摘要
传统的推进剂燃料肼及其衍生物具有毒性和致癌性，操作成本高且存在安全隐患。自燃型离子液体具有蒸气压低、毒性低、液相温度范围大、热稳定性高等优点，是最有潜力取代肼及其衍生物的新一代推进剂燃料。 本文合成了23种离子化合物，其中17种为自燃型离子液体，对它们的黏度、密度、熔点、分解温度、生成热、比冲、点火延迟时间等进行了理论计算和实验测试。结果表明这些自燃型离子液体的密度在0.908-1.270g·mL-1之间，黏度在15.2-763cP之间，分解温度大多超过200℃，点火延迟时间最短为8ms。系统地研究了阴阳离子结构对自燃型离子液体性质与性能的影响，发现咪唑阳离子取代基侧链越长，则黏度越高、密度越低、生成热越低。而咪唑阳离子取代基的不饱和度提高时，生成热会提高但热稳定性变差。研究表明低黏度和短点火延迟时间有较强的关联性。 开展离子液体自燃性的研究，计算了各种阴离子与氧化剂硝酸的前线轨道能级差，发现自燃阴离子的轨道能级差比非自燃阴离子要小很多。提出自燃反应性基团的概念，基团的数量和类型对点火延迟时间有决定性的影响。计算了三种自燃阴离子与氧化剂的初始点火反应的吉布斯自由能变和焓变，并提出了评价和预测离子液体自燃性的简便方法。 提出复配改性的策略解决单一离子液体难以满足实际应用需求的问题。首先考察了石墨烯对离子液体的改性，添加0.02wt%的石墨烯可以使1-腈丙基-3-甲基咪唑二氰胺的黏度下降13.8%(15℃)，使其点火延迟时间缩短49%。添加少量的乙醇能大幅降低离子液体的黏度，同时缩短其点火延迟时间。1-腈丙基-3-甲基咪唑二氰胺中添加摩尔分数为0.05的乙醇时，其黏度下降了16.4%(25℃)，点火延迟时间缩短了41%。运用分子动力学模拟研究了乙醇加入对离子液体阴阳离子间相互作用的影响，发现乙醇的加入有助于提高阴阳离子的扩散能力。 提出自燃多离子液体的策略，旨在结合不同离子的优势特性，获得各项性能优异且稳定均一的液体燃料。三组多离子体系展现了各自的特点：咪唑-氰基硼氢-二氰胺多离子液体在特定离子比例下展现出3ms的最短点火延迟时间；咪唑-含氧酸根-二氰胺多离子液体的氧平衡、密度和比冲都得到提升，有望用作单组元推进剂燃料；咪唑-胍阳离子-二氰胺多离子液体的密度、比冲和密度比冲都得到提升，且点火延迟时间能够保持不变。运用分子动力学模拟计算了径向分布函数和自扩散系数，结果表明多离子体系中离子间的相互作用不同于单一离子液体，离子的扩散能力随离子比例发生变化，自扩散系数的变化与黏度的变化基本一致。 本文关于自燃型离子液体的研究，开拓了从结构设计到性能调控的多种新思路，为其真正作为替代型推进剂燃料的实际应用提供了理论基础和科学数据。
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