纳米技术及其在火药和推进剂中的应用
纳米技术及其在火药和推进剂中的应用摘要介绍了纳米技术的应用领域及其研究开发
现状与发展动向, 尤其是在军用火药和火箭推进剂领域的应用。2  纳米能量物质
2. 1  纳米能量物质定义纳米能量物质是利用金属
氧化物或有机物包覆
纳米金属微粒使其稳定化, 混入火箭推进剂或( T N T,  PDX,  HMX,  PBX 等) 的混合火药, 以及在纳米金属微粒表面附着纳米尺寸的金属氧化物的火工品。纳米微粒成型技术在化合火药中也可应用, 并试制了110 nm ～220 nm 的PDX。过去称其为铝热剂( The r m ite s) , 是轨道焊接等常用的火工品。它虽是铝粉( 25 % ) 和氧化铁粉( 75 % ) 的混合物, 但应用纳米技术能以很宽的混合比使燃烧温度在1 800 K～4 000 K范围变化、使燃烧速度也大幅度变化的超(纳米) 铝热剂正引起广泛关注。需要注意的是, 随着今后的发展, 纳米能量物质的定义也可能变化。
2. 2  与常规能量物质的比较
火药(能量物质)大体有混合火药(复合火药) 和化合火药。前者如是用氧化剂粉末和燃料粉末混合制造,  后者在分子内含有以T M T或RDX为代表的氮2氧基(硝基NO2 、硝胺基NNO2 、硝酸酯基ONO2 ) 有机晶体和硝化纤维素那样的高分子化合物。纳米高能物质一般可归为混合火药类, 不过常规混合火药中
使用的火药成分颗粒大小为数微米至数百微米, 比纳米颗粒大1 000倍以上。纳米高能物质的大小处在化合火药与过去的混合火药之间, 可望具有以下特征:
1)可以大幅度改变氧帄衡(氧分子数/燃料分子数) ;
2 )可以大幅度改变燃料元素和氧化剂元素;
3)因为颗粒小, 燃烧或爆炸时氧化剂与燃料颗粒之间的物质没有扩散作用;
4 )因为反应速度快, 接近完全燃烧, 所以能量高。
关键词纳米技术火药推进剂
前言
著名物理学家理查得·费曼首先提出纳米世界
的可能性。1959 年他发表了“到达极限还有十二分
的余地”为题的讲演, 同年他在美国物理学会的晚
餐会上, 提出了在“昆虫的针状头上可以写入《大英
百科全书》全部24卷”的预言。费曼提出了微小化
技术, 将大的东西逐渐变小的“自上而下( T op 2
down) ”方法。而埃里克·多勒库斯拉在1986年《创
造的机械———纳米技术》的著作中提出了与“自上
而下”相反的“自下而上(Bo tt om up ) ”方法, 即将原
子和分子重叠起来制成所希望的纳米物质的方法。
2001年, 日本政府在选定的信息技术( I T) 、能
量技术和生物技术上增加了纳米技术作为国家级的
感恩教师节的寄语第  4 个重要领域。美国总统克林顿2000 年  1 月在
加利福尼亚大学发表了作为国家战略之一的纳米技
术战略(NN I) 的演讲。2001 年在美国化学学会关
于“纳米物质在防卫领域应用”的专题讨论中, “纳
米能量物质”是四个话题之一。此后, 有关军方、
政府研究单位和大学以“纳米能量物质”在先进火
药、推进剂中的应用为中心展开广泛研究。
1  纳米技术的应用领域
纳米技术超越了过去的狭窄专门技术领域, 其清华投毒
应用领域很广。
纳米能量物质和纳米金属微粒在具体装备中的
应用包括利用纳米能量物质的高性能推进剂, 高能
量密度和应用纳米反应物质的结构能量物质。
其中关键的是纳米铝粉, 另外在军用卫星上的应用
也在考虑之中。
·62·飞航导弹2007年第11
以上 1 )和 2 )用混合火药容易做到 , 而用化合 火药必须改变分子中的官能团 (进行新合成 ) , 灵活 性较低 。关于 3 )和 4 ) , 化合火药燃料成分和氧化 剂成分是在每一个分子中 , 燃烧或爆炸均匀且反应 速度高 , 在混 合火 药 中 燃 料 与 氧 化 剂 决 定 扩 散 速
度 。纳米能量物质因为两种成分或多种成分之间的 距离极短 , 为纳米级 , 反应没有扩散作用 , 与化合 火药同样反应速度极快 。也就是说纳米能量物质有 可能填补过去的混合火药和化合火药的边界领域或 空白领域 。
2. 3  纳米能量物质应用的可能性
图 1所示为主要弹药如何应用纳米材料和纳米 能量物质提高性能的示意图 。纳米能量物质可用于 点火 、起爆 、发射和战斗部的 。特别是关于战 斗部的 , 纳米能量物质作为 T BX (热 )的成 分 , 可以根据需要改变能量释放速度 (爆炸速度 )和 冲击量的自由度 , 因而引起关注 。
图 1 纳米能量物质与纳米材料在武器上应用
3  纳米微粒制造方法
如上所述 , 纳米微粒的制造中有自上而下方式 和自下而上方式 。自上而下方式是物理方法 , 也称 气相法 , 而自下而上方式是化学方法 , 也可称为液 相法 。物理方法是利用比金属间结合能更强的能量 进行细微化的方法 , 如机械粉碎法 、化学气相成长 法和激光磨擦法等 。化学方法是将水中的金属离子 还原 , 产 生 金 属 原 子 , 控 制 凝 聚 制 成 纳 米 金 属 微 粒 , 也称为溶胶凝胶法 。
图 2  铝粒径对燃速的影响
A l ex ) 。
图 2所示为纳米铝对燃速的影响 。有纳米铝的 推进剂其燃速比使用粒径 3 μm 的铝在高压下燃速 约高 4 倍 , 充分证明了纳米尺寸的效应 。不过完全 用纳米铝置 换铝 时 , 粘 合 剂 不 能 覆 盖 全 部 固 体 微 粒 , 将形成机械物性差的推进剂 。因此试制了连续 改变粗粒铝 ( H30 )和纳米铝的混合比的推进剂 , 研 究了其对 燃 速 的 影 响 。试 验 证 明 , 纳 米 铝 含 有 率 40 %左右时 , 燃速有很大增加 , 而含有率 50 %以上
时无太大变化 。由此可以判断 : 实际应用中纳米铝 含量为 20 % ～40 % , 可以较大增加燃速 。 4. 2  超热剂
以纳米铝作为燃料 , 纳米金属氧化物作为氧化 剂的混合物被称为超热剂 , 与同样组成的原有热剂
·
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4  纳米能量物质的应用举例 4. 1  复合推进剂
复合推进剂中一般混入约 20 %的铝粉 , 其粒径 通常为数十微米 。美国乔治亚工业大学用 100 nm 的纳米铝分阶段置换原来的铝粉 , 同时混入粒径不 同的铝进行了研究 。因为纳米铝比重较小 , 在推进 剂中加入所需要的质量时 , 固体成分的体积增加 , 粘合剂是 否 可 以 粘 结 氧 化 剂 A P  和 铝 成 为 新 的 课 题 。复 合 推 进 剂 的 粘 合 剂 是 含 有 环 氧 连 接 剂 ( 21 % )和增塑剂 DOA ( 16 % ) 的  PBAN ( 63 % ) , 推 进剂 的 组 成 为 粘 合 剂  ( 11 % ) 、 A  P ( 71 % ) 和 铝 ( 18 % ) 。关于 铝 , 可 单 独 或 混 合 使 用  H30、H 15、 H3 (数字为标称粒径 , 单位 μm ) 和纳米铝 (商品名 飞航导弹 2007年第 11 期
图4  在煤油系燃料( R P21 )中混入5 %
的纳米铝的燃料模拟火箭燃烧试验图3  纳米氧化铁/纳米铝混合物在密闭
容器燃烧的压力—时间曲线
20 nm。图4所示为以含5 %纳米铝的R P21 作为燃
料的火箭发动机燃烧状况。
比较, 燃速特别快, 燃烧温度和放热量都很高。铝
与氧化铁的组合, 燃烧温度为  3 198 ℃, 放热量为
425 kJ /mo l。在密闭容器内使铝与氧化铁超热剂燃
烧时的燃烧曲线(压力/时间曲线)如图  3 所示。燃
烧时间可从燃烧曲线中的时间差( t2-  t1) 求出。开车晚上污痛痛的句子
因为纳米热剂是无气体燃烧, 所以压力是密闭容器
内的空气加热产生的, 在峰值后由于向容器传热很
快下降到初始值。超热剂有与同等的反应速
度, 可望出现远超过以前火工品范围的新火药。
4. 3  混合纳米铝凝胶化的火箭燃料
2001年美国国家航空航天局(NA S A )发表调查
报告称, 在煤油系火箭燃料( R P21 )和液氢中混入纳
米铝进行凝胶化, 其安全性很高, 而且比冲增加,
送往火星的有效载荷可增加20 %～30 %。值得注
意的是该纳米铝由洛斯·阿拉莫斯国家实验室
(L ANL )用改进溶胶凝胶法制造, 其帄均粒径为
5  纳米能量物质的现状与未来展望
美国国防部认识到在不远的将来不仅要大量生
产纳米高能物质, 而且必须提高调整粒径与粒径分
布以及化学组成的能力。因此, 国防部在2002 年
创立了以大学的研究机构为中心的国防大学纳米技
术研究所(DUR I N T) 。
大学的研究室与军方的研究所设有同样装置,
两者紧密合作开展研究。美国各军种都有纳米能量
物质的相关项目, 其中陆军包括全部纳米能量物
质, 海军主要是纳米电子, 空军主要是用于推进剂
的纳米能量物质。
现在市场上已出现了50 nm 和100 nm 的纳米
铝产品, 可以随意购买。纳米铝具有适当厚度的氧
化膜, 比较容易处理, 而且使用安全。
王永寿苏鑫鑫
(上接第56 页)
4  结论
基于固体火箭发动机一次使用、不可修复性的
特点, 可靠性设计、试验与评定是提高发动机可靠
牌的组词性, 减少研制费用和周期的最有效手段。合理利用
计算机辅助设计固体火箭发动机系统可减少人为主
观因素的影响, 精确的试验模型和手段以及日益完
善的小子样变动母体的统计与计算都是目前固体火
箭发动机可靠性研究的主要方向。
参考文献
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送小孩什么礼物好[ 2 ]
灭菌[ 3 ]
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