Enhanced Thermal Decomposition and Safety of Spherical CL-20@MOF-199 Composites via Micro-Nanostructured Self-Assembly Regulation

材料科学 热分解 范德瓦尔斯力 推进剂 复合数 催化作用 燃烧 化学工程 复合材料 活化能 氢键 分解 表面能 分子 纳米技术 物理化学 有机化学 化学 工程类
作者
Haojie Li,Wenchao Tong,Zhenzhan Yan,Long Li,Shuang Wang,Junda Huo,Yang Li,Ji-Min Han,Xiaoting Ren,Wei Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (35): 41850-41860 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.3c06732
摘要

The characteristics of high burning rate, high energy output, and low pressure exponent have always been the focus of development in the field of composite solid rocket propellants. In this paper, a metal-organic framework (MOF-199) compound is introduced to prepare micro-nanospherical CL-20@MOF-199 composites via the spray-drying self-assembly technique to reach the above goals. MOF-199, which acts as an attractive combustion catalyst and a safety regulator, is uniformly coated on the surface of CL-20 with close interface contact between particles, effectively accelerating the thermal decomposition of CL-20 and ensuring safety performance. The average noncovalent interaction (aNCI) analysis illustrates that there are strong C-H···O hydrogen bonds and van der Waals interaction between CL-20 and MOF-199 molecules, greatly enhancing the effect of interparticle assembly. The effects of different contents of MOF-199 on the thermal, safety, and energy properties of CL-20 were discussed. The thermal analysis demonstrates that MOF-199 has a significant thermal catalytic effect on CL-20, with an advanced peak temperature of thermal decomposition of 14.2 °C and a reduced activation energy barrier of 34.2 kJ·mol-1, mainly benefitting from more exposed catalytic active sites and close interface contact. In addition, CL-20@MOF-199 composites exhibit decreased mechanical sensitivity (IS: 21-40 cm, FS: 80-240 N) and excellent energy performance. This work clearly demonstrates that MOF-199 is both a superior combustion catalyst and a good safety buffer for CL-20, and it opens new potential for further applications of CL-20 in composite solid propellants.
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