Cr2O3/硝化棉的相容性及热分解机理研究

韩布兴

中国科学院化学研究所，北京 100190

硝化棉(NC)是固体推进剂中常见的含能组分，广泛应用于火炸药、爆炸胶、火箭推进剂中1-3，其分解特性与固体推进剂的燃烧性能密切相关4。近年来，纳米金属氧化物作为燃烧催化剂对含能材料热分解过程的催化作用受到广泛关注5-7。研究表明，纳米金属氧化物如Fe2O3、CuO、Cr2O3、PbO、Bi2O3等可显著加速含能组分分解，提高固体推进剂的燃烧速度8,9。然而，目前纳米金属氧化物/NC复合体系的热力学与动力学缺乏系统研究，同时，NC自身的热分解过程尚未明确。纳米金属氧化物与NC的相容性及复合材料的热分解机理也有待进一步深入探讨。

升温速率为10 °C·min-1时NC的三维IR图谱及分解过程(a)及Cr2O3/NC的三维IR图谱及分解过程(b)。

最近，针对上述问题，西北大学马海霞教授课题组在RSC Advances上发表题为《利用DSC和TGFTIR研究硝化棉/Cr2O3纳米颗粒相容性和热分解机理》的研究论文10，详细探讨了Cr2O3纳米颗粒对NC热分解过程的影响。他们首先利用溶胶-凝胶法合成粒径约100 nm的Cr2O3纳米颗粒，并将其与NC按质量比1 : 1研磨复合。随后以扫描电子显微镜、透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射仪、能谱分析仪、气体吸附分析仪、差示扫描量热仪DSC、热红联用TG-FTIR等手段对材料结构及性能进行了分析测试。利用混合体系与含能材料两者分解峰温之差(ΔTp)为判定标准判定标准发现Cr2O3纳米颗粒与NC相容性良好，可以混合使用。基于非等温动力学研究方法，获得了NC及Cr2O3/NC热分解过程均遵循Avrami-Erofeev方程：f(α) = 0.75(1 -α)[-ln(1 -α)]1/3，纳米Cr2O3的加入可使Cr2O3/NC的表观活化能、指前因子、热点火温度、热爆炸临界温度均低于单组分NC，说明Cr2O3能够加速NC的热分解过程。最后根据TG-FTIR测试结果对不同温度下的产物进行分析，提出了NC及Cr2O3/NC的具体热分解过程。该工作证明纳米Cr2O3能够加快NC聚合骨架中O―NO2键断裂，并能促进凝聚相二次自催化反应。

文中报道的创新性研究成果是马海霞教授课题组在燃烧催化剂应用于固体推进剂方面的系列成果之一，对含能材料的发展具有重要意义。该项工作得到了国家自然科学基金委、西安近代化学研究所及大陆动力学国家重点实验室的大力支持。