能评估、机理研究和抑制措施,以期望对纳米铝热剂的应用具有借鉴意义,并在此基础上进一步优化纳米铝热剂的制备方法、老化研究。     

典型海洋环境碳纤维增强树脂基复合材料老化规律研究

目的 研究典型海洋大气环境下碳纤维增强树脂基复合材料的老化规律。方法 针对一种典型舰船用碳纤维增强树脂基复合材料,在青岛、厦门和三亚海洋大气环境下开展0.5、1、1.5、2 a的自然曝晒试验。基于拉伸、弯曲和剪切强度等力学性能演变数据,采用灰关联分析方法构建环境损伤因子Rr,以综合评价其性能退化情况。结合形貌与傅里叶红外光谱,分析其老化损伤机制。结果及结论 海洋大气环境下,碳纤维复合材料表层树脂发生老化降解,该过程主要源于酯基的水解,水解产物有多元醇类和多元羧酸类化合物等,这导致复合材料内部纤维外露,且随时间增加和纬度降低,表面降解减薄程度增大。各地的环境损伤因子Rr表明,经青岛和厦门长周期暴露试验后,在光氧老化和湿热老化等环境“损伤效应”主导作用下,其力学性能随时间呈下降趋势;三亚恶劣海洋环境则更早地对复合材料造成老化损伤,0.5 a起力学性能即单调下降。     

紫外-冷凝老化对碳纤维/环氧树脂复合材料性能的影响

目的 研究碳纤维/环氧树脂基复合材料在紫外光和冷凝环境条件下的老化特征及性能变化。方法 采用紫外-冷凝交替的加速试验对3233/CF3011/52复合材料进行加速老化研究,借助力学试验机、扫描电镜(SEM)、DMA等技术手段,观测研究老化前后复合材料的力学性能、微观形貌、玻璃化转化温度等变化。结果 随着老化时间的延长,3233/CF3011/52复合材料表面发黄,局部纤维裸露更加明显,弯曲强度呈下降趋势,且老化83 d后,弯曲强度下降约50%,基体树脂的纳米压痕深度有所增大。复合材料的储能模量下降了约1 GPa,内耗增大,玻璃化转变温度随老化时间呈先增大、后降低的趋势。结论 3233/CF3011/52复合材料的弯曲强度随老化时间的延长而下降,并且断口形貌中纤维拔出痕迹更加明显,表明紫外-冷凝交替作用对复合材料的纤维/树脂界面产生了一定程度破坏。老化前期,紫外辐射能量使树脂基体继续交联,一定程度上提高了复合材料的玻璃化转变温度,而老化过程中水分子对树脂的增塑作用,以及光老化降解使得基体树脂硬度下降,材料的玻璃化转变温度降低。     

不同因素耦合对密封橡胶老化特性的影响

目的 研究某密封橡胶材料在工况环境下的老化规律和特性,开展静载荷/温度/介质等多因素耦合的加速老化试验。方法 设计3种老化条件(90 ℃热空气、90 ℃热空气压缩、90 ℃热油压缩)模拟实际服役环境开展实验室加速研究。通过质量、硬度、压缩永久形变率等橡胶老化前后宏观性能变化,结合其化学结构和微观形貌变化进行老化特性研究。结果 热油压缩老化条件下,橡胶质量随时间变大,硬度变小,压缩永久形变变大,热稳定性变差,化学结构变化较小;热空气压缩条件下,压缩永久形变变大,其他物化性能变化较小;热空气条件下,硬度变大,烷基含量减少,其他变化较小。扫描电镜结果显示,2种压缩条件下,橡胶表面都出现颗粒状物质和条状纹理。以上结果说明,油在隔绝外界氧气的同时,会渗透到橡胶内部,引起软化,热空气介质加速橡胶热氧老化和材质硬化,压缩条件在抑制热氧老化同时,可加速应力松弛等物理老化作用的发生。结论 密封橡胶在不同服役环境下发生的主要老化反应并不一致,在热空气下,橡胶性能退化与热氧老化等化学老化作用有关,而在油介质和压缩状态下,橡胶性能劣化与物理老化作用更相关。     

贮存老化对某弹药射程的影响研究

目的 研究长期贮存老化对某弹药射程的影响,确定其有效增程射角范围。方法 对130 mm某弹药在不同贮存老化时间下的射程进行数值仿真分析,揭示其射程和有效增程射角范围随贮存时间的变化规律。结合射程与贮存老化时间和射角之间的函数关系,提出以剩余推力比为表征参数的射程变化模型。结果 在相同贮存老化时间下,随着射角的增大,该弹药的射程呈现出先增大、后减小的趋势。相同射角下,射程随贮存老化时间呈线性下降趋势,有效增程射角范围逐渐减小。使用三次多项式拟合有效增程比与射角之间的函数关系,拟合方程的相关系数超过了0.997 0。该弹药射程变化模型的拟合结果与仿真计算结果的相关系数大于0.998 5,表明其可以准确描述该弹药的射程变化规律。结论 贮存老化会显著影响某弹药的射程和有效增程射角范围,在实际贮存和使用过程中,不能忽略其贮存老化因素。     

不同温湿度条件下微米硼的氧化过程研究

目的 探究不同温湿度条件下微米硼的氧化层结构特征.方法 利用高温水浴浸泡处理去除原料微米硼的表面氧化层,然后在恒温恒湿条件下对微米硼进行加速氧化,利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线光电子能谱对加速氧化后硼颗粒的氧化层厚度及组成进行分析,总结表面氧化层结构及成分组成变化规律,揭示温湿度条件下微米硼的氧化机制.结果 微米硼经高温水浴浸泡处理后,表面氧化层去除率达到50％.随着加速氧化时间的延长,硼颗粒氧化层的厚度逐渐增大,由内向外硼颗粒表面可以用B-BxOy-B2O3三层结构来表示,BxOy总是伴随着B2O3同时出现的,且随着氧化反应的进行,颗粒表面BxOy的含量将超过B的含量.结论 不同温湿度条件下微米硼的氧化机制为O2向B颗粒内部单向扩散的反应机制,B先与O2反应,形成低氧化物BxOy,BxOy进而与O2反应生成B2O3.随着氧化层厚度的增加,O2向B颗粒内部扩散的阻力增大,氧化反应速率随之降低.相比湿度的影响,温度的升高可显著加快硼表面氧化层的形成;温度一定时,湿度的增加可促进硼氧化层的形成.     

HAN基ECSP凝胶模型的构建与分子动力学模拟

目的 从微观分子的角度对硝酸羟胺(HAN)基电控固体推进剂(Electrically Controlled Solid Propellants,ECSP)的性能参数进行模拟与计算.方法 利用分子表面静电势(ESP)对HAN分子2种可能的构型进行优化和稳定性分析.通过真空非周期性分子动力学模拟得到聚乙烯醇(PVA)分子稳定构型,并以HAN基ECSP的主要成分按一定比例构建凝胶模型.基于RESP(Restrained Electrostatic Potential)电荷生成更准确的凝胶模型拓扑文件,并进行凝胶模型的分子动力学模拟、模型稳定分析以及模型参数计算.结果 凝胶模型总能量相对平均值的周期性波动不超过7％.由于三维PVA链的包裹,H2O分子的扩散系数被大幅削弱.氢键分析和径向分布函数表明氢键键长主要分布在0.282 6 nm附近,PVA与H2O间的氢键较少,H2O与HAN、H2O与H2O之间的氢键较多.模型密度为1.405 g/cm3,与实验值吻合度高.在283、293、303 K下,HAN基ECSP凝胶模型的拉伸模量依次降低,剪切模量先增后减.在15 K/600 ps冷却速率下,HAN基ECSP凝胶模型的拉伸模量和剪切模量均增大.结论 ECSP制备结束后,冷却过程中的环境温度不宜过高,否则容易造成ECSP力学性能的快速下降,快速冷却可以提高ECSP的力学性能.     

TaNZr薄膜换能元发火性能研究

目的 探索Zr对TaN薄膜换能元发火性能的影响。方法 利用MEMS技术制备4种TaNZr薄膜换能元。利用SEM、能谱分析和四探针对TaNZr薄膜进行性能表征。在电容发火的条件下,获得换能元的发火性能。结果 TaNZr薄膜表面平整。TaNZr薄膜的电阻温度系数为负值。随着Zr膜比例的增大,方块电阻和TCR均不断增大。TaN0.6Zr0.3薄膜换能元的平均发火电压最小,为4.58 V。TaN0.2Zr0.1的作用时间最长。结论 TaNZr薄膜换能元具有高瞬发性、发火电压低等特点,为换能元的设计提供了一种新思路。     

尼龙66材料热空气老化下的力学特性研究

目的 研究获得尼龙66树脂在热空气老化下的力学特性。方法 对尼龙66树脂采取110 ℃、1 000 h的热空气老化方式进行试验,并对老化前后的样品进行表面观察,以及拉伸强度、悬臂梁缺口冲击强度、简支梁缺口冲击强度测试,进而获得尼龙66树脂在相应热空气老化下的力学特性变化规律。结果 老化后,试样的颜色从乳白色变成姜黄色,试样表面完好,无龟裂、粉化;拉伸强度有所上升,平均强度保持率为105.1%;悬臂梁缺口冲击强度略有下降,平均强度保持率为94.7%;简支梁缺口冲击强度略有下降,平均强度保持率为93.9%。结论 尼龙66树脂在相应热空气条件下会发生老化,但短时间内不会引起材料整体力学性能的明显下降。     

长期服役环境下城镇PE燃气管道电熔焊接界面结构与老化性能研究

目的 研究电熔焊接界面在长期服役期间的老化性能及其变化规律。方法 以服役30 a的PE燃气管道电熔焊接管件和新焊管件为样本,通过超声相控阵无损检测和解剖的方法分析焊接界面的结构性能,通过氧化诱导时间测试、红外光谱测试和结晶度测试对PE管的中间部位、焊接界面的老化行为进行对比研究。通过对服役焊接管件附近土壤进行分析,确定影响管件服役老化的化学介质。结果 长期服役的PE电熔焊接界面存在不同程度的结构缺陷,尤其在焊接界面处发生了明显的性能弱化。焊接界面的热氧稳定性和结晶性能均低于管材中间部位,而管材中间部位的性能则低于新焊界面。相比新焊管件,服役30 a的PE电熔焊接界面出现C—O—老化峰,发生一定程度老化。经检测,土壤中存在的胺类、酮类和醇类有机物(如十二烷基二甲基叔胺)具有显著的化学活性,会对PE材料产生老化作用。结论 土壤的温度及化学介质带来PE燃气管道电熔焊接部位C—O老化基团的产生,将破坏聚乙烯的结构规整性,导致其结晶度的下降,影响到了电熔焊接界面的力学结合性能。本研究证实了土壤环境对PE带来的负面影响,影响其使用寿命和安全性,应加强关注土壤环境对PE燃气管道的长期服役安全问题。     

HMX与低熔点含能材料混合物的热安定性研究

目的 研究环四亚甲基四硝胺(HMX)与2,4,6-三硝基甲苯(TNT)、2,4-二硝基苯甲醚(DNAN)、3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)3种低熔点、高挥发性含能材料混合后的热安定性及相关性质.方法 将HMX与3种低熔点含能材料按照质量比1:1进行混合,采用动态测压热分析法(DPTA)、差示扫描量热法(DSC)...     

含能材料热烤试验用多温区热控装置设计

目的 评估含能材料产品在热烤环境下的热安全性,研制一套热烤环境试验用多温区热控装置.方法 从热烤试验需求出发,制定试验系统功能、指标.进行系统功能分解,重点分析加热方式和加热元件的选型,温区之间的温度耦合及控制.基于试件含能,危险性较大的情况,制定安全策略.基于组态软件实现热控系统的软件设计,考虑了参数及曲线设置、试验...     

含能材料生产系统排产中的瓶颈设备识别方法研究

目的 识别含能材料生产车间中的瓶颈设备,对生产系统作出预警,为排产方案制定以及实际生产工作提供指导,改善生产系统的加工效率.方法 针对传统瓶颈设备识别方法评价指标单一、识别过程复杂的问题,研究一种基于灵敏度分析和逼近理想解排序法(TOPSIS)融合的瓶颈设备识别方法.该算法首先确定作业指标与设备加工量关系的灵敏度矩阵,然后运用逼近理想解排序法,计算设备的综合瓶颈指数,通过比较各设备的综合瓶颈指数,识别出瓶颈设备.结果 采用含能材料生产车间实际数据进行仿真实验,可以在生产系统运行之前识别出系统中的瓶颈设备.结论 通过与其他方法进行对比分析,验证了研究的方法的有效性和优越性.     

先进复合材料的腐蚀及与金属偶接的相容性原则

通过总结和分析目前国内外碳纤维环氧复合材料腐蚀研究的现状,对碳纤维及其环氧复合材料的基本特点和电化学特性进行了讨论,对电偶腐蚀基本规律及理论进行初步的分析,根据电化学极化理论、腐蚀热力学及动力学理论、现代表面和界面分析技术的研究成果,综合分析碳纤维环氧复合材料对偶接金属腐蚀行为及规律的影响,探讨复合材料与金属电偶腐蚀的相容性原则。     

某固体云爆剂老化前后的安全性研究

目的研究某型固体云爆剂老化后的使用安全性。方法采用真空安定性试验仪按GJB772A—97方法 501.2测试老化前后样品的安定性、相容性,采用感度设备按GJB 772A—97中的相应方法分别测试老化前后样品的撞击感度、摩擦感度以及火焰感度。结果云爆剂老化前后,每克试样在标准状态下的放气量均远远小于2 mL,安定性均合格。样品老化前后火焰感度试验均未爆,撞击感度和摩擦感度均在样品在失重1%时最高,当样品老化至失重1.5%时,爆炸概率反而比失重1%样品的降低。结论该型固体云爆剂老化前后均具有良好的安全性,老化失重达到1.5%后,仍能满足安全使用要求。     

锅炉型煤质量的影响因素分析

分析了配煤组分、成型工艺条件、型料粒度等方面对工业型煤质量的影响,指标合理确定惰性组分含量、成型水分和型料粒度组成是型煤生产的关键,并对实际生产提供帮助。     

基于加速老化和自然贮存数据的氟硅橡胶制品贮存寿命预估

目的准确评价氟硅橡胶制品的贮存寿命。方法利用G402氟硅橡胶制品自然贮存数据对加速老化试验数据进行检验。结果确认加速老化试验方法可行,数据可信,并根据加速老化试验中的模拟试验确定了贮存失效临界值。结论推测出G402氟硅橡胶制品的贮存寿命可以达到15年。     

环境温度对复合固体推进剂贮存老化微观损伤作用机制研究

目的研究复合固体推进剂在环境温度作用下的微观损伤机制。方法开展复合固体推进剂实验室高温加速老化试验,分析不同损伤程度下的化学官能团和损耗因子的变化规律,综合推断环境温度作用下的微观损伤机制。结果复合固体推进剂在环境温度作用下,氧化剂AP一直不断地分解释放出活性成分,攻击HTPB粘合剂主链,使粘合剂主链初期主要发生交联反应,生成多种氧化产物如过氧化物、醛基、酯基。在老化后期,粘合剂主链开始断链,断链位置应该为R—CO—NH或C=C处,使得R—CO—NH、C=C含量随着老化时间的增加而逐渐降低。结论在环境温度的作用下,复合固体推进剂同时发生氧化交联和分解断链两种反应,但老化初期氧化交联占主导,老化后期主要发生分解断链。     

硅橡胶密封件随弹贮存老化分析及寿命预估

通过对某随弹贮存8a的硅橡胶密封材料进行外观检查、常规物理性能检测、恒定压缩永久变形测试及加速贮存试验,获得了橡胶材料的各项物理性能,用压缩永久变形临界值作为判据得到了25℃下硅橡胶密封材料可继续贮存使用的寿命预估值,为该型导弹寿命预估提供了重要理论依据.