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《爆轰制备纳米石墨片的微观形成过程研究.pdf》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在应用文档-天天文库。
1、第26卷第6期高压物理学报VoI.26,No.62012年12月CHINESEJOURNALOFHIGHPRESSUREPHYSICSDec.,2012文章编号:10005773(2012)06—0632—07爆轰制备纳米石墨片的微观形成过程研究孙贵磊,李晓杰。,闫鸿浩(1.中国劳动关系学院安全工程系,北京100048;2.大连理工大学工业装备分析国家重点实验室,辽宁大连116023)摘要:石墨的层状结构使外来物质可进入层间,形成插入层;插入层在爆轰条件下分解后可将石墨层片推开,形成纳米石墨薄片。通过建立石墨层间化合物有限元模型,利用),拟合法获取层间化合物
2、的相关参数,基于ThomasFermi方程推导出相邻石墨层片分离时的层间作用力与层间距的函数关系;通过IS—DYNA模拟了石墨层片的分离过程,并给出石墨层间距随时间的变化关系,从而阐明薄片状无粘连纳米石墨的形成过程。关键词:纳米石墨片;制备机理;LS—DYNA;石墨层间作用力中图分类号:0389文献标识码:A1引言石墨具有独特的六角网状平面层状结构,层内相邻碳原子问以杂化,每个碳原子周围形成3个键,层面碳原子间是极强的大兀键,具有与金属键一样的键能,结合能为586kJ/mol,在键的作用下形成坚固的网平面,这些网平面相互层叠成层状结构]。层间的结合由平面网层
3、内平行于层面运动的丌电子,以微弱的vanderwaals力结合,该结合力只有17kJ/mol。石墨晶体的这种层状结构使得层问存在一定空隙,在一定条件下,某些反应物(如酸、碱、卤素)的原子(或单个分子)可在浓差推动力或电场力的作用下,“挤入”石墨层间,在层问扩散并与碳网平面形成石墨层间化合物(GICs)。GICs在遇到高温时将会分解,产生一种沿石墨晶轴(c轴)方向的推力,而对此轴向力与层间作用力定量化的研究较少㈨]。目前诸多文献局限于对GICs受热时的现象描述,如加热时迅速膨胀,但对具体的膨胀速度及膨胀产物尚无GICs分解与石墨层片剥离机理的深入报道。探讨GI
4、Cs的分解过程,分析受热条件对爆轰产物的影响,进一步对GICs分解时的受力状况进行研究,不仅能解决纳米石墨薄片的形成机理,也可为GICs在工程领域及军事领域的广泛应用提供理论支持。此外,爆轰裂解GICs制备出的纳米石墨层片薄、面积大,并且石墨具有良好的导电和导热特性,因而纳米石墨片可用于导电复合材料、防静电涂料的添加剂;同时,在电磁屏蔽材料、高级导电油墨、高强度工程塑料及国防工业、航空航天工业、汽车工业、通讯产业及能源产业等领域都具有潜在的应用前景。2实验与现象由于硝酸本身是一种氧化剂,以气一固反应方式即可非常容易地完成插层J,因而实验采用硝酸作为插层剂。*
5、收稿日期:2011-04一i3;修回日期:2Ol110—21基金项目:中国劳动关系学院“中央高校基本科研业务费专项资金”资助项目(12zy001)作者简介:孙贵磊(1980-),男,博士,副教授,主要从事爆轰合成及爆炸安全领域的研究.E-mail:sunguilei@126.corD_高压物理学报第26卷空间体积,即:在未发生插层反应时,石墨层片为一Graphitestg。l(c:..N.3HN)实体;当发生插层反应后,插层部分的体积可视为层-v.....A_]广...Ac_la。问增大的体积。因此,在对GICs进行分析计算时,、ll去除石墨层片所占有的体积
6、后,剩余体积即为层间f。。。。‘BI⋯⋯merc出∞n化合物所占有的体积。一_L·····A设计思想:根据一阶HNO。GICs的体单元模型(见图3),建立GICs的单元有限元模型。图4为单元模型的横截面示意图,将石墨有限元模型的底。。。。A层固定,在上层石墨上施加均布载荷,爆轰时,微型图2石墨与一阶石墨层间化合物的结构示意图层问化合物炸药迅速受热分解产生大量气体,冲击Fig.2Schematicsttreofgraphitend1_stageGICs作用于石墨层片。利用LS-DYNA模拟分析此过程时,需要获得JwL状态方程的相关参数,同时需要实时加载石墨层间
7、作用力与层间距的函数,此处采用文献[10]中提供的),拟合法,可获得JwL状态方程的状态参数,见表i。CrOSS-sectionofgraphitesheetsExplosiveCrOSS-sectionofgraphitesheetsSymmetricboundary图3一阶HNO。GICs的体单元模型图图4单元模型横截面示意图Fig.3Schematicof1-stageHNO3GICsvolumeunitFig.4Schematicofunitmodelsection表1石墨层间化合物参数TablelParametersofGICs炸药类型确定后,相应
8、的密度与爆速是不变的。在对运动过程进行分析时,几何尺
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