韓布興

中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京 100190

硝化棉(NC)是固體推進(jìn)劑中常見的含能組分，廣泛應(yīng)用于火炸藥、爆炸膠、火箭推進(jìn)劑中1-3，其分解特性與固體推進(jìn)劑的燃燒性能密切相關(guān)4。近年來，納米金屬氧化物作為燃燒催化劑對含能材料熱分解過程的催化作用受到廣泛關(guān)注5-7。研究表明，納米金屬氧化物如Fe2O3、CuO、Cr2O3、PbO、Bi2O3等可顯著加速含能組分分解，提高固體推進(jìn)劑的燃燒速度8,9。然而，目前納米金屬氧化物/NC復(fù)合體系的熱力學(xué)與動力學(xué)缺乏系統(tǒng)研究，同時，NC自身的熱分解過程尚未明確。納米金屬氧化物與NC的相容性及復(fù)合材料的熱分解機(jī)理也有待進(jìn)一步深入探討。

升溫速率為10 °C·min-1時NC的三維IR圖譜及分解過程(a)及Cr2O3/NC的三維IR圖譜及分解過程(b)。

最近，針對上述問題，西北大學(xué)馬海霞教授課題組在RSC Advances上發(fā)表題為《利用DSC和TGFTIR研究硝化棉/Cr2O3納米顆粒相容性和熱分解機(jī)理》的研究論文10，詳細(xì)探討了Cr2O3納米顆粒對NC熱分解過程的影響。他們首先利用溶膠-凝膠法合成粒徑約100 nm的Cr2O3納米顆粒，并將其與NC按質(zhì)量比1 : 1研磨復(fù)合。隨后以掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、傅里葉變換紅外光譜、X射線衍射儀、能譜分析儀、氣體吸附分析儀、差示掃描量熱儀DSC、熱紅聯(lián)用TG-FTIR等手段對材料結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了分析測試。利用混合體系與含能材料兩者分解峰溫之差(ΔTp)為判定標(biāo)準(zhǔn)判定標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)Cr2O3納米顆粒與NC相容性良好，可以混合使用?；诜堑葴貏恿W(xué)研究方法，獲得了NC及Cr2O3/NC熱分解過程均遵循Avrami-Erofeev方程：f(α) = 0.75(1 -α)[-ln(1 -α)]1/3，納米Cr2O3的加入可使Cr2O3/NC的表觀活化能、指前因子、熱點(diǎn)火溫度、熱爆炸臨界溫度均低于單組分NC，說明Cr2O3能夠加速NC的熱分解過程。最后根據(jù)TG-FTIR測試結(jié)果對不同溫度下的產(chǎn)物進(jìn)行分析，提出了NC及Cr2O3/NC的具體熱分解過程。該工作證明納米Cr2O3能夠加快NC聚合骨架中O―NO2鍵斷裂，并能促進(jìn)凝聚相二次自催化反應(yīng)。

文中報道的創(chuàng)新性研究成果是馬海霞教授課題組在燃燒催化劑應(yīng)用于固體推進(jìn)劑方面的系列成果之一，對含能材料的發(fā)展具有重要意義。該項(xiàng)工作得到了國家自然科學(xué)基金委、西安近代化學(xué)研究所及大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持。