Page 37 - 《精细化工》2021年第6期
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第 6 期                   王瑞浩，等: CuO/Al 复合材料的制备及对高氯酸铵的催化作用                                ·1099·


            流特征信号等方面起重要作用              [8-9] 。                 PANalytical 公司；S-4700 型扫描电子显微镜，日本
                 研究表明，金属及金属氧化物对 AP 热分解具                        Hitachi 公司；STA449F1 Jupiter 同步热分析仪，德
            有明显的催化作用         [10] 。CuO 作为一种 p 型金属氧化            国 Netzsch 公司。
            物催化剂，是用于催化 AP 热分解最广泛和性能最                           1.2   实验过程
            好的金属氧化物催化剂之一             [11] 。HOSSEINI 等 [12] 通       常温下，将 0.03 mol（5.265 g）CuCl 2 •2H 2 O 加
            过乳化法制备了球形纳米 CuO 颗粒，并研究了球形                          入到 100 mL 无水乙醇中，加入 10 mL 环氧丙烷，
            纳米 CuO 颗粒对 AP 的热分解催化作用，其高温分                        将烧杯放入超声波清洗器中振荡混合均匀，溶液呈
            解峰温度降到了 345.6  ℃；QIN 等          [13] 采用新型反溶        浅绿色。将 0.02 mol（0.54 g）Al 粉加入溶液中，搅
            剂 结晶法 制备 了一种 分散 性和结 合度 较好 的                        拌均匀后静置形成均匀的复合凝胶。于–60  ℃真空
            CuO/AP 纳米复合材料，CuO 纳米颗粒在纳米复合                        冷冻干燥复合凝胶，获得纳米复合物 CuO/Al。
            材料中的催化活性优越。可以看出，CuO 是 AP 热                         1.3   结构表征与性能测试
            分解的一种优良催化剂，然而，CuO 作为一种非含                               对所制备的样品采用扫描电子显微镜进行微观
            能的金属氧化物，会对固体推进剂能量带来一定                              结构表征；采用 X 射线衍射仪对样品进行 XRD 分
            损失。                                                析，Cu K α 射线源，波长(λ)为 0.15410 nm；采用同
                 为解决传统非含能催化剂对固体推进剂能量带                          步热分析仪研究催化剂对 AP 热分解性能的影响，
            来的损失，本研究通过溶胶-凝胶法将 CuO 与固体                          实验条件：采用氧化铝坩埚，样品质量为（1.0±
            推进剂中另一重要组分 Al 粉（常用的高能燃烧剂）                          0.05）mg，升温速率 10  ℃/min，测温范围 30~
            进行复合，获得纳米复合材料 CuO/Al，又称为纳米                         500 ℃，N 2 气氛。
            铝热剂 CuO/Al。该材料常作为一种高能量、高活性
            含能添加剂添加到含能材料中，以提升含能材料的                             2   结果与讨论
            能量释放和提高含能材料组分间传质速率                    [14-16] 。溶
                                                               2.1   结构分析
            胶-凝胶法操作工艺简单，不需要特殊的温度和仪器
                                                                   图 1 为纯 Al 粉和所制备 CuO/Al 的 XRD 图谱。
            设备，成本低廉，在制备纳米复合材料中应用最为
            广泛  [17] 。而对于在推进剂中利用纳米铝热剂组分间
            协同作用催化 AP 热分解，提升 AP 热分解效率研究
            方面文献报道较少。WANG 等             [18] 研究了 AP 的加入
            对纳米铝热剂 CuO/Al 性能的增强作用的影响，并
            通过加入质量分数 2.5%、5.0%、7.5%和 10.0%的
            AP 讨论了对纳米铝热剂 CuO/Al 反应活性增强的可
            能作用机理，发现少量 AP 的加入能够提高纳米铝
            热剂 CuO/Al 的反应活性，且纳米铝热剂 CuO/Al 对
            AP 有很好的催化作用。

                 因此，本研究将结合文献基础，利用溶胶-凝胶                            图 1   纯 Al 与 CuO/Al 复合催化剂的 XRD 谱图
            法制备出纳米铝热剂 CuO/Al，对其结构和性能进行                         Fig.  1  XRD  patterns  of  pure Al and CuO/Al composite
            表征，以 AP 为主体，研究少量纳米铝热剂 CuO/Al                             catalyst

            对 AP 热分解的催化作用，为推进剂组分功能化集
                                                                   由图 1 可以看出，纯 Al 粉在 2θ=38.2°、44.7°、
            成方面提供理论和应用基础。
                                                               65.0°、78.5°处有 4 个特征衍射峰       [19] ，没有其他峰，
            1   实验部分                                           说明 Al 粉较纯。在 CuO/Al 复合催化剂的 XRD 图
                                                               谱中可以看出，有明显的 Al 特征衍射峰，除此之外，
            1.1   试剂与仪器                                        在 2θ=10°~20°之间还有一个漫反射峰，该反射峰为
                 二水合氯化铜（CuCl 2 •2H 2 O）、CuO、无水乙醇、              CuO 的无定形结构       [20] 。由此可知，所制备的复合催
            氧化铜，AR，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；                            化剂由 Al 和无定形 CuO 组成。
            超纯水，实验室自制；纳米铝粉，工业级，成都科                                 为进一步分析 CuO/Al 复合催化剂形貌，采用
            隆化工有限公司；高氯酸铵（AP）、环氧丙烷，AR，                          SEM 对原料铝粉、复合 CuO/Al、CuO+Al 混合物进
            成都市科龙化工试剂厂。                                        行表征，如图 2 所示。由图 2a 可以看出，原料铝粉
                 PANalytical X'Pert  PRO X 射线衍射仪，荷兰            呈球状颗粒，其粒径为纳米级，粒径为 100 nm 左右；
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