低成本介孔SiO?增强Al-Mg/AP含能复合材料的燃烧性能与能量释放

《Applied Thermal Engineering》：Low-cost mesoporous SiO 2 enables enhanced combustion and energy release in Al-Mg/AP energetic composites

　　

引言

能够发生自持氧化还原反应并在短时间内释放大量能量的含能材料，被广泛应用于现代武器系统和航空航天推进领域[1]、[2]。其中，由高氯酸铵（AP）基强氧化剂和铝粉基高能燃料组成的复合体系，凭借其优异的能量特性和灵活的氧平衡可调性，已成为含能材料领域的研究热点[3]。然而，铝基含能材料目前仍面临反应速率低和能量释放动力学欠佳等关键科学挑战[4]。为克服上述局限，研究人员开展了大量工作。在燃料选择方面，通过引入过渡金属燃料（Fe [5]、Co [6]）和碳质材料（炭黑[7]），以及液态烃燃料（煤油[8]），可有效提升燃烧性能。以铝基合金取代单质金属铝已被证明能显著提高复合配方的燃烧性能（例如 Al-B [9]、Al-Zn [10]、Al-Li [11]、Al@Ni-P [12]）。当使用 Al:Mg 比为 1:1 的合金时，Al-Mg/AP 的点火延迟可降低约 20%[9]。在氧化剂方面，引入直接参与反应的额外金属氧化物（如 TiO? [13]、Bi?O? [14]、MoO? [15]）和含氟聚合物（如 PVDF [16]、F???? [17]），已被证明能有效增强能量释放特性。此外，添加能增强导热性的惰性添加剂，如石墨烯[18]和碳纳米管[19]，也被证实可促进铝基含能材料的燃烧。促进高氯酸铵的分解是提高 AP 基含能材料性能的另一研究热点。研究者利用多孔过渡金属氧化物异质结构实现了这一目标，如 Co?O?@ZnO [20]、NiO@TiO?/MXene [21] 和 CuCr?O?/CNTs [22]。这些材料通过提供氧化还原活性位点、促进界面电子转移以及调节气态中间产物的吸附，可降低 AP 的高温分解温度和活化能。金属-碳复合材料，如缺陷活化碳包覆 Co [23]，进一步将催化活性与增强传热传质性能相结合。然而，这些高活性改性材料通常涉及复杂的过渡金属前驱体、碳纳米材料、多层电镀沉积处理或多步异质结构构建，显著增加了材料制备成本。值得注意的是，近期研究表明，低价的二氧化硅（SiO?）——传统上被认为是化学惰性且具有良好隔热性能——同样能够增强能量释放和燃烧性能[24]。Tsai [25] 发现，具有合适粒径和添加量的 SiO? 可调控 Al/CuO 纳米铝热剂的火焰前沿和热交换行为，使燃烧速率提高约 26%。Ding [26] 进一步证明 SiO? 可作为 CuFe?O? 的高比表面积载体，改善催化活性组分的分散状态，促进 AP 和 RDX 的热分解。Zhu [27] 发现 SiO? 可提高纳米铝在 CO? 中的最高燃烧温度、升温速率和燃烧效率。Wang [28] 报道，添加 7 wt% SiO? 后，相较于 Al/AP 的反应活性提高了约 7 倍，峰值压力也提高了 2.5 倍以上。Wang [29] 指出多孔 SiO? 的促进效果优于球形 SiO?。然而，关于喷雾干燥制备的中孔 SiO? 在 AP 复合体系中的相关研究仍有待完善，最优负载量和燃烧增强机理尚需进一步明确。喷雾干燥技术可直接合成形貌规则、尺寸均一的复合微球[30]。与机械混合法、自组装方法[31]、溶胶-凝胶法[32]和电纺丝[33]相比，该方法显著改善了燃料-氧化剂接触不良、工艺复杂以及燃料燃烧效率低下等问题。因此，喷雾干燥已成为显著提高复合含能材料燃烧速率的有效方法[34]、[35]、[36]。此外，通过喷雾干燥制备的中孔 SiO? 具有丰富的表面硅羟基[37]，可轻易进行功能化修饰，便于与药物和有机功能基团偶联[38]。但 SiO? 促进燃烧的机理尚不清晰，该改性剂在 Al-Mg/AP 基含能材料中的最优负载量也尚未确定。本研究采用喷雾干燥技术，同步实现复合颗粒尺寸的减小，并将中孔 SiO? 与高氯酸铵（AP）高效复合。以活性 Al-Mg 合金作为高能燃料，研究 Al-Mg/AP/SiO? 含能复合材料的协同增强特性。采用扫描电子显微镜（SEM）、能量色散 X 射线光谱（EDS）和 X 射线衍射（XRD）系统表征复合材料的微观形貌和理化性能。利用氮气吸附-脱附法（BET）确认 SiO? 的中孔特性。通过高速成像和红外热成像技术，研究了不同 SiO? 负载量下的燃烧行为，包括点火延迟、特征火焰参数和最大表观红外特征温度。采用热分析技术（热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC））阐明中孔 SiO? 对 AP 热分解和气体释放的促进作用。综上，本文提出了一种相对低成本且简便的策略，用于增强含能材料的能量释放特性。所得复合材料在推进剂和武器系统中展现出良好的应用潜力，可满足现代含能材料日益增长的需求。

材料

Al-Mg 合金粉末由武汉蓝佰特医药化工有限公司提供，粒径为 20 μm。实验前，通过热分析方法测定活性合金粉末含量为 75.1 wt% [39]。硅溶胶（29–31 wt% SiO?）购自上海麦克林生化科技有限公司。高氯酸铵（AP，纯度≥99.8%）购自智人京航新材料研究院有限公司。环己烷（纯度≥99.5%）购自……

形貌表征、样品组成与结构信息

采用 SEM 对 Al-Mg 合金颗粒、喷雾干燥 AP 颗粒以及 AP/SiO? 复合前驱体的表面形貌进行了研究（图 4）。如图 4a 所示，所获得的 Al-Mg 合金颗粒整体呈片状形貌。为验证其元素组成，进行了 EDS 分析（图 4(a-1)–(a-3)）。利用 ImageJ 软件测定颗粒尺寸。对于片状 Al-Mg 合金颗粒，沿两个方向分别测量单个颗粒的尺寸……

中孔 SiO? 促进燃烧的机理

SiO? 的引入有效抑制了 AP 的吸湿性，并促使 AP 分解阶段的合并。我们提出，引入的中孔 SiO? 可在其介孔结构中吸附并局部富集 AP 分解产物。在这种受限空间内，分子间有效碰撞的概率相较于自由空间显著提高，从而产生额外的反应活性位点，加速反应进程……

结论

结果表明，SiO? 显著调控了 Al-Mg/AP 复合材料的燃烧和能量释放行为。含 5 wt% SiO? 的配方综合性能最优，具有更快的点火速度、更强的火焰发展、更高的表观红外特征温度和更好的压力输出。热分析和 TG-IR 分析表明，SiO? 促进了 AP 的分解，降低了表观活化能，并提前了气态中间产物的释放……

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢以下机构提供的资金支持：国家自然科学基金委员会（编号：12572415、52306145）、江苏省自然科学基金（编号：BK20230929）、江苏省研究生研究与科技创新计划（编号：26CXJH1230）、火灾科学国家重点实验室开放基金（编号：HZ2025-KF05），以及中央高校基本科研业务费专项资金（编号：30925010543）。---Sen Liu | Mi Li | Zhanjun Yang | Matko Erceg | Lin Jiang