彭 浩，宋小蘭，王 毅，程志鵬，安崇偉

（1.中北大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，山西 太原030051； 2.中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030051； 3.淮陰師范學(xué)院，化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 淮安 223300）

0 引 言

含能材料是火炸藥及推進(jìn)劑領(lǐng)域的重要組成部分，納米含能材料因為具有不同于傳統(tǒng)含能材料新物理化學(xué)性能、高能量釋放速率和燃燒效率等特點(diǎn)，受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注［1］。最新研究中，人們?yōu)榱藘?yōu)化和提高能量輸出性能，對復(fù)合物的組成及形態(tài)控制提出了更高要求，而納米復(fù)合纖維表現(xiàn)出良好的機(jī)械完整性，且其燃燒行為可以通過調(diào)節(jié)芯層中的納米粒子含量進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而增強(qiáng)了燃燒和點(diǎn)火的卓越性［2］。不僅如此，通過對納米粒子的包覆還可以有效地避免因高表面能而出現(xiàn)團(tuán)聚和不易分散的問題［3］。

共混靜電紡絲法是納米復(fù)合纖維制備的常用方法，具有簡單、高效、便捷的特點(diǎn)［4］，國內(nèi)常以硝化棉（NC）作為納米復(fù)合纖維的基體材料，洪穎等［1］使用丙酮作為溶劑，制備了經(jīng)過改性的B/NC 納米纖維，提高了纖維的熱分解性。翟威等［5］通過靜電紡絲法制備了NC/GAPE/CL-20 含能復(fù)合纖維，得到了能量性能良好、感度低的復(fù)合含能材料。謝龍等［6］探索了含有納米鋁粉的NC 纖維的最佳制備工藝，使納米鋁粉均勻分散在NC 纖維中。夏敏等［7］使用丙酮和乙醇混合溶劑制備了NC 靜電紡絲納米纖維，發(fā)現(xiàn)分解熱有明顯提高。徐紅梅等［8］采用靜電紡絲法制備出RDX/NC納米復(fù)合纖維，與純NC 相比，彈性模量高出了兩倍。但是，由該方法制得的納米復(fù)合纖維在反應(yīng)過程中易快速分解，會產(chǎn)生反應(yīng)速度難以控制等問題［2］。相比之下，在共混靜電紡絲基礎(chǔ)上發(fā)展而來的同軸靜電紡絲法，可以將不同的原料同時裝入核殼纖維中，內(nèi)層纖維可以受到外層纖維的保護(hù)，黃仕銀等［9］制得了PVA/AMT-PVA 同軸復(fù)合納米纖維，探究出了最佳工藝；朱雅婷等［10］用同軸靜電紡絲技術(shù)制備具有核殼結(jié)構(gòu)的SIO/PVA 納米纖維膜，其力學(xué)性能、親水性能和抗氧化活性均得到改善。同時，由于核殼兩層原料的熔點(diǎn)不同，這種結(jié)構(gòu)還可以實現(xiàn)物質(zhì)的順序控制和可控燃燒，Wang 等［2］制備了高能鋁芯/疏水殼納米纖維，證明了復(fù)合納米纖維的放熱性能是可控的；Wei 等［11］制備了含能亞穩(wěn)態(tài)n-Al@PVDF/EMOF 復(fù)合納米纖維，其能量輸出和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)得到顯著提高。

作為火箭推進(jìn)劑的常用組分之一，納米硼粉的燃燒性能較優(yōu)秀，能顯著提高含能材料體系的能量［1］但其表面容易氧化，同時也因其高表面能而容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，造成燃燒不充分，能量釋放不完全。因此，本研究制備n-B/NC 的前驅(qū)體溶液作為芯層溶液以改善納米硼粉的分散性能，制備F2602溶液作為殼層溶液，并通過同軸靜電紡絲技術(shù)制備獲得n-B/NC/F2602雙層納米纖維，為納米硼的實際使用開辟新的途徑，利用優(yōu)化的納米結(jié)構(gòu)實現(xiàn)更高的能量輸出。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

無定型納米硼粉（n-B），中位粒徑50～80 nm，阿拉丁有限公司；硝化棉（NC），含氮量12%，山西興安化學(xué)工業(yè)有限公司；氟橡膠（F2602），東莞市寶聚萊塑膠原料有限公司氟材料部；丙酮，純度99.5%，天津富宇精細(xì)化工有限公司；乙醇，純度為95%，天津富宇精細(xì)化工有限公司。

電子分析天平，HZK-F4，福州華志科學(xué)儀器有限公司；注射泵，TYD01-01，保定雷弗流體科技有限公司；注射器，10 mL，廣西北侖河醫(yī)科集團(tuán)有限公司；高壓電源，DW-P303，天津東文電源有限公司；磁力攪拌器，85-2A，常州蘇瑞儀器有限公司；掃描電子顯微鏡（SEM），TESCANMIRA3，泰思肯有限公司。

1.2 靜電紡絲的制備

將NC 溶于丙酮與乙醇（v丙酮∶v乙醇=9.5∶0.5）混合溶液中，配成質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的NC溶液，將納米硼粉加入到NC 溶液，硼粉和NC 質(zhì)量比為1∶10（mB∶mNC=1∶10），超聲30 min，在42.5 ℃下攪拌4 h，靜置8 h，制得n-B/NC 芯層溶液，將F2602溶于丙酮溶液，配成F2602質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%的殼層溶液。

將上述2 種溶液進(jìn)行同軸靜電紡絲，同軸靜電紡絲裝置示意圖如圖1 所示。同軸靜電紡絲工藝參數(shù)：針頭內(nèi)徑0.84 mm，外徑1.27 mm，工作電壓16 kV，針頭到收集器之間的距離12 cm；芯層流速3.6 mL·h-1，殼層流速6 mL·h-1，環(huán)境溫度20～29 ℃。

2 工藝參數(shù)

靜電紡絲的工藝參數(shù)對于最后紡絲產(chǎn)物的形成至關(guān)重要，而纖維的結(jié)構(gòu)又影響著纖維的比表面積、熱分解性能等［12］。如：紡絲液的濃度會影響同軸納米纖維的形貌，如果核殼紡絲液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和同軸靜電紡絲的參數(shù)相匹配，電場力就能夠克服表面張力，形成泰勒錐實現(xiàn)穩(wěn)定噴射流，最后沉積到接收器上形成具有規(guī)整形貌的納米纖維膜［13］；而在同軸靜電紡絲技術(shù)中，核殼兩層紡絲液的流速也是影響泰勒錐形態(tài)的重要因素之一，泰勒錐的穩(wěn)定性是均勻形成核殼結(jié)構(gòu)納米纖維的關(guān)鍵前提，其形態(tài)決定了射流纖維的直徑大小與成膜結(jié)構(gòu)［14］；靜電紡絲的工作原理是聚合物溶液在高壓電場的作用下克服表面張力被拉伸，因此電壓對產(chǎn)物的形態(tài)和結(jié)構(gòu)有重要影響［15］；接收距離會影響電場作用力的大小和射流在電場中被拉伸的時間，會對纖維的形貌產(chǎn)生較大的影響［16］。

本研究采用控制變量法研究芯層溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、殼層溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、工作電壓、針頭到收集器之間的距離、以及殼層流速對n-B/NC/F2602復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)影響并探索最佳制備條件。

2.1 n-B/NC 芯層溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)

芯層溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)會對后續(xù)同軸靜電紡絲的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。將丙酮與乙醇混合，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%，15%，20%的NC 溶液，將納米硼粉加入到NC溶液中，mB∶mNC=1∶10，纖維制備條件：注射針頭內(nèi)徑0.84 mm，工作電壓16 kV，針頭到收集器之間的距離12 cm，注射速率3.6 mL·h-1，不同溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下n-B/NC 紡絲產(chǎn)物SEM 結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)下n-B/NC 紡絲產(chǎn)物SEM 圖Fig.2 SEM pictures of n-B/NC spinning products with different solution mass fractions

圖2a 顯示，當(dāng)溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，所得紡絲產(chǎn)物存在大量紡錘體，部分纖維粗細(xì)不均勻且存在粘結(jié)和分叉現(xiàn)象，這是溶劑蒸發(fā)不及時導(dǎo)致其存留在接收裝置上的原因［17］；圖2b 顯示，在溶液質(zhì)量濃度為15%時，沒有出現(xiàn)紡絲產(chǎn)物分叉和粘結(jié)的情況，纖維分布均勻，表面較光滑；圖2c 顯示，當(dāng)濃度增大到20%，存在部分紡錘體，這是由于黏度和分子纏繞度的增加，纖維的直徑分布變得不均勻，形態(tài)變得較差。同時，隨著溶液濃度的進(jìn)一步增加，黏度也隨之增加，這將導(dǎo)致靜電紡絲變得更加困難。

2.2 n-B/NC/F2602同軸靜電紡絲工藝參數(shù)

本研究采用控制變量法，在NC 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%（mB∶mNC=1∶10），注射速率3.6 mL·h-1的情況下，研究殼層溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)、電壓、針頭到收集器之間的距離、以及殼層流速對n-B/NC/F2602復(fù)合纖維的結(jié)構(gòu)影響。

2.2.1 殼層溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對n-B/NC/F2602復(fù)合纖維產(chǎn)物形貌的影響

殼層溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，10%，15%的SEM 圖片及纖維直徑分布圖如圖所3 示，其他纖維制備條件不變：靜電紡絲電壓16 kV，注射速率6 mL·h-1，針頭到收集器之間的距離12 cm，注射針頭外徑1.27 mm。

圖3a 顯示F2602質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時，纖維平均直徑為0.64 μm，中位直徑0.52 μm，纖維形態(tài)不均勻，部分纖維存在粘接，分析認(rèn)為這是由于殼層溶液濃度低，溶劑比例過高導(dǎo)致溶劑揮發(fā)不及時造成的［17］；圖3b 顯示F2602質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，纖維平均直徑為0.8 μm，中位直徑0.66 μm，纖維形態(tài)較均勻，部分纖維存在紡錘體，分析認(rèn)為這是由于分子鏈纏結(jié)度不高造成的［5］；圖3c 顯示F2602質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時，纖維平均直徑為1.34 μm，中位直徑1.27 μm，纖維直徑分布集中，形態(tài)均勻，表面光滑，無明顯粘接。濃度繼續(xù)增大，黏度增加會導(dǎo)致外針頭堵塞無法連續(xù)紡絲。綜上，當(dāng)其他工藝參數(shù)相同時，殼層質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%能滿足實驗需求。

2.2.2 工作電壓對n-B/NC/F2602復(fù)合纖維產(chǎn)物形貌的影響

工作電壓為12，16，20 kV 的SEM 圖片及纖維直徑分布圖如圖4 所示，其他纖維制備條件不變：殼層溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，注射速率6 mL·h-1，針頭到收集器之間的距離12 cm，注射針頭外徑1.27 mm。

圖4a 顯示工作電壓為12 kV 時，纖維平均直徑為1.32 μm，中位直徑1.21 μm，纖維產(chǎn)物存在紡錘體，部分存在粘接現(xiàn)象，分析認(rèn)為這是由于靜電力較弱，導(dǎo)致對溶液的拉伸作用減弱造成的；圖4b顯示工作電壓為16 kV 時，纖維平均直徑為1.5 μm，中位直徑1.33 μm，纖維產(chǎn)物粗細(xì)均勻，形態(tài)規(guī)則；圖4c 顯示工作電壓為20 kV 時，纖維平均直徑為1.29 μm，中位直徑為1.18 μm，纖維產(chǎn)物粗細(xì)不均勻，表面不光滑，分析認(rèn)為這是由于注射器噴頭的不穩(wěn)定提高造成的［5］。綜上所述，當(dāng)其他工藝參數(shù)相同時，工作電壓16 kV 能滿足實驗需求。

2.2.3 針頭到收集器之間的距離對n-B/NC/F2602復(fù)合纖維產(chǎn)物形貌的影響

針頭到收集器之間的距離為10，12，14 cm 的SEM 圖片及纖維直徑分布圖如圖5 所示，其他纖維制備條件不變：殼層溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，注射速率6 mL·h-1，工作電壓16 kV，注射針頭外徑1.27 mm。

圖5a 顯示針頭到收集器之間的距離為10 cm 時，纖維平均直徑1.37 μm，中位直徑1.27 μm，纖維產(chǎn)物粗細(xì)不均勻，部分存在紡錘體，分析認(rèn)為這是由于針頭到收集器之間的距離近，噴射速度快，導(dǎo)致纖維沒有被完全拉伸造成的；圖5b 顯示針頭到收集器之間的距離為12 cm 時，纖維平均直徑1.41 μm，中位直徑1.32 μm，纖維產(chǎn)物粗細(xì)均勻，表面光滑；圖5c 顯示針頭到收集器之間的距離為14 cm 時，纖維平均直徑1.37 μm，中位直徑1.09 μm，纖維產(chǎn)物粗細(xì)不均勻，存在粘連，分析認(rèn)為這是由于針頭到收集器之間的距離遠(yuǎn)，針頭與接收板之間的靜電力降低造成的。綜上，當(dāng)其他工藝參數(shù)相同時，針頭到收集器之間的距離12 cm能滿足實驗需求。

2.2.4 殼層流速對n-B/NC/F2602復(fù)合纖維產(chǎn)物形貌的影響

殼層注射速率為4，6，8 mL·h-1的SEM 圖片及纖維直徑分布圖如圖6 所示，其他纖維制備條件不變：殼層溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%，注射速率6 mL·h-1，針頭到收集器之間的距離12 cm，注射針頭外徑1.27 mm。

圖4 不同紡絲電壓下的n-B/NC/F2602的SEM 及直徑分布圖Fig.4 SEM and diameter distribution of n-B/NC/F2602 at different spinning voltage

圖6a 顯示殼層流速為4 mL·h-1時，纖維平均直徑為1.53 μm，中位直徑1.42 μm，纖維產(chǎn)物均勻性差，分析認(rèn)為這是由于噴射速度過快，溶液推進(jìn)速度跟不上造成的；圖6b 顯示殼層流速為6 mL·h-1時，纖維平均直徑為1.36 μm，中位直徑1.25 μm，纖維產(chǎn)物均勻性好，無明顯粘連；圖6c 顯示殼層流速為8 mL·h-1時，纖維平均直徑為1.21 μm，中位直徑1.13 μm，纖維產(chǎn)物粗細(xì)不均勻，粘接明顯，存在分叉，分析認(rèn)為這是由于紡絲速率過快，針頭處溶液增多，導(dǎo)致溶劑在到達(dá)接收裝置之前不能及時揮發(fā)［18-19］造成的。綜上，當(dāng)其他工藝參數(shù)相同時，殼層流速6 mL·h-1能滿足實驗需求。

3 n-B/NC/F2602同軸纖維性能分析

圖7 n-B/NC 和n-B/NC/F2602納米纖維的SEM 及直徑分布圖Fig.7 SEM and diameter distribution of n-B/NC and n-B/NC/F2602 nanofibers.

圖7 為n-B/NC 和n-B/NC/F2602納米纖維的SEM 及直徑分布圖，在最佳制備條件下制備n-B/NC/F2602，得到的產(chǎn)物如圖7b 所示，該纖維為均勻且直徑分布集中的產(chǎn)物。圖7a 顯示n-B/NC 單層纖維平均直徑為0.72 nm，可以清楚看見納米硼粉被包覆在n-B/NC 單層纖維里；圖7b顯示n-B/NC/F2602平均直徑為1.32 μm，其直徑超過n-B/NC 單層纖維的平均直徑0.67 μm，可以初步得出結(jié)論：F2602包覆于n-B/NC 單層纖維外部，形成了雙層纖維。

3.1 n-B/NC/F2602 雙層含能纖維的X-射線光電子能譜分析

X-射線光電子能譜（XPS）是一種定量光譜技術(shù)，可測量表面（通常是頂部1～10 nm）的元素組成［20］。為了驗證n-B/NC 是否與F2602完全形成雙層纖維，使用XPS 測量了雙層纖維。如圖8a 所示，結(jié)合能為290，533，687 eV 的特征峰分別對應(yīng)C1s、O1s、F1s，在圖8b 的C1s 光譜中，結(jié)合能為284.4，286.6，293.3 eV 的特征峰分別屬于C—C 鍵、C—O 鍵、C—F3鍵，結(jié)合能289.4，290.8 eV 的特征峰則對應(yīng)全氟丙烯和偏二氟乙烯中的—CF2鍵，—CF3的特征峰結(jié)合能為293.3 eV。在圖8b的O1s光譜圖中，結(jié)合能531.4，532，533.82 eV的特征峰則分別對應(yīng)C—O、—NO2、—O—NO2鍵，在圖8d 的F1s 光譜圖中，結(jié)合能688.1 eV 的特征峰對應(yīng)的為C—F 鍵，表明氟元素存在于樣品表面。結(jié)合能位于191，401 eV 的B1s、N1s 峰，這2 種峰分別為樣品中硼粉及硝化棉特有的峰，它們在樣品中很難被檢測到，證明了n-B/NC 被F2602包覆完整，且整個樣品未檢測到其他特征峰，表明該樣品無其他雜質(zhì)的引入。

3.2 n-B/NC/F2602雙層含能纖維的紅外光譜分析

采用IR對n-B/NC/F2602同軸紡絲產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中的基團(tuán)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。在該產(chǎn)物中，出現(xiàn)了一些典型的吸收峰，如1400～1000 cm-1處的C—F 吸收峰，1390 cm-1處的—CF2吸收峰來自F2602，以及1160 cm-1和1200 cm-1處的—CF3吸收峰。此外，還可以看到829 cm-1處的CF2＝CF2吸收峰。這些吸收峰的存在表明了F2602存在于紡絲產(chǎn)物中。另外，1270 cm-1和1640 cm-1處的兩個吸收峰則分別代表著—ONO2的對稱和反對稱伸縮振動。同時，在1060 cm-1和746 cm-1處也出現(xiàn)了一些峰，分別是C—O 環(huán)間伸縮振動和C—O—NO2變形振動。所有這些吸收峰都與NC 的分子結(jié)構(gòu)相匹配，從而證明了該紡絲產(chǎn)物中存在NC。光譜圖中未觀察到其他新的基團(tuán)特征峰，表明紡絲過程沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引入其他基團(tuán)。

3.3 n-B/NC/F2602雙層含能纖維的熱性能分析

本研究采用DSC-TG 裝置，在空氣氣氛中以10 ℃·min-1的升溫條件，觀察樣品的放熱分解峰及增重，結(jié)果如下所示：

圖8 n-B/NC/F2602復(fù)合纖維的XPS 圖譜Fig.8 XPS spectrum of composite fiber of n-B/NC/F2602

圖9 n-B/NC/F2602復(fù)合纖維的IR 圖譜Fig.9 n-B/NC/F2602 IR spectrum of composite fiber

圖10 原料及n-B/NC/F2602復(fù)合纖維的DSC 和TG 曲線Fig.10 DSC and TG curves of raw materials and n-B/NC/F2602 composite fibers

圖10a 顯示，201.6 ℃為NC 的放熱峰，該峰與硼粉的放熱峰完全分離，證明NC 的分解放熱無干擾；溫度繼續(xù)上升到360.7 ℃，F(xiàn)2602開始分解，該過程持續(xù)至整個反應(yīng)完成，當(dāng)繼續(xù)升溫至一定程度，硼粉與空氣發(fā)生氧化，開始放熱；原料硼粉、n-B/NC/F2602中的硼粉放熱分解峰的位置不同，原料硼粉的放熱峰位于546.7 ℃，n-B/NC/F2602中的硼粉放熱峰位于505.7 ℃，比原料硼粉的峰溫降低41 ℃。這是因為紡絲后，NC及F2602的分解放熱提高了硼粉周圍的溫度；同時，紡絲處理后，硼粉的分散性更好，反應(yīng)時與空氣的接觸面積更廣，使硼粉在反應(yīng)過程中的峰溫下降。

圖10b 顯示NC 從187.73 ℃開始急劇反應(yīng)失重，到208 ℃失重結(jié)束，可見NC 不參與后面硼粉與空氣的反應(yīng)。繼續(xù)升溫至354.04 ℃，F(xiàn)2602開始急劇反應(yīng)失重，直到510 ℃該反應(yīng)完成，反應(yīng)期間，硼粉因為溫度的升高發(fā)生了分解反應(yīng)，與空氣生成了硼氧化物，導(dǎo)致分解峰變緩，溫度達(dá)到520 ℃增重結(jié)束，曲線變平緩。該過程中原料硼粉增重135.47%，n-B/NC/F2602中的硼粉增重6.37%，除以纖維中的硼粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.56%，得硼在n-B/NC/F2602中增重為178.9%，比原料硼粉增重多43.43%，這是由于硼粉在n-B/NC/F2602納米纖維中的分散性比原硼粉好，反應(yīng)時與空氣的接觸面積更大，因此紡絲后，硼粉的反應(yīng)程度加深，能量釋放更徹底。

3.4 n-B/NC/F2602雙層含能纖維的燃燒性能分析

利用密閉爆發(fā)器分別兩次測定了n-B/NC 單層纖維與n-B/NC/F2602雙層纖維（m=50 mg）的燃燒壓力增長過程，并得到了燃燒火焰效果圖（圖11），根據(jù)實驗結(jié)果，2 種樣品均能發(fā)生燃燒，從圖11c、d 可以看出，相 比 于a、b 的n-B/NC 單 層 纖 維，n-B/NC/F2602雙 層 纖維燃燒明顯更劇烈且更迅速，它的火焰燃燒產(chǎn)生的推進(jìn)作用很明顯，可以輕易地被觀察到，出現(xiàn)了內(nèi)部燃燒推動外部燃燒的行為，圖11c 可以看出明顯的內(nèi)外火焰顏色的區(qū)別。

圖11 燃燒火焰圖：（a～b）n-B/NC 燃燒火焰，（c～d）n-B/NC/F2602燃燒火焰Fig.11 combustion flame diagram：（a-b）n-B/NC combustion flame，（c-d）n-B/NC/F2602 combustion flame

恒容燃燒通常被用來研究含能材料燃燒或爆炸產(chǎn)生氣體的能力，在體積恒定的燃燒室中分別將2 種樣品點(diǎn)燃，研究單雙層結(jié)構(gòu)對燃燒性能的影響。通常，在燃燒過程中氣體產(chǎn)物不斷產(chǎn)生使得燃燒室內(nèi)壓力迅速上升達(dá)到峰值，而增壓速率通過計算峰值壓力（pmax）的10% 到90% 之 間 的 斜 率 來 確 定［21］，測 試 結(jié) 果 如圖12 所示，峰值壓力與增壓速率見表1，表1 顯示，F(xiàn)2602作為外層結(jié)構(gòu)的加入，對燃燒性能產(chǎn)生了積極的影響，三組n-B/NC 單層纖維到達(dá)峰值的時間較長，平均壓力峰值為0.31 MPa，平均增壓速率為0.19 MPa·s-1，燃燒壓力曲線呈現(xiàn)單峰；而三組n-B/NC/F2602雙層纖維到達(dá)峰值的時間較快，平均壓力峰值為0.48 MPa，平均增壓速率為0.44 MPa·s-1，燃燒壓力曲線呈現(xiàn)雙峰，第一個峰出現(xiàn)的主要原因為NC 的燃燒溫度在200 ℃左右，低于F2602的500 ℃，因此先于F2602開始燃燒，由于受到外部F2602的限制，燃燒產(chǎn)物的正常排出受到了阻礙。當(dāng)F2602發(fā)生燃燒后，由于前期燃燒壓力的疊加，第二個壓力峰會明顯高于第一個壓力峰，所以雙層結(jié)構(gòu)相比于單層結(jié)構(gòu)對燃燒性能的提升是更明顯的。

圖12 樣品的燃燒壓力曲線Fig.12 combustion pressure curves of two samples

表1 樣品恒容燃燒的峰壓和增壓速率Table 1 Peak pressure and supercharging rate of constant volume combustion of two samples

3.5 n-B/NC/F2602雙層含能纖維的能量性能分析

本研究利用CproPEP 軟件，在燃燒室壓力pc=7×106Pa、發(fā)動機(jī)噴口壓力pe=1.01×105Pa、初溫T0=298 K 的條件下，計算了n-B/NC/F2602雙層纖維的能量性能，預(yù)測了藥劑的標(biāo)準(zhǔn)比沖（Isp）、特征速度（C*）、燃燒溫度（Tc）、燃燒產(chǎn)物平均分子量（Mw）和具體燃燒產(chǎn)物及其摩爾分?jǐn)?shù)，并與n-B/NC 單層纖維進(jìn)行了對比研究。結(jié)果如下所示，從圖13a～b 中可以看出n-B/NC 單層纖維燃燒后產(chǎn)生的H2及CO 分別占燃燒產(chǎn)物的30%及48.9%；n-B/NC/F2602雙層纖維燃燒后產(chǎn)生的H2及CO 分別占燃燒產(chǎn)物的11.7%及23.3%，CO 和H2為發(fā)動機(jī)推力的主要來源；表2顯示n-B/NC 單層纖維燃燒釋放的能量和做功能力優(yōu)于n-B/NC/F2602雙層纖維，但是，由圖13b發(fā)現(xiàn)，外層F2602加入使CO 與H2的含量減少，CO2的含量增加。這是因為F2602的加入提高了系統(tǒng)的氧平衡。使n-B/NC/F2602雙層纖維燃燒更加充分，產(chǎn)物的平均分子量（Mw）升高。因此n-B/NC/F2602雙層纖維在固體推進(jìn)劑中有更好的應(yīng)用前景。

圖13 樣品的燃燒產(chǎn)物及其摩爾比Fig.13 combustion products and their molar ratios

表2 樣品的能量性能Table 2 Energy performance of samples

4 結(jié) 論

本研究通過開展納米B/NC/F2602雙層含能纖維的制備及其性能的研究，得到結(jié)論如下：

（1）將硼粉與NC 及F2602同軸靜電紡絲，制備了n-B/NC/F2602納米纖維，平均直徑為1.32 μm，纖維直徑均勻，硼粉較好的被分散于NC 溶液中，改善了硼粉易團(tuán)聚的缺點(diǎn)。

（2）硼在n-B/NC/F2602中的增重比原料硼粉增重多43.43%，硼在n-B/NC/F2602中的放熱峰溫比原料硼粉的峰溫降低41 ℃，雙層結(jié)構(gòu)使得納米硼粉能更好的應(yīng)用于推進(jìn)劑領(lǐng)域中。

（3）n-B/NC/F2602雙層纖維平均燃燒壓力比單層纖維高0.17 MPa；n-B/NC/F2602雙層纖維平均增壓速率比單層纖維快0.25 MPa·s-1。具有雙層包覆結(jié)構(gòu)的n-B/NC/F2602核殼纖維表現(xiàn)出優(yōu)異的燃燒性能。