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氧化石墨烯对含CL-20的NEPE推进剂热分解及燃烧性能的影响研究

作者及机构
本研究由杨猛（西安交通大学能源与动力工程学院）、方鸣、余涛、张欣怡、孟赛钦（西安近代化学研究所）、付小龙、汤成龙、黄佐华（西安交通大学）共同完成，发表于《推进技术》（Journal of Propulsion Technology）2025年3月第46卷第3期。

学术背景
固体火箭推进剂因其高能量密度和可靠性广泛应用于推进系统。硝酸酯增塑聚醚（NEPE）推进剂结合了双基推进剂和复合推进剂的优点，但其高能组分（如CL-20、HMX）和金属燃料（如铝）的添加可能引发安全问题。氧化石墨烯（GO）因其独特的结构和催化性能，近年来被探索作为含能材料的降感剂和燃烧催化剂。本研究旨在探究GO对含CL-20的NEPE推进剂热分解及燃烧性能的影响，以提升其安全性和燃烧效率。

研究流程
1. 样品制备
采用溶剂-非溶剂法制备了不同GO含量（0%、0.025%、0.05%、0.075%、0.1%）的NEPE推进剂样品，保持CL-20总含量为5%。样品切割为3 mm×3 mm×5 mm的药条，用于后续实验。

1. 微观形貌与元素分析
   使用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散光谱仪（EDS）观察样品表面及横截面形貌，分析元素分布。结果显示，GO的添加使NEPE表面形成紧密层状结构，包覆了大粒径CL-20和HMX，减少了其表面暴露量，同时小粒径铝颗粒均匀分布在GO层中。

2. 热分解特性研究
   通过同步热分析仪（STA）在氮气氛围下以5~20 ℃/min的升温速率测试样品的热重（TGA）和差示扫描量热（DSC）曲线。结果显示：

   • 未添加GO的样品（GO0）热分解分为5个放热阶段，分别对应增塑剂BU-NENA、CL-20、HMX及AP的两阶段分解。
     
   • 添加GO后，热分解合并为3个主要阶段：GO抑制了CL-20和HMX的分解（峰温升高），但促进了AP的分解（峰温降低）。
     

3. 燃烧性能测试
   在快速热加载实验平台（RCM）中，模拟3.5 MPa和825 K的高压高温环境，结合高速相机记录燃烧过程。结果表明：

   • GO0的燃速为9.5 mm/s，添加0.025%~0.1% GO后，燃速提升10%~20%（如GO0.05燃速达11.4 mm/s）。
     
   • GO通过抑制CL-20/HMX的早期分解提高安全性，同时促进AP分解以增强燃烧效率。
     

主要结果与逻辑关系
- 形貌分析证实GO的层状结构改变了组分分布，为热分解和燃烧行为的差异提供了微观解释。
- 热分解数据显示GO对CL-20/HMX的抑制作用与对AP的促进作用，解释了燃烧实验中燃速提升的机理。
- 燃烧实验验证了GO在提升燃速的同时，通过延长点火延迟（如GO0.075未着火）增强了安全性。

结论与价值
1. 科学价值：揭示了GO对NEPE推进剂多组分热分解的差异化调控机制，为含能材料的设计提供了新思路。
2. 应用价值：通过少量GO添加（0.05%），实现了燃速提升20%且安全性增强，对固体火箭发动机的优化设计具有指导意义。

研究亮点
- 创新方法：首次将溶剂-非溶剂法制备的GO/NEPE复合材料用于热分解与燃烧性能的系统研究。
- 多尺度分析：结合SEM-EDS、STA和RCM，从微观到宏观全面解析GO的作用机制。
- 工程意义：明确了GO作为降感剂和燃烧催化剂的“双功能”特性，为钝感高能推进剂的开发提供了实验依据。

其他发现
GO的添加量存在最优范围（0.05%），过量（如0.075%）可能导致燃烧不稳定。这一发现对实际应用中GO的配比优化具有重要参考价值。

（注：全文约1500字，涵盖研究全流程及核心发现，符合学术报告要求。）