镁热还原介孔二氧化硅制备高反应性硅纳米颗粒及其反应特性研究

编号：FTJS107588

篇名：镁热还原介孔二氧化硅制备高反应性硅纳米颗粒及其反应特性研究

作者：马新文

关键词： 复合含能材料; 镁热还原法; Si/KClO4; 热分析; 燃烧;

机构： 南京理工大学

摘要： 硅（Si）是一种非常具有吸引力的燃料,一方面,较薄的氧化层使其具有更高的活性含量;另一方面,Si形成氧化物的热力学焓变和铝（Al）相当。然而,Si反应性不足限制了其进一步的应用,如何增强Si的反应性成为亟待解决的问题。本文通过采用镁热还原工艺,以介孔SiO2为模板,分别尝试制备了高反应性介孔Si纳米颗粒（m-Si）以及高反应性高活性含量Si纳米颗粒（h-Si）,并将商售Si纳米颗粒（c-Si）作为对照进行对比研究。主要研究内容和结果如下: （1）首先以单相体系制备的～160 nm介孔SiO2为模板,通过镁热还原方法,分别在660°C和700°C温度下制备了m-Si。SEM表明,通过溶胶-凝胶法制备的SiO2纳米颗粒为星状多孔形态,还原得到的Si纳米颗粒呈现出多孔结构。根据比表面积和孔隙分析,m-Si的BET比表面积为93.0 m2/g,BJH法计算的平均孔径为16 nm,位于介孔范围内。另外,比较了在镁热还原过程中,不同反应温度和混料方式对反应产物的影响,XRD结果表明,随着反应温度从660°C上升到700°C,还原产物中残余SiO2的量随之减少,并伴随Si的特征衍射峰强度随之增加;与球磨混料相比,手工研钵混合虽然操作简单但是混料均匀度较差。热分析表明,在空气气氛下,700°C条件下得到的m-Si相比于c-Si,氧化增重起始温度从772°C提前到468°C,表明Si纳米颗粒的反应性获得了较大提升。 （2）利用油水双相体系中制备的～100 nm介孔SiO2作为模板,在750°C-2 h的条件下成功制备了平均粒径约18 nm、活性含量为81%的h-Si,并且通过简单的超声混合制备了不同化学计量比（Φ=0.5,1,2,3）的h-Si/KClO4和c-Si/KClO4。在750°C-2 h的条件下不仅提高了h-Si的活性含量,而且抑制了副反应产物Mg2Si的形成。热分析表明,由于存在一些粒径小于10 nm的极小h-Si颗粒,h-Si/KClO4-1在相对较低温度下经历了固-固相的放热反应阶段,从而使KClO4的分解提前至478°C。由于具有更大的比表面积和更短的传质距离,相比c-Si/KClO4-1,h-Si/KClO4-1显示出更低的反应起始温度、峰值温度和反应表观活化能,同时伴随着更高的反应完全度。在定容燃烧测试中,分别比较了不同化学计量比的h-Si/KClO4和c-Si/KClO4的燃烧特性,结果表明,无论是h-Si/KClO4还是c-Si/KClO4,均在Φ=2时表现出最佳的点火性能。特别是h-Si/KClO4在点火延迟、峰值压力、升压速率方面均显著优于c-Si/KClO4。静电感度测试表明,h-Si/KClO4-1和c-Si/KClO4-1的MIE均大于100 mJ,远高于n-Al/KClO4-1的2 mJ,显示出更低的ESD感度。