Enhancing Mechanical and Combustion Performance of Boron/Polymer Composites via Boron Particle Functionalization

材料科学 表面改性 燃烧 复合材料 氮化硼 粒子(生态学) 聚合物 氧化硼 化学工程 冶金 氧化物 化学 海洋学 有机化学 工程类 地质学
作者
Yue Jiang,Nil Ezgi Dincer Yilmaz,Kayla P. Barker,Jihyun Baek,Yan Xia,Xiaolin Zheng
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (24): 28908-28915 被引量:52
标识
DOI:10.1021/acsami.1c06727
摘要

High-speed air-breathing propulsion systems, such as solid fuel ramjets (SFRJ), are important for space exploration and national security. The development of SFRJ requires high-performance solid fuels with excellent mechanical and combustion properties. One of the current solid fuel candidates is composed of high-energy particles (e.g., boron (B)) and polymeric binder (e.g., hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB)). However, the opposite polarities of the boron surface and HTPB lead to poor B particle dispersion and distribution within HTPB. Herein, we demonstrate that the surface functionalization of B particles with nonpolar oleoyl chloride greatly improves the dispersion and distribution of B particles within HTPB. The improved particle dispersion is quantitatively visualized through X-ray computed tomography imaging, and the particle/matrix interaction is evaluated by dynamic mechanical analysis. The surface-functionalized B particles can be uniformly dispersed up to 40 wt % in HTPB, the highest mass loading reported to date. The surface-functionalized B (40 wt %)/HTPB composite exhibits a 63.3% higher Young's modulus, 87.5% higher tensile strength, 16.2% higher toughness, and 16.8% higher heat of combustion than pristine B (40 wt %)/HTPB. The surface functionalization of B particles provides an effective strategy for improving the efficacy and safety of B/HTPB solid fuels for future high-speed air-breathing vehicles.
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