多孔HNS/CL-20复合微球：通过静电喷涂技术制备，具有更高的安全性和燃烧性能

《Powder Technology》：Porous HNS/CL-20 composite microspheres: Fabrication via electrostatic spraying with enhanced safety and combustion performance

本研究采用静电喷涂技术制备了孔隙结构的HNS/CL-20复合微球，比表面积达25.21–27.03 m2/g，较单一材料提升67.17%–79.24%和195.54%–216.88%。复合微球机械敏感性和燃烧性能显著优化，最佳燃烧性能出现在HNS/CL-20质量比为7:3时，燃烧速率较传统制备方法提高30.03%。

　　

侯丛华|马一琳|冯晨贺|李静宇|王静宇|张晨阳

中国北方大学环境与安全工程学院，太原，山西 030051，中国

摘要

微纳结构在决定高能材料的宏观性能方面起着关键作用，尤其是在具有多孔结构的复合高能材料中。由于这些材料具有优异的燃烧性能和卓越的热稳定性，因此在当前研究中受到了广泛关注。本研究采用静电喷涂技术成功合成了具有多孔结构的HNS/CL-20复合高能微球。制备的微球具有较高的球形度、均匀的粒径分布，并表现出丰富的、均匀的多孔结构，其比表面积显著增加至25.21–27.03 m²/g，分别比纳米HNS和纳米CL-20提高了67.17%–79.24%和195.54%–216.88%。结构分析表明，复合微球保留了纳米HNS和CL-20的特征晶体结构。机械敏感性测试显示，与纳米CL-20相比，复合微球在抗冲击和抗摩擦敏感性方面表现出更好的安全性。燃烧实验表明，通过静电喷涂制备的微球的燃烧性能逐渐提高，在HNS/CL-20比例为7:3时观察到最佳的燃速和能量释放。与通过浆料捏合制备的相同比例样品相比，燃烧速率提高了30.03%，这表明多孔结构有效地加速了燃烧反应速率并增强了能量释放能力。对燃烧残渣的XPS分析进一步表明，当HNS/CL-20比例为7:3时，燃烧更加完全。总之，通过静电喷涂简单高效地制备多孔复合微球可以显著改善其燃烧性能和安全性。

引言

基于微纳结构设计的复合高能材料在高能材料领域具有显著的应用潜力，这得益于它们可控的界面和功能调节[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。通过战略性的微纳结构设计，复合高能材料可以优化组分分布、调节结构性能并增强界面相互作用[6]、[7]、[8]。这种方法不仅克服了单一高能材料的局限性，还在多个维度上提高了性能，包括反应效率、能量释放、安全性、机械性能和加工性[9]、[10]、[11]。

近年来，通过微纳结构调控开发高性能高能材料的研究取得了显著进展。李敏[12]提出了一种通过分子溶剂化与晶体生长相结合的方法来制备CL-20多孔球粒。独特的多孔结构显著增强了能量释放并加速了CL-20多孔球粒的燃烧，其燃烧速率和峰值压力分别提高了40.21%和6.24%。刘毅等人[13]利用微流控技术制备了以硝酸纤维素为粘合剂的CL-20中空高能微球，引入多孔结构显著增强了CL-20中空微球的火焰强度和燃烧速率。这种改性提高了能量释放速率并降低了中空微球的机械敏感性。陈玲[14]采用溶胶-凝胶技术合成了NBC/RDX复合高能材料，结果表明3D多孔网络结构在机械刺激下表现出显著的钝化效果，提高了复合高能材料的安全性。

总之，多孔结构在复合高能材料的设计中表现出卓越的性能控制能力，主要体现在提高能量释放效率、优化燃烧行为以及降低对机械和热刺激的敏感性[9]、[15]、[16]、[18]。这些研究通过引入微米和纳米级多孔结构，成功调节了材料内部的能量传递路径和反应动力学，显著提高了安全性和性能[17]、[19]、[20]。这表明多孔结构不仅是实现高能材料高效利用的核心策略之一，而且在提高高密度材料的安全性和应用性能方面也发挥着不可替代的作用[21]、[22]。

鉴于多孔结构在提升高能材料性能方面的重要性，静电喷涂技术提供了一种可靠的方法，用于高效制备具有优异性能的复合高能材料[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。静电喷涂技术通过电场诱导液滴分裂和溶剂蒸发，在微球的内外表面形成微小通道[23]、[28]、[29]。同时，粘合剂通过分子链之间的物理交联形成三维球形框架[30]、[31]、[32]、[33]，纳米颗粒均匀附着在其上，从而成功制备出具有均匀且丰富多孔结构的复合微球。此外，静电喷涂技术具有高度适应性，通过精确调节喷涂参数，可以有效控制材料的形态和尺寸，确保制备的微球具有均匀的多孔分布和结构稳定性。其优点包括快速原型制作、低设备要求和高工艺灵活性，表明其在制备具有可控形状和尺寸的多孔结构方面具有巨大潜力[23]、[29]、[34]、[35]、[36]。

本研究通过静电喷涂技术成功制备了一系列具有高比表面积和多孔结构的HNS/CL-20复合微球，详细研究了这些复合高能微球的形态特征、晶体结构、热分解性能、机械敏感性、燃烧行为和能量性能，并将其与纳米HNS、纳米CL-20以及通过浆料捏合制备的样品进行了性能比较[37]、[38]。结果表明，通过静电喷涂制备的多孔微球不仅提高了复合高能材料的比表面积，还调节了内部的热量和质量传递过程，优化了燃烧过程并提高了热分解性能和安全性。本研究介绍了一种制备具有多孔结构的高性能复合高能微球的实用方法。

材料

CL-20原料（粒径20–80 μm，ε型）由甘肃阳光化工集团有限公司提供；HNS原料在实验室中合成；乙基纤维素（EC）购自上海麦克林生物化学技术有限公司；无水乙醇购自Energy Chemical。

通过静电喷涂制备HNS/CL-20复合微球

通过静电喷涂技术制备HNS/CL-20复合微球的工艺如图1所示。总共使用了0.012 g的乙基纤维素（EC）

微球的形态和粒径

为了研究样品的表面形态和结构特征，使用SEM对不同比例的HNS/CL-20复合微球进行了表征。如图2所示，通过静电喷涂制备的复合微球具有明确的球形形态和高球形度。这主要是由于EC分子链的物理交联形成了三维球形支架，从而增强了微球的稳定性

结论

本研究通过静电喷涂成功制备了具有多孔结构的HNS/CL-20复合高能微球，并系统分析了不同组分比例对其结构特征和燃烧性能的影响。与传统纳米级单组分高能材料相比，这些复合微球保持了高能量密度，同时显著提高了能量释放的安全性和效率

作者贡献声明

侯丛华：资源获取、方法论、资金申请、概念构思。马一琳：初稿撰写、验证、方法论、研究、数据分析。冯晨贺：资源获取、方法论、数据分析。李静宇：监督、资源协调。张晨阳：数据分析。

未引用的参考文献

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。