纳米CUOFEO对钨系延期药性能的影响.doc

沈阳工学学院课程设计说明书摘 要本文主要对纳米延期药的性能、生产工艺等进行了研究以及探讨对相应的性能测试进行了实验，并对数据进行了充分的分析和研究理论上对配方的氧平衡氧系数进行了计算分析，从实验角度对燃速、TGA曲线等进行了深入的分析和研究关键词：纳米延期药；钨系延期药；燃速；配比；TGA曲线;发展前景目录前言 11 钨系延期药原料的确定极其性能特点 2 1.1 含有纳米氧化铁的钨系延期药的氧平衡以及氧系数的计算 2 1.2 原料的配比(Nano氧化铁)及其影响 2 1.2.1 Nano氧化铁对性能的影响 2 1.3延期药燃烧性能变化原因的分析 7 1.4 结 论 72 原料的配比(Nano氧化铜)及其影响 8 2.1 纳米CuO对延期药燃速的影响 10 2.2 结论 11 2.3 综合比较 123 综述纳米延期药的研究与进展 134 研究纳米延期药的意义 145 纳米延期药的研究的主要内容和方向 156 纳米延期药的研究存在的问题 167 参考文献 17前 言 钨系延期药是由钨粉、高氯酸钾、铬酸钡组成的一种慢速微气体延期药，在军用和民用领域应用广泛。

随着科技的进步与时代的发展，人们对延期药的延期精度和延期时间都有了更高的要求，所以如何提高延期药的燃烧性能成了一个必须讨论的问题前人已经对纳米技术在延期药上的应用进行了系列研究，而纳米技术对于延期药性能的影响是明显的 将还原剂钨粉做到纳米级可以有效提高延期药的性能这点是毋庸置疑的，而本文主要讨论将纳米级的氧化铁和氧化铜经纳米工艺做到纳米级的颗粒后对钨系延期药性能的影响 本文分别从延期药的氧平衡、氧系数、燃速、热动力学等角度进行了详细的分析，并参考了众多文献进行了参考以及对比，从而得到了最适合做钨系延期药的配比 本文还对纳米技术已经纳米延期药的发展前景以及生产工艺上存在的问题进行了较为深入的探讨，也对前人的成果进行了 简单的总结1 钨系延期药原料的确定极其性能特点 钨系延期药是由：钨粉、高氯酸钾、铬酸钡组成辅以纳米氧化铁、氧化铜1.1 含有纳米氧化铁的钨系延期药的氧平衡以及氧系数的计算 首先假设钨系延期药各组分的配比如下表（表1.1）：　钨粉（A）高氯酸钾（B）铬酸钡（C）纳米级氧化铁(D)纳米级氧化铜(E)组分百分比abcde 表1.1 所组成的钨系延期药等价的化学式为：W（a）KClO4（b）+BaCrO4（c）+Fe2O3（d）+CuO（e） 其中各项的氧平衡如下：OB(A)=-1.22(g/g) ;OB(B)= +0.46(g/g) ;OB(C)=-0.06(g/g) ；OB(D)=-0.30(g/g) ;OB(E)=0(g/g) 延期药的氧平衡OB=［(-1.22)*a+(+0.46)*b+(-0.66)*c+(-0.30)*d］（g/g） 延期药的氧系数A(A)=0 ;A(B)=1 ;A(C)=1 ;C(D)=1 ;A(E)=1所以混合物（延期药）的氧系数A=b+c+d+e1.2 原料的配比(Nano氧化铁)及其影响 1.2.1 Nano氧化铁对性能的影响 若想提高原料利用利率以及延期药的性能，氧平衡OB应等于（接近）0，最佳配比为零氧平衡的配比，若考虑生产工艺，在不容易达到零氧平衡时，应为负氧平衡，切尽可能接近零氧平衡。

即有下式成立：OB=［(-1.22)*a+(+0.46)*b+(-0.66)*c+(-0.30)*d］（g/g）=0表1、2 Nano氧化铁加入后的配比OB（0）=-0.716（g/g）由结果可见结果为负氧平衡，且比较接近于零氧平衡，可用于工业生产1.2.2 延期药燃速的测试 采用Nd：YAG脉冲激光器产生的激光光源，点燃延期体的端部点火药在延期体的点火端和延期体反应结束的终端，各置一个光电二极管，利用光电转换的原理，记录延期体燃烧时间，通过测量延期药的装药长度和所记录的燃烧时间，计算燃速由于压药压力的均匀性以及药柱的密度会影响延期药的燃速，为使结果尽量准确，实验中采用分次装压，定压定量的装药方法，压药压力22 MPa，药量300 mg1.2.3 热分析试验 通过TG．DTA联用对样品的热性能进行测试试样量：1．5 mg，置于氧化铝坩埚内，升温速率：20 oC ·rain一，氮气气氛，氮气流量：30 mL/min；温度范围：100～1000℃ 1.2.4 燃速测试结果 测试结果见表2(每组1O发，均未断火) 从测试结果看，普通Fe O，(1 )对燃速基本没有影响，纳米Fe O (2。

)对燃速的影响也不大，仅有4％的提高，但相对于0 药剂，1的燃速标准差和相对误差分别下降了29％和35％ ，而2 的燃速标准差和相对误差则下降了47％ 和51％ ，表明外加少量Fe O，即可显著改善钨系延期药的延期精度，而使用纳米Fe：O 对延期精度的提高幅度更大其结果如下表燃速的测试结果No.0#1#2#average burning rate/mmps0.70.7060.728standard deviation of burning rate/mmps0.3040.0240.0118maximum difference/mmps0.0730.0480.037relative error0.1040.0680.051表 1.31.2.5 TG-DTA测试结果 高氯酸钾由图2可以看出，在300℃左右DTA曲线有一个吸热峰，这是高氯酸钾的晶型转变峰，在580—650℃范围内DTA曲线有较大波动，同时在这个范围内样品急剧失重近50％ 这是高氯酸钾熔化、分解，从失重量上看，此阶段的失重与高氯酸钾中氧含量相当，所以反应方程式为：2KCl0一2KCl+02DTA曲线出现较大波动可能是因为刚开始时(约580～600 oC)高氯酸钾熔化，吸热并形成吸热峰，此阶段TG线并没有明显下降也说明此时高氯酸钾并没有分解，尔后有放热现象可能是因为部分高氯酸钾熔化后，形成了两相体系，使得体系的热性能发生了变化 。

到了750℃之后又有一个持续吸热的过程，同时样品质量几乎下降至0，因而这一阶段是氯化钾熔化并完全挥发的过程铬酸钡从下图铬酸钡曲线看，在100—900 a=范围内失重不足3％ ，说明没有铬酸钡发生明显分解；而DTA曲线则从350 oC起就一直呈下降状态，表明在这个温度范围内铬酸钡大量吸热，这也是铬酸钡用作缓燃剂的原因 三组药剂TG·DTA 结果 0 、1 、2 药剂的TG—DTA谱图见图1.1(各曲线已经过纵向平移) 图1.1 由图3可见 三组药剂的DTA曲线在300 oC左右都有高氯酸钾的晶型转变峰0 的DTA曲线在400℃之前持续小幅下降，TC曲线也在缓慢下降，表明延期药发生少量分解虽然此时的温度远没有达到氧化剂的分解温度，但由于存在固相反应，可使得氧化剂的分解温度大大提前 ，考虑到锵酸钡晶格扩散的塔姆曼温度为462℃ ，高氯酸钾品格扩散的塔姆曼温度为168℃ ，所以这一阶段是高氯酸钾少量分解1 和2 的DTA曲线在300℃左右也出现了高氯酸钾的晶型转变峰，但这两条曲线在400℃ 之前一直呈缓慢上升状态，结合TG曲线看，这一阶段2 药剂的失重明显少于0 药剂，表明加入Fe203 ，可以减少这一阶段高氯酸钾的分解，并推测Fe 0 可以催化w 与KCIO 之间的固一固放热反应，但此时温度较低，反应缓慢，放热也不多。

通过对比1 、2 DTA曲线发现，2 药剂在这一阶段的放热量略高于1 药剂，这是因为纳米Fe O 的比表面积大，与延期药接触更充分，可以更好地催化w 与KC10 的反应在480℃～540℃ 之问，0 的DTA曲线有一个大放热峰，峰值温度为495oC，表明480℃时0 药剂发火，然后w 与KCIO 发生强烈的体积扩散，放出了大量的热，反应方程式为：KCIO +W--KC1+WO “ 1 和2 药剂的DTA曲线在470℃～570℃之间都有一个大的放热峰，起始温度分别是470℃ 、473℃ ，峰值温度分别为49℃和497℃，表明加入Fe O 后，钨系延期药的发火温度提前了约10℃ ，更易发火从峰的面积上看，2 药剂最大，1 次之，0 最小，说明Fe2O3 可以促进 粉与KC1O之间的体积扩散，使反应更完全，放热量增大，且纳米Fe2 O3 的效果比普通的Fe2 O3 更明显，这同样是因为纳米Fe2O3 的比表面积大，增大了与反应物的接触面积，对反应的催化作用更明显在三个峰形成的同时，三组药剂都快速失重了约2％ ，这是因为体系的放热较大，促使高氯酸钾分解，造成了药剂失重0药剂在540 oC之后，DTA曲线波动比较大，在650～680 oC和700—770℃ 之间有两个主要的吸热峰，且都伴随药剂质量的下降，前一个是铬酸钡分解的峰，虽然这个温度远低于铬酸钡的分解温度，但因存在固相反应，可以使其分解提前，同时造成质量下降；后一个是氯化钾的熔化所造成的吸热峰，之后的失重是氯化钾挥发造成的，这一点对比高氯酸钾的TG—DTA谱图即可看出。

除去这两个吸热峰，这一阶段总体呈放热状态(770～900(℃之间还形成了一个较宽的放热区间)，这应归于铬酸钡的强扩散与钨粉的反应，其可能的反应方程式为 ：W + 2BaCrO4 = W O3+2BaO + CrO 3BaO + W O 3 = BaW O4这两个反应均为放热反应结合铬酸钡的DTA谱图可以看出，这一阶段反应的放热量很大，否则不足以抵消铬酸钡大量吸热造成的DTA 曲线的下降，900 之后，DTA曲线急剧下降，可以认为反应基本完成从1 和2 药剂的DTA图上看，两个体系在570 cc之后有氯化钾融化的吸热峰但没有铬酸钡分解吸热峰，TG曲线也表明两者在这一阶段只有氯化钾挥发所造成的失重，这说明加人Fe 2O3 后可以阻止铬酸钡的分解；而且两个体系在这一阶段的放热主要集中在600～750 oC之间，在770(℃之后两者的DTA曲线都持续呈持续下降趋势，反应基本结束，不存在较宽放热区间，表明加入Fe 0 后铬酸钡的强扩散与W 粉的反应主要集中在600～750 cc范围内，在这个范围内，2 药剂的DTA曲线的波动比1 的DTA曲线小，说明纳米Fe 2O3，可以使W 粉与铬酸钡之间的反应更平稳。

总的看来，加人普通Fe 2O3 和纳米Fe 2O3 都可以改变钨系延期药的反应历程，大大减少气体产物；在改变延期药热性能及反应历程方面，普通Fe2O3 与纳米Fe 2O3 的作用相似，但由于纳米Fe2O3 的粒径小，比表面积大，能使延期药各组分之问更好地进行反应1.3延期药燃烧性能变化原因的分析 从热分析的结果可以看出，Fe2O3 可以减少钨系延期药体系的气体产物，这就可以减少钨系延期药燃烧时体系内部的气体波动，使燃烧过程更平稳，从而提高延期精度；相对于普通Fe2O3 ，纳米Fe2O3 能使组分之间更好地进行反应，也能使燃烧平稳。