关于叠氮化钠对点火烟火材料的热性能、能量特性及燃烧特性的影响的新见解

《Thermochimica Acta》：New Insights in the Influence of Sodium Azide on Thermal, Energetic and Combustion Properties of Ignition Pyrotechnic Composition

钠azide涂层显著提升镁铝合金燃料的热稳定性和燃烧效率，通过SEM、TG及燃烧测试验证了其增强能量释放和点火可靠性的机制，为新一代发火系统设计提供新思路。

　　

Mohammed el Amine FACIH | Moulai Karim BOULKADID | Sabri TOUIDJINE | Samir BELKHIRI | Hichem FETTAKA

阿尔及利亚军事理工学院高能过程教学与研究单位，高能推进实验室，BP 17，Bordj El-Bahri，16046，阿尔及尔

摘要

烟火配方在军事和民用领域得到广泛应用，用于照明、信号传递、烟雾生成以及启动或增强脉冲装置等功能。富燃料合金在调节点火延迟、燃烧温度和热输出方面尤为重要。这类系统通常由金属粉末和氧化剂组成，确保了从烟花到紧急启动器等各种应用中的可靠点火。镁和铝的合金与高氯酸钾的组合因其低点火阈值和高焓释放而受到青睐。本研究探讨了叠氮化钠（NaN?）表面涂层对富燃料点火成分的热性能和燃烧行为的影响。Al–Mg粉末经过NaN?涂层处理后，通过扫描电子显微镜（SEM）、热重分析（TG）和燃烧测试进行了表征。通过等转化方法推导出动力学参数，而量热法则量化了能量输出。研究结果表明，涂层显著提高了热稳定性、能量释放和燃烧效率，表明NaN?涂层的金属燃料是下一代烟火系统的有希望的候选材料。

引言

烟火配方在军事和民用领域都发挥着关键作用，因为它们能够产生多种效果。根据其配方和用途，这些高能材料被设计用于照明、信号传递、烟雾生成或作为脉冲弹药系统中的启动和增强装药。烟火配方的性能特性（如能量输出、点火敏感性和燃烧行为）经过精心调整，以满足各种应用的具体需求[[1], [2], [3], [4]]。选择富燃料配方（一种固-固异质系统）对于确定关键的点火和燃烧参数至关重要。这些参数包括点火延迟、点火温度、量热热释放以及组分的整体敏感性。因此，仔细选择和优化配方对于提高高能系统的性能和可靠性至关重要[[3], [4], [5]]。富燃料烟火点火配方旨在作为其他烟火配方或爆炸物的启动剂。这些配方的特点是含有高比例的可燃物质（如金属粉末或易燃有机化合物），这些物质在点火时能产生强烈的火焰和高放热反应。特别是镁-铝（Mg-Al）合金因其能够维持快速且高能量的燃烧而被广泛使用[[15], [16], [17], [18]]。氧化剂用于提供燃烧所需的氧气。高氯酸钾（KClO?）在点火配方中特别受欢迎，因为它含有高量的氧气、热稳定性和强氧化潜力。其较高的分解温度和有利的热力学性质提高了点火效率和可靠性，相比许多替代氧化剂更具优势[[19], [20], [21], [22]]。通过添加高能添加剂或修改燃料或氧化剂的性质，可以提升点火烟火配方的性能。叠氮化钠（NaN?）因其优异的启动性能和与氧气的强烈放热反应而被视为此类改进的有希望的候选材料[[23,24]]。将NaN?作为高能燃料（如铝（Al）、镁（Mg）和硼（B）的高能添加剂或敏化剂的研究正在活跃进行中，旨在提高高能材料的燃烧性能。NaN?的分解会释放大量热氮气，这可以破坏金属颗粒上的惰性氧化层，提供高度活性的新生金属表面。为了明确本工作的创新性，我们整理并分析了最近探索NaN?与金属燃料结合的各种方法的研究。

样品制备

为了改变燃料成分，采用了喷涂涂层方法，在燃料合金上实现了5%的叠氮化钠（NaN?）涂层。叠氮化钠是一种高毒性和危险性化合物，其使用需要严格的安全措施。在我们的实验工作中，所有NaN?的处理均遵循标准实验室安全规程，包括使用防护设备、通风橱和限制进入区域。废弃物被收集并妥善处理。

实验分析

富燃料点火烟火配方通过傅里叶变换红外（FTIR）光谱、拉曼光谱、X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、弹式量热计和热重分析（TG）进行了表征。FTIR光谱使用PerkinElmer Spectrum One光谱仪（4000–600 cm?1）记录，XRD图案使用PANalytical X'pert PRO衍射仪（5–60° 2θ）收集。SEM成像使用FEI Quanta 600显微镜完成。

FTIR分析

Al–Mg合金的FTIR光谱在500–800 cm?1范围内显示出特征吸收带，这些吸收带对应于Mg–O和Al–O键的伸缩振动。在3400 cm?1附近观察到的宽峰表明氧化物表面存在吸附的水分或羟基[[30], [31], [32]]。然而，当研究经过叠氮化钠改性的Al-Mg合金的FTIR光谱时，观察到了显著的变化。

结论

本研究成功证明了将叠氮化钠（NaN?）加入富燃料烟火配方中可以改善热性能和燃烧性能。用NaN?改性铝镁合金可以提高点火可靠性和燃烧效率，热重分析和量热数据表明催化分解更有效，能量释放显著增加。

作者贡献

概念构思： Mohammed el Amine FACIH, Moulai Karim BOULKADID； 方法论： Mohammed el Amine FACIH； 验证： Mohammed el Amine FACIH； 形式分析： Mohammed el Amine FACIH； 调查： Mohammed el Amine FACIH； 资源： Moulai Karim BOULKADI, Samir BELKHIRI 和 Hichem FETTAKA； 数据管理： Mohammed el Amine FACIH； 初稿撰写： Mohammed el Amine FACIH； 审稿与编辑： Mohammed el Amine FACIH； 可视化： Moulai Karim BOULKADID； 监督： Moulai Karim