纳米金属氧化物对长秒量钨系延期药性能影响(2)
1.1 研究背景及意义
人们在20世纪60年代时对分立的纳米粒子进行了较多的研究。1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制得金属纳米微粒，并对其进行了电镜及电子衍射研究。1984年德国萨尔兰大学（Saarland University)的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal陆续成功地制备得到了纳米细粉纯物质。Gleiter在高真空条件下把颗粒直径为6 nm的铁粒子加以高压，并灼烧得纳米微晶体块，使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构造的一种新型体系，它包括薄膜嵌镶体系、纳米阵列体系和介孔组装体系。纳米技术兴起后，由于纳米材料可以较好地催化反应、控制反应进行甚至是改变反应历程，因此不断被引入到烟火药剂中，用于改善烟火药剂的性能。纳米延期药的成本低廉、结构简单、制造简便、原料来源广、耐震抗温、延期范围很广（毫秒~100s）、重量轻、体积小、使用生产安全、延期精度高等。这些优点使它在兵器、火箭、航天、导弹和国民经济等领域被大量采用，为提高我国该技术水平做出了很大贡献。并且我国钨产量丰富，该延期药的理化、燃烧、工艺性能均优，大有应用前景。
1.2纳米材料
1.2.1 纳米材料概况
纳米材料是一种新型材料，这种新型的纳米材料有很多用途，例如纳米MgO可以做成纳米相陶瓷、金属一陶瓷复合体和电子元件，同时具有一定的催化作用。此外，纳米MgO还可以作为用于涂料、化妆品、橡胶和塑料等填料补强剂。纳米Ni0是具有较强的催化作用，可以用作催化剂使用，并且可以用来制造化学传感器、超级电容器等等。纳米NiO是一种很重要的无机材料，可以广泛应用于电子、冶金和化学等工业，而且具有非常优良的热敏性能，被广泛的应用于催化剂、功能陶瓷、器皿元件、电极材料、磁性材料、热敏元件和电子元件等方面。纳米颗粒具有较大的比表面积、表面能和表面原子数，研究表明其表面张力随粒径的增大急剧减小。表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子尺寸效应等导致了纳米粒子的表面稳定性和热、磁、光敏的特性等不同于其他常规粒子，此外，粒子聚集体的形态(离散态、链状、网络状和聚合状)也截然不同，这也会是纳米粒子的物理性能产生变化。纳米材料在很多地方都有应用[4]。
1.2.2 纳米材料在火工药剂方面的应用
近些年来，纳米材料在固体推进剂中的使用已经成为国内外学者的研究方向。其研究的热点方向主要在以下几个方面，一是研究制备纳米氧化剂提高推进剂燃烧性能，二是纳米金属粉在固体推进剂中的高能添加剂的应用。此外，还有一个研究方向是纳米金属氧化物作为燃烧催化剂在固体推进剂中的应用。其中，纳米金属氧化物的制备技术是关键[5]。近年来，在纳米材料对烟火药反应影响的研究方面，有不少研究成果。国内外研究表明，同一配方，还原剂钨粉的粒度比铬酸钡的粒度对燃速影响明显很多，所以钨粉的粒度对于钨系延期药的燃速的影响成为研究重点。陈利魁等人研究了通过添加纳米钨粉，改变钨粉粒度，研究与其相对应的的延期药燃速变化，以及纳米钨粉的添加量对延期药燃烧精度的影响。实验研究表明，在零氧平衡时，钨粉粒度变小，延期药的燃烧速度加快，两者之间有明显的线性对数关系，纳米钨粉对延期药的延期精度调节可达毫秒级；当钨粉含量由30%变为15%时延期药依然能够可靠燃烧，而且在适合的粒度级配下燃烧速度出现了局部极大值 [3]。加拿大的国防研究机构 和国防科学与技术 机构合作评估了含有纳米铝粉的炸药复合物的潜在研究价值。他们研究发现，铝粉的粒径直接影响到含铝复合炸药的作功能力及爆轰性能，能量释放速度与铝粉的颗粒直径呈负相关 [6]；在含铝复合炸药中，铝粉与爆轰产物反应并释放能量是在炸药爆轰反应的后期。为了研究纳米Fe2O3对钨系延期药燃烧性能的影响，黄寅生[7]等人制备了了0#(基药)、1#(外加2％普通Fe2O3)和2#(外加2％纳米Fe2O3)三组不同药剂进行燃速测试。结果表明，氧化铁对延期药的燃速影响不大，但可以很大的提高其延期精度，实验中，与0#相比，1#和2#的燃速标准差分别下降了29％和47％。为了探索其中的原因，用TG-DTA对三组药剂进行测试，实验表明普通Fe2O3和纳米Fe2O3对钨系延期药燃烧性能的影响类似，都能改变反应历程，降低发火温度，并且可以减少气体产物。黄寅生[8]等人同时也用纳米氧化铜进行了实验，得到了与纳米Fe2O3实验相同的结果。陈潜[9]等人利用均匀沉淀法制备了纳米Fe2O3，通过实验研究了氧化铁的颗粒直径对TNT炸药爆热的影响。实验表明，随着氧化铁颗粒度变大，会使得混合炸药的爆热降低。陈利魁等人通过添加纳米钨粉，研究了钨粉粒度与其配对的延期药燃速影响，以及纳米钨粉含量对延期药燃烧的可靠性的影响。结果表明，在零氧平衡下，随着钨粉粒度减小，延期药燃烧速度加快，有显著的线性对数关系，纳米钨粉对燃烧速度调节达毫秒级；当钨粉含量由30%降至15%时延期药仍能可靠燃烧，并且合适的粒度级配使燃烧速度有局部极大值出现[3]。刘健，赵镇等人研究了CeO2负载的碳烟氧化钒氧化物催化剂：分子结构和纳米效应，得出结论：由于纳米效应和催化剂与碳烟的良好接触，对于碳烟燃烧，纳米CeO2具有很高的催化活性，即纳米结构的催化剂比普通的催化剂更加适合催化反应[11]。黄海丰，刘雅琴等人研究了纳米材料对VOCs催化燃烧的催化活性（x = 0，0.2），也有类似的发现，纳米材料对VOCs催化燃烧的催化活性相比普通的催化剂要高[12]。很多的实验结果都证明，纳米材料在催化活性有很大的研究价值。