一、研究背景

热敏电阻是金属燃料和金属氧化物的混合物，在外界能量的刺激下会发生剧烈的氧化还原反应。热敏电阻已广泛应用于燃烧剂、点火粉、高能炸药和固体火箭推进剂等能源领域。由于原材料体积大，传统热敏电阻反应物之间的传质速度慢，导致能量释放速度慢，功势发挥不完全。纳米热敏电阻利用纳米技术实现了金属燃料与氧化物颗粒在纳米尺度上的充分混合和界面接触。由于纳米热剂具有能量密度高、能量释放速率可调、点火灵敏度和反应速度快、反应产物无毒等优异的燃烧和能量特性，近十年来引起了人们的广泛关注。

纳米碳材料（NCM）对高能系统的反应具有催化作用。在高能材料中添加少量 NCM 可以提高高能材料的整体性能。石墨具有优异的导电性、导热性和润滑性等。在炸药和推进剂等高能材料中添加少量石墨，可提高分散性能、防止静电、改变燃烧速度并降低敏感性。将碳纳米管功能化或与其他物质结合后引入高能材料体系，可以改善药剂的点火、能量释放等性能。确定 CNT 增强复合材料的有效性能是一个非常复杂的问题，因为有许多因素会影响整体响应。这些因素包括界面载荷传递条件、改善载荷传递和 CNT 分散的表面功能化、CNT 的波浪度和团聚等。CNT 团聚和不完美界面的形成会严重降低纳米复合材料的弹性刚度和屈服强度。Hassanzadeh-Aghdam 发现，在三种分散形态（团聚态、均匀分散态和排列态）中，团聚态的蠕变模量最低，而石墨烯纳米板排列态的蠕变模量最高。还原氧化石墨烯是通过化学方法制备的石墨烯衍生物。它具有类似石墨烯的六方晶格结构，平面上残留有少量官能团和某些缺陷。它在 200 °C 左右分解产生气体。还原氧化石墨烯具有良好的导热性能，有望改善点火阈值高、产气量低的缺点。

电纺丝是制备微纳复合材料的一种通用技术。它具有操作简单、连续性强、效率高等优点。制备出的微纳复合纤维具有高比表面积和高孔隙率的特点，能有效避免单一微纳颗粒团聚和分散不均的问题。同时，它还具有多组分的性能，因此成为亚微米高能粒子的理想载体。在电纺丝过程中，通过调节工作电压、进料速度、聚合物溶液浓度、电导率等参数，可在纳米到微米的范围内控制和调节纤维直径。同时，通过改变聚合物基体溶液的成分，可以获得不同表面结构和功能的纳米纤维复合材料，从而满足不同领域对纤维材料的不同功能要求。

本文采用电纺丝设备制备了 Al/MoO3/NCM 复合材料。在 Al/MoO3 中引入了纳米碳材料作为重要添加剂。通过 SEM、EDS 和 XRD 分析了其形貌和结构。与 Al/MoO3 相比，添加了 NCM 的热敏电阻具有优异的导热性和燃烧性能。

二、摘要

为了提高含铝热敏电阻的热导率、能量性能和燃烧性能，在热敏电阻中添加了纳米碳材料。北京理工大学崔庆忠副教授团队通过用静电纺丝机制造了铝/钼和三氧化二铝/纳米碳材料（Al/_MoO3/NCM）。_nAl/MoO3/NCM 热敏剂中的铝和_MoO3颗粒比硝化纤维（NC）小得多，因此这两种成分能更好地附着在 NC 纤维上。热导率结果表明，添加 NCM 可以提高_Al/MoO3 的热导率，而添加还原氧化石墨烯（RGO）对热导率的影响更大。能效分析结果表明，当燃烧氧当量比（Φ）为 0.90-1.00 时，_Al/MoO3 /NCM 热纺丝的能效表现最好。燃烧性能结果表明，添加 NCM 能显著提高热敏电阻的燃烧速率，添加 RGO 对其燃烧速率的提高最大，其次是碳纳米管（CNT），纳米石墨（NFG）的燃烧速率最低。通过改变_Al/MoO3/NCM 装药的形状和装药的内部组成，可以调整药剂的灵敏度，提高电点火器的匹配性能和使用性能。

三、结论

总之，通过静电纺丝技术制造出了 Al/MoO3/NCM。对形貌的研究表明，由于 nAl 和 nMoO3 填充在 NC 中，但 NC 中的溶剂蒸发和收缩，纺丝表面呈现凹凸和断续结构。nAl/MoO3/NCM 热敏剂中的 Al 和 MoO3 颗粒都是纳米级的，其粒径远小于 NC，因此这两种成分能更好地附着在 NC 纤维上。热导率结果表明，NCM 的加入可以提高 Al/MoO3 热敏剂的热导率，而 RGO 的加入会显著影响热敏剂的热导率。能量性能结果表明，当 Φ 值为 0.90-1.00 时，Al/MoO3/NCM 热敏纺丝的能量性能最好。NCM 的加入能明显提高热敏电阻的燃烧速率，而 RGO 的加入对其燃烧速率的提高最大。通过改变 Al/MoO3/NCM 装药的形状和装药的内部组成，可以调整药剂的灵敏度，提高电点火器的匹配性能和使用性能。

图1.静电纺丝示意图

 

图2.Al/MoO3/NCM 纺丝的显微形貌和元素分布图（a）和（b）是 nAl/MoO3 和 mAl/MoO3 的扫描电镜图像，其中 Al 未涂覆全氟聚醚；（c）是亚-mAl/MoO3/RGO 纺丝的扫描电镜图和微区域元素分布图，其中（d）是（c）的高倍扫描电镜图； (e) 是亚-mAl/MoO3/NFG 纺丝的扫描电镜图和微区域元素分布图，其中 (f) 是 (e) 的高倍扫描电镜图；(g) 是 nAl/MoO3/RGO 的扫描电镜图；(h) 是 (g) 的微区域元素分布图。

 

图3.半导体电桥点火部件结构图：（a）半导体电桥点火器，（b）双 V 型半导体电桥芯片，（c）半导体电桥装置。