CN108786883B - 一种负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法 - Google Patents
一种负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法，包括以下步骤：第一步，制备氧化石墨烯，并通过高强度超声处理，制备出分散均匀的氧化石墨烯水溶液；第二步，将高氯酸铵晶体溶解于氧化石墨烯水溶液中，并将混合液置于低温环境中使其完全冻结；第三步，利用冻干法将混合物中的水除去，保留高氯酸铵/氧化石墨烯的三维结构；本发明的负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法，成本低，安全性高，材料各组分分布均匀，不会产生残留杂质或反应物，成品率高；且形成的三维结构保持良好，提高了热分解过程中的热量传输，保证了催化反应的高效、连续发生，可以显著提升推进剂燃速。
Description
技术领域
本发明涉及一种负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法，属于含能材料制备技术领域。
背景技术
固体推进剂是火箭和导弹发动机的能量来源，其性能直接影响火箭和导弹武器系统的作战效能，良好的燃速和能量特性，是固体推进剂及其武器系统研制的重要方向和技术基础；复合固体推进剂因其比冲高、力学性能好，近年来广泛运用于各国导弹系统，是目前所采用的主流发动机设计方案；复合固体推进剂以聚合物为基体，内部填充氧化剂和金属燃料，固体推进剂的燃烧性能主要依赖于氧化剂的热分解，分解温度越低，点火延迟时间越短，燃烧速率越高；因此，优化推进剂的燃烧性能，关键在于提升氧化剂的分解特性。
高氯酸铵是一种广泛运用于固体推进剂的强氧化剂，其热分解特性直接影响推进剂的燃烧性能；高氯酸铵的反应速率、活化能以及分解温度均与固体推进剂的燃烧性能密切相关；高氯酸铵的热分解受其催化剂影响较大，催化剂的类型、含量、混合方式以及催化剂粒子的尺寸均是影响高氯酸铵热分解特性的重要因素；传统用于催化高氯酸铵热分解的催化剂主要是过度金属及其氧化物，近年来出现了多种新型高氯酸铵热分解催化剂；同时，纳米级催化剂相对于微米级催化剂对高氯酸铵有更好的催化效果，本质上是高氯酸铵与催化剂的接触面积不同导致的；目前常用的纳米催化剂有纳米金属氧化物、富勒烯、碳纳米管等。
纳米材料在催化高氯酸铵的分解方面具有很多的优势，但是，由于纳米材料较小的尺寸和巨大的比表面积，在与其他材料进行混合时容易因为范德华力和分子间氢键的作用形成团聚，进而明显降低与高氯酸铵的接触面积与催化反应位点的数量，从而降低催化反应活性。
石墨烯作为一种单原子层厚度的新型二维材料，与其他碳材料相比，具有更加优异的物理和化学性能；石墨烯具有典型的sp2杂化结构，理论比表面积为2630 m2g-1，杨氏模量达到1000 GPa，拉伸强度为130 GPa，是钢的一百多倍；石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/(V s)，这一数值比超出了硅材料的10倍；同时，石墨烯具有超高热导率（~5000 Wm-1K-1），这些都对能量的传输具有重要作用；氧化石墨烯作为石墨烯的含氧衍生物，本身也具有石墨烯的优异性能，同时，研究表明，由于极高的比表面积、高导热系数以及辐射热传播特性，氧化石墨烯对高氯酸铵的热分解具有显著的催化作用；另一方面，氧化石墨烯作为催化剂，不仅可以催化燃烧，还可以参与燃烧反应，在燃烧的过程中不产生固体剩余颗粒，为含能材料提供了一种新的纳米结构燃烧催化剂。
目前将氧化石墨烯用于高氯酸铵催化的主要加工工艺为：1. 将氧化石墨烯、高氯酸铵在混合机中混合，这种方法由于未进行任何表面处理，氧化石墨烯很容易发生团聚，降低催化效果；2. 将高氯酸铵颗粒附着在氧化石墨烯片层表面，此方法增大了高氯酸铵与氧化石墨烯的接触面积，但由于各片层之间相互独立，因此限制了热量的传导，限制了催化效能的进一步提升；3. 将氧化石墨烯沉积在高氯酸铵颗粒表面，此方法同样未形成良好的热量传导路径，限制了热分解催化效能的提升。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法，成本低，安全性高，材料各组分分布均匀，不会产生残留杂质或反应物，成品率高；且形成的三维结构保持良好，提高了热分解过程中的热量传输，保证了催化反应的高效、连续发生，可以显著提升推进剂燃速。
本发明的负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步，制备氧化石墨烯，并通过高强度超声处理，制备出分散均匀的氧化石墨烯水溶液；
第二步，将高氯酸铵晶体溶解于氧化石墨烯水溶液中，并将混合液置于低温环境中使其完全冻结；所述第二步中采用冰模板法使得高氯酸铵与氧化石墨烯形成三维结构；
第三步，利用冻干法将混合物中的水除去，保留高氯酸铵/氧化石墨烯的三维结构。
进一步地，所述第一步中的氧化石墨烯是通过改进的Hummers' 法制备得到。
进一步地，所述第一步中的高强度超声处理时间为90分钟以上。
再进一步地，所述第二步中的高氯酸铵与氧化石墨烯其质量比为2:1。
进一步地，所述第二步中的混合液置于低温环境中冻结的降温速率为1℃/min，温度范围控制为25℃至-70℃。
进一步地，所述第三步的利用冷干法除去混合物中的水其具体操作为：将冻结后的混合物放在冷冻干燥机中，冷阱温度为-70℃以下，冷冻干燥时间为24h以上。
进一步地，所述第一步中的氧化石墨烯其浓度为10~15mg/mL。
进一步地，所述第二步中的混合液中，高氯酸铵的浓度为1mg/mL~20mg/mL。
本发明与现有技术相比较，本发明的负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法，工艺条件简单，流程容易控制，安全性高，不会产生残留杂质或反应物，成本低，成品率高，便于批量生产；高氯酸铵和氧化石墨烯在混合过程中不会出现高氯酸铵颗粒和氧化石墨烯片层的的团聚现象，因此材料各组分分布均匀；同时，形成的三维结构保持良好，提高了热分解过程中的热量传输，保证了催化反应的高效、连续发生，特别适用于高能复合固体推进剂的领域，可以显著提升推进剂燃速，可以广泛应用于运载火箭、导弹武器系统等国防和军用领域。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是本发明的负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维结构微观示意图。
附图中各部件标注为：1-高氯酸铵，2-氧化石墨烯。
具体实施方式
如图1所示的负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法，包括以下步骤：
第一步，制备分散均匀的氧化石墨烯水溶液，（1）选用天然石墨片，利用改进的Hummers' 法剥离得到氧化石墨烯，并将剥离后的氧化石墨烯水溶液浓度调整为10mg/mL；
（2）进行高强度超声处理，将氧化石墨烯水溶液在超声分散仪中处理90分钟以上，使得氧化石墨烯片层直径为20~50微米，厚度为1.5~11.3纳米；
第二步，采用冰模板法使得高氯酸铵与氧化石墨烯形成三维结构，（1）将高氯酸铵晶体颗粒溶解于氧化石墨烯水溶液中，高氯酸铵与氧化石墨烯其质量比为2:1，并充分搅拌，使高氯酸铵完全溶解，得到高氯酸铵和氧化石墨烯的混合液，此时混合液中的高氯酸铵浓度为20mg/mL；
（2）将上述混合液置于低温环境中，温度范围控制为25℃至-70℃，控制降温速率1℃/min，放置12小时，使其充分冻结并形成有序冰晶结构；
第三步，利用冻干法将混合物中的水除去，保留高氯酸铵/氧化石墨烯的三维结构，将冻结后的混合液置于冷冻干燥机中，控制冷阱温度为-70℃，冷冻干燥24小时，去除水分后形成三维高氯酸铵/氧化石墨烯复合材料，如图2所示。
上述实施例，仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (7)
1.一种负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，制备氧化石墨烯，并通过高强度超声处理，制备出分散均匀的氧化石墨烯水溶液；
第二步，将高氯酸铵晶体溶解于氧化石墨烯水溶液中，并将混合液置于低温环境中使其完全冻结；所述第二步中采用冰模板法使得高氯酸铵与氧化石墨烯形成三维结构；所述混合液置于低温环境中冻结的降温速率为1℃/min，温度范围控制为25℃至-70℃；
第三步，利用冻干法将混合物中的水除去，保留高氯酸铵/氧化石墨烯的三维结构。
2.根据权利要求1所述的负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法，其特征在于：所述第一步中的氧化石墨烯是通过改进的Hummers' 法制备得到。
3.根据权利要求1所述的负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法，其特征在于：所述第一步中的高强度超声处理时间为90分钟以上。
4.根据权利要求1所述的负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法，其特征在于：所述第二步中的高氯酸铵与氧化石墨烯其质量比为2:1。
5.根据权利要求1所述的负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法，其特征在于：所述第三步的利用冷干法除去混合物中的水其具体操作为：将冻结后的混合物放在冷冻干燥机中，冷阱温度为-70℃以下，冷冻干燥时间为24h以上。
6.根据权利要求1所述的负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法，其特征在于：所述第一步中的氧化石墨烯其浓度为10~15mg/mL。
7.根据权利要求1所述的负载型高氯酸铵/氧化石墨烯三维含能材料的制备方法，其特征在于：所述第二步中的混合液中，高氯酸铵的浓度为1mg/mL~20mg/mL。
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