科学家发现一种方法点燃涂有氧化石墨烯微米铝粉末

2018-12-28

最近，美国陆军研究人员与 RDECOM 实验室、陆军企业研究实验室 (ARL)、斯坦福大学、麻省理工学院、南加州大学和阿贡国家实验室合作，发现了一种通过点燃微粉化铝的方法涂有氧化石墨烯的粉末，可以从战场系统中常见的含铝高能材料中获取更多能量。这项研究可以提高金属粉末在陆军弹药中作为推进剂/炸药部件的性能。该发现利用氧化石墨烯作为一种有效的轻质添加剂，而微米级铝粉（Al），即直径为百万分之一米的铝颗粒，通常用于实际的高能应用。由于铝 (Al) 理论上可以释放大量热量（每克高达 31KJ），并且由于其丰富性而相对便宜石墨烯主要成分，因此微米级铝粉已广泛用于高能应用。但由于铝粉的吸光性较差，很难被光学闪光灯点燃。为了提高铝粉在点火时的光吸收，往往需要与重金属氧化物混合，降低了能量性能。纳米铝粉可以更容易地用广角闪光灯点燃，比传统的单一点火方法（如热管点火）更快地释放热量。不幸的是，纳米铝粉非常昂贵。

该小组展示了 Al/GO 复合材料作为潜在推进剂/炸药成分的价值。这项研究表明，GO可以通过闪光有效地点燃Al粉，以更快的速度释放更多的能量，从而在不使用昂贵的纳米Al粉的情况下大大提高Al的高能性能。该团队还发现，可以通过改变 GO 含量来控制铝粉的点火和燃烧，以实现所需的能量输出。除了斯坦福小组展示了闪光加热对 Al/GO 复合材料的增强燃烧效果外，ARL 物理学家 Jennifer Gottfried 博士还证明了 GO 在微秒级或百万分之一级上增加了铝的反应性一秒 - a 该制度类似于爆炸事件中释放的爆炸能量。利用激光诱导高能材料空气激波（LASEM）技术，在脉冲激光诱导 Al/GO 复合材料时，Al/GO 的放热反应加快了激光诱导激波的速度，超过了纯 Al 或纯去。 Gottfried 说，除了增强燃烧或爆炸效果外，Al/GO 复合材料还有可能增加军用配方的爆炸力。因此，这一发现可用于提高现有武器系统的射程和/或杀伤力。

参考：ACS Nano., 12(11):11366-11375, 2018. |DOI 10.1021/acsnano.8b06217.

注意：铝热剂是铝粉和难熔金属氧化物的混合物。普通铝热剂是粉红色的铝粉和三氧化二铁粉按比例（比例约为1：2.95），用点火器点燃时，反应剧烈进行，得到氧化铝和元素铁并释放大量热量，温度可达2500℃，并发出耀眼的光芒，可将生成的铁熔化。铝热剂是铝热反应的重要成分，铝热反应用于轨道焊接等。在高温户外作业中发挥重要作用。可用于引发一些需要高温的反应。

2018-11-06

这几天整理了一下石墨烯、煤化工、神经元的资料，包括前面提到的半导体和《中国制造2025》。相信你可以见证石墨烯的全能！不过，我还是反对将石墨烯粗暴对待为“工业味精”，这是科研人员的大忌！正如我一直强调的，如果不了解机理，不了解石墨烯与基板的分散性、界面和二次加工的匹配，即使拥有最好的石墨烯，也达不到效果。但这个原理听起来很合乎逻辑，但实际上，没有人能像我一样使用它。本文将挑战另一个行业难点——“含能材料”，这是我去黑龙江密山谈落地时才接触到的一个项目。

首先，什么是高能材料？在现代科学对炸药的研究中，炸药常被称为“高能材料”。高能材料是具有高能量密度特性的亚稳态物质。一种发出剧烈氧化还原反应并能释放大量能量（通常伴随着大量气体和热量）的物质。 )，俗称“高能材料”。具体是指推进剂、推进剂、炸药、底火、烟火等材料。石墨烯和含能材料有什么关系？下面我尝试从催化剂、添加剂和复合含能材料的角度，介绍石墨烯在含能材料应用方面的最新研究进展。

一般认为“石墨烯及其复合催化剂”对推进剂的含能成分具有明显的“催化”作用；添加石墨烯后，推进剂的燃烧和力学性能得到改善；氧化石墨烯和石墨烯不敏感剂的组成可以降低含能材料的机械敏感性；石墨烯及其复合含能材料具有优异的性能和更大的能量释放率。在这部分石墨烯基催化剂中，高氯酸铵（AP）是复合固体推进剂常用的氧化剂，其燃烧和热分解性能对推进剂的燃烧过程有重要影响。 AP的热分解性能可以通过添加少量催化剂来调节。研究表明，纳米金属、纳米过渡金属氧化物、C60和碳纳米管等纳米材料对AP的热分解有明显的催化作用。石墨烯是一种具有特殊结构的新型碳材料。除了具有传统碳材料的特性外，它还具有较大的比表面积和优异的导热性和导电性。石墨烯用于AP的热分解，有明显的促进作用。

王学宝（2013)研究了石墨烯催化AP的热分解。与纯AP相比，石墨烯与AP共混后AP的热分解温度提前了66.9。℃此外，AP的总表观分解热为621J/g，而AP与石墨烯机械共混物的总表观分解热达到1786J/g，石墨烯显着提高了AP的表观分解热。石墨烯对AP的热分解有显着的促进作用，Li Na(2012)等)负载金属纳米粒子，Ni/石墨烯纳米复合材料表现出较高的催化活性，用于催化AP的热分解，AP最大分解速率对应的温度降低97.3℃，低温分解峰消失（注2)。在热稳定部分，氧化石墨烯（GO）丰富中的含氧基团可以很好分散在多种溶剂中，通过氢键、π-π相互作用和静电相互作用促进有机/无机纳米材料的形成。张等人。 (2013)制备了氧化石墨烯掺杂的硝化纤维素(NC)纳米复合材料，发现了GO掺杂含量对NC薄膜激光点火和热稳定性的影响。结果表明，随着NC中GO含量的增加, 激光点火活化能降低，当GO的质量分数0.5%时，激光点火活化能最小。与纯NC相比，GO掺杂后NC的热稳定性提高，并且活化能随着GO与NC质量比的增加而增加。（注1)

纯NC薄膜和GO-NC薄膜在环境条件下燃烧过程的高速图像：（a）纯NC薄膜； (b) 0.05% GO-NC 胶片； (c) 0.5% GO-NC 胶片； (d) 1% GO-NC 薄膜。 (e) 纯NC薄膜和GO-NC薄膜的燃烧率比较。

纯 AP 和 AP 与 Ni/石墨烯纳米复合材料（1%、3% 和 5%）的混合物的 DTA 曲线。

“石墨烯高能添加剂”板块也有杰作。近年来，使用含有低浓度胶体的烃类燃料的胶体分散体来改善燃料点火和提高燃料性能受到了广泛关注。一旦燃料蒸发或混合，将胶体颗粒分散在燃料中可以增强点火和燃烧。尽管这些系统具有增强的效果，但它们也有许多缺点。纳米金属添加剂可以提高推进剂的能量密度和反应速率，但其性能也受到颗粒表面非能量氧化物钝化层的不利影响，在燃烧过程中会产生固体氧化物产物。功能化石墨烯片的引入不仅可以催化燃料的燃烧反应，而且可以在不产生残留颗粒的情况下参与反应，为含能材料提供了一种新型的纳米结构燃料添加剂。刘立民等。 (2012)报道了功能化石墨烯片提高单位推进剂硝基甲烷燃烧速率的机理，由于石墨烯片的空位缺陷，即含氧基团的功能化，硝基甲烷及其衍生物的热分解部分由硝基甲烷及其衍生物之间的含氧官能团和质子和氧交换等反应途径加速，官能化石墨烯引发并促进单元推进剂硝基甲烷及其衍生物的分解，导致形成 H2O、CO2 和N2 (Note3). Zhang Y. H. et al. (2014)) 研究了硝酸甘油醚纤维素/氧化石墨烯（NGEC/GO）纳米复合薄膜，结果表明与纯NGEC相比，添加0.5% GO 可使 NGEC/GO 薄膜的杨氏模量提高 40%，机械强度 断裂伸长率提高 38%，断裂伸长率增加了 44%。这主要是由于石墨烯的高机械强度，有效提高了含能材料的机械性能（注4).

(a) 质子从 FGS 上的羟基转移到硝基甲烷分子形成反应性中间体的示例。 (b) 由硝基甲烷衍生物质子转移到 FGS 上的羰基引起的羟基的后续再生。

1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯（TATB）是一种非常不敏感的炸药，可被外部冲击、摩擦、振动、静电火花和热破坏。显示非常低的灵敏度。单层TATB具有二维结构，分子中氨基和硝基形成的氢键有利于保持其平面结构。石墨烯是由以π键形式排列的碳原子组成的单层二维晶体。独特的电气、化学、光学和机械性能。 TATB具有与石墨烯相似的结构，根据该结构石墨烯主要成分，可以通过TATB和石墨烯的交替层构建一系列层状复合材料。基于石墨可以降低含能材料的机械敏感性这一事实，李锐等人。 (2013)研究了氧化石墨烯对含能材料灵敏度的影响，并通过溶剂-非溶剂法制备了HMX/GO复合材料。添加2%氧化石墨烯后，HMX的冲击灵敏度从100%下降到10%，摩擦敏感性从100%下降到32%。与碳纳米管相比，氧化石墨烯大大降低了HMX的机械性能。敏感性。从以上研究可知，石墨烯和氧化石墨烯可以形成含能材料具有特殊功能的添加剂。功能化石墨烯胶体作为含能材料中的燃料添加剂，与金属、金属氧化物和金属氢氧化物一起使用，与其他材料相比具有明显优势。

最后说一下“石墨烯单体与复合含能材料”。硝基以“共价键”的形式与含碳化合物连接，可以赋予材料更高的能量。纳米级碳纳米管已用于制备硝基官能化碳材料，并作为含能燃烧速率调节剂用于含能材料中。但碳纳米管在燃料中的分散性并不好，其活性表面只是碳纳米管的外表面。相比之下，氧化石墨烯可以很好地分散在燃料中，并且氧化石墨烯片的两面都具有催化活性。因此，硝基功能化的氧化石墨烯可以作为燃烧速率调节剂来替代硝基功能化的碳纳米管。张文文等。 (2014)采用改良的Hummers法制备氧化石墨烯，再用硫酸和硝酸的混合酸硝化氧化石墨烯，制得具有硝基的氧化石墨烯。在AP中加入10%氧化石墨烯，其热分解温度降低106℃，分解热由875J/g提高到3236J/g，这说明带硝基的氧化石墨烯具有明显的催化作用，能有效催化AP的热分解，提高AP的表观热。 AP的分解。

再来说说“石墨烯爆炸传感器”。常用的传感器如表面声波传感器、离子迁移谱传感器等，在检测指标方面不符合实际应用的要求。相比之下，石墨烯基爆炸传感器的检测限为10^{-10}，具有响应速度快、灵敏度高等优点，逐渐成为研究热点。尤其包括：电化学、表面增强拉曼散射和荧光共振能量转移等，电化学发光传感器的发展是未来研究的方向。限于篇幅，以后有机会再介绍。

因此，从目前的研究可以得出结论，石墨烯可以改性生成元素含能材料，对AP的热分解有显着的催化作用，降低了AP的热分解温度，大大提高了分解热。石墨烯与含能材料形成的纳米复合材料利用石墨烯片层堆叠形成的多孔特性，将含能材料负载在石墨烯骨架上形成复合材料。首先，利用了石墨烯良好的导电性和导热性。有效催化含能材料的热分解；其次，含能材料在多孔结构中形成纳米级粒子，促进了材料的传质和传热过程，大大提高了系统的能量释放率；碳材料，能够与氧化剂发生化学反应，从而贡献更多热量并且不会产生残留颗粒。从石墨烯简单含能材料和石墨烯复合含能材料的优点可以看出，石墨烯在含能材料领域具有潜在的应用前景。

参考：

1)。应用物理快报, 2013, 102(14): 5428. | DOI: 10.1063/1.4801846.

2)。晶体工程通讯, 2012, 14(2): 428-434. | DOI: 10.1039/C1CE05858D.

3)。美国化学会杂志, 2012, 134(46): 19011-19016. | DOI: 10.1021/ja3058277.

4)。集成铁电体, 2014, 154(1): 147-153. | DOI: 10.1080/10584587.2014.904717.

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