《炸藥爆轟合成碳包覆納米金屬粒子與其機理研究》是依託大連理工大學,由李曉傑擔任醒目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：炸藥爆轟合成碳包覆納米金屬粒子與其機理研究
- 依託單位：大連理工大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：李曉傑
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
由於炸藥爆轟能產生數千度高溫與數萬大氣壓的高壓，在爆轟波反應區內可以合成出包覆緊密的碳包覆納米金屬粒子。據此，本項目提出了採用炸藥爆轟法合成碳包覆金屬納米顆粒這一類新材料的思路，研究還針對爆轟合成CEMNPs的特點，提出了對其平衡態巨觀機理和納米粒子聚合的細微觀機制的研究方法，以最終實現主動控制CEMNPs的目的。在項目研究中，首先參考其他CEMNPs合成方法已取得的研究成果，選用代表性鐵族元素進行爆轟包覆研究，同時探討其他元素的摻雜合金化對碳包覆作用的影響，以先進的材料學研究手段表征產物；在此基礎上，研究爆轟反應區中的狀態參數分布，以化學平衡態理論建立爆轟反應區的相圖模型，確定爆轟反應的各相分布，從而構成爆轟合成CEMNPs的巨觀平衡態機理；然後，建立納米晶粒在爆轟反應區的成核生長動力學模型，結合對爆轟產物膨脹區的粒子演變歷程研究，最終構成爆轟合成CEMNPs微細觀機制。
結題摘要
在總結前人爆轟法合成納米金剛石、納米碳材料的基礎上，首先，對爆轟前驅體從氧平衡、爆炸性能、熱力學性能、選擇材料等方面對前驅體炸藥進行初步設計，以此出發進行爆轟合成碳包覆金屬納米晶顆粒（Carbon-encapsulated metal nano-particles，簡稱CEMNPs）研究。結果表明，以硝酸鹽與一定量的絡合劑合成金屬絡合物硝酸鹽作為金屬源材料，以猛炸藥（太安或者黑索今）與有機物（醇類、酮類、油脂、有機酸等）混合物為碳源材料，在惰性氣體保護下的密閉容器中，調整前驅體中元素的摩爾比例，大量地製備出碳包覆金屬納米顆粒材料，並以此為基礎，探討了爆轟合成CEMNPs機理。採用DSC/TG熱分析技術對含有鐵、鈷、鎳金屬離子的前驅體中各組分、炸藥混合物及前驅體炸藥分別進行了熱力學分析，通過對前驅體中各組分的熱力學分析及主要組分之間的熱分解動力學的研究。結果表明金屬離子在前驅體中的存在一個最佳的百分含量，並且具有一定規律的動力學特徵，為配製合成碳包覆金屬納米顆粒的前驅體提供了有利的熱力學依據。通過調整前驅體中兩種金屬源材料、碳源材料的元素摩爾比例構成，成功合成了碳包覆合金（FeNi、FeCo）納米顆粒，並採用XRD、TEM、EDX、XRF、Raman和VSM等表征方法，對其物相成分、形貌結構、磁性特徵進行了分析，且一次合成產率大約10~15%。最後，還選用了硝酸銅與檸檬酸按照一定摩爾比與乙二醇配製成凝膠，然後與不同質量比的RDX混合後形成了凝膠前驅體，在密閉容器中惰性氣體保護下，合成了碳包覆銅納米晶顆粒，並採用XRD、SEM、EDX、TEM、XRF和Raman等測試方法對其進行了表征。最後，運用爆轟流體動力學理論、爆轟反應方程組並結合吉布斯最小自由能原理，通過編寫含固體的爆轟反應動力學BKW專用程式(GS-BKW)，實現了爆轟氣體產物與金屬單質或者合金固體狀態方程的耦合，對前驅體炸藥爆轟合成複合納米顆粒的爆轟參數實現了數值計算。結果表明，爆轟壓力範圍在9~ 15GPa，爆轟溫度在2000~3500K之間有利於碳和金屬團簇的生成，最終的碳包覆金屬納米顆粒則是由數納米量級的碳-金屬團簇聚集、生長而成。
