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爆炸合成. 谢 兴 华 电话： 13956460391 安徽理工大学化学工程学院 200 7 年 9 月. 主要内容. 1 绪论（简介与本文工作） 2 爆轰理论计算与临界参数 3 爆轰合成纳米锂锌氧化物 4 爆轰合成纳米锂锰氧化物 5 燃烧与锂离子筛及锂电池 6 乳化炸药设计与爆燃判别 7 论文创新点、问题与展望. 1 绪论. 1817 年，著名化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特逊发现了锂，被公认为是 “ 推动世界进步的能源金属 ” 。 1.1 研究概况 1.2 研究意义
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爆炸合成 谢 兴 华 电话：13956460391 安徽理工大学化学工程学院 2007年9月
主要内容 1 绪论（简介与本文工作） 2 爆轰理论计算与临界参数 3 爆轰合成纳米锂锌氧化物 4 爆轰合成纳米锂锰氧化物 5 燃烧与锂离子筛及锂电池 6 乳化炸药设计与爆燃判别 7 论文创新点、问题与展望
1 绪论 1817 年，著名化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特逊发现了锂，被公认为是“推动世界进步的能源金属”。 1.1研究概况 1.2 研究意义 1.3 存在问题 1.4 本文工作
1.1 研究概况 • 纳米技术引起的是人类经历了材料主导、能源主导、信息主导以及三者融和之后，在更高层次上进入材料主导的新技术科学时代。如提锂纳米离子筛 。 • 在化学电源领域，锂离子电池已成为世界范围的研究热潮，它有希望成为取代传统矿物燃料作为大型设备的动力源。
1.2 研究意义 • 爆炸合成 1988年，Greiner 在Nature上发表了爆轰合成纳米金刚石，相继有研究纳米石墨和碳纳米管合成的，A. A. Bukaemskii用爆炸法抛散铝粉氧化合成纳米氧化铝。在含水炸药中添加前驱体爆炸合成锂纳米复合氧化物的研究还未见报导。
1.2 存在问题 用常规方法合成的尖晶石LiMn2O4容易在烧结过程中形成外表极为不规则的烧结块，这些烧结块往往有较严重的团聚现象，造成比表面积和电化学活性点降低，这样为制得较小尺寸（如1-5 μm）的材料，就必须对材料进行研磨粉碎。而用作锂离子电池的正极材料应该颗粒细小、分散均匀、少团聚现象。
1.3 本文工作 本文主要研究工作： 一、爆炸合成纳米锂锌氧化物，表征爆炸产物，锂离子筛应用研究； 二、爆轰合成纳米锂锰氧化物，研究锂离子电池性能和锂离子筛吸附能力； 三、设计多种能量密度的含水炸药，研究稳定性和爆炸能，区别爆燃与爆轰特征。
纳米氧化物爆炸合成 是以在炸药中掺加各类氧化物前驱体的爆炸方法研究纳米金属氧化物的合成方法，主要解决掺加各类氧化物前驱体炸药制备与爆炸性能的关系，进而由炸药爆炸性能与纳米粒子形态建立联系，实现对纳米材料尺度和形貌特征的控制，并完成一种可控制纳米粒子形态的纳米金属氧化物和复式氧化物低成本合成方法。
爆轰反应特征 合成时间短（一般为几微秒左右） 作用压力大（可达0.1～100 G Pa） 高反应速率，原料离子状态结合，可合成出成分均匀的材料。节省时间，生产效率提高。 高冷却速度，有利于保持纳米粉末的优异特性，尤其是阻止纳米复合氧化物晶粒长大。 环境友好性，解决“黑色”电池工业和吸附分子筛污染环境问题，实现绿色化工可持续发展。 爆轰合成可以实现科学性、经济性和可行性三原则的有机结合，而且节能，样品易于回收。并可固定晶格位错等可制备高性能材料。
目前研究主要偏重于爆炸力学。有关爆轰机理的研究主要是关于爆轰合成温度场、速度场和压力场理论计算及一些实验观测。表征了纳米晶微观结构和探讨了合成反应动力学机理。设计了不同能量密度的浆状、水胶、乳化和高含水量水溶性专用炸药。区分了炸药爆燃与爆轰特征。 本文工作是要综合考虑爆炸流体力学效应与爆炸化学反应机理，设计专用含水炸药，利用快速淬火以固定晶格缺陷和畸变，添加含能前驱体在纳米晶粒表面修饰羰基、羧基和硝基等基团来制备高性能复合纳米氧化物。研究颗粒形貌和焙烧、包覆、补氧与掺杂对纳米粉体性能影响。
爆炸合成特点 (1) 工艺过程简单，易于操作，实验的器材十分简单、工业原料都很便宜，设备及生产成本相对低廉； (2) 合成反应工艺简单和易批量扩大生产，易于实现工业化大规模推广应用； (3) 爆炸反应的快速淬冷阻止了纳米纷体的长大，合成产物纳米量级细度大； (4) 炸药的爆炸反应使所有键断开再重组，通过控制合成条件获得不同产物，除能够合成氧化物以外，还可以合成单质、硫化物、碳化物、氮化物和多种复合物等； (5) 合成反应是在专用爆炸球罐中瞬间完成的，常规合成方法需要多次研磨和焙烧，特别是锂电池正极材料和分子筛等陶瓷粉体材料被称为污染严重的“黑色工业”，含水炸药可室温制备，爆炸合成方法可以实现绿色化工和清洁无能耗或低能耗生产； (6) 炸药中水的存在使多种金属元素以离子态接触，特别适合微量元素掺杂的金属复合氧化物合成，合成的产物组分均匀。
由Dulong-Petit’s定律：每摩尔分子中的每个固体（晶体）原子比热为3R，氧化物、碳化物、硫化物、单质和液体水等按此计算。 徐士明介绍了常见爆轰产物比热计算式： 双原子气体：Cv = 20.06 + 1.88×10-3t (J/mol·℃) 气态水蒸汽：Cv = 16.72 + 8.99×10-3t (J/mol·℃) 二氧化碳气：Cv = 37.62 + 2.42×10-3t (J/mol·℃) 含能材料和常见爆轰产物的生成热可以由文献[110]得到。固相金属氧化物爆轰产物生成热可以查找文献[111]得到。爆热计算式：
本章小结 (1) 介绍了实验仪器设备，连续水相炸药原料和探索实验，计算和预估了水胶炸药临界爆轰参数，利用炸药中掺加硝酸锂、硝酸锰前驱体临界爆轰产生了10－50纳米球形锂锰氧化物，并表征了产物微观结构。这为连续水相炸药爆轰参数计算和配制专用炸药爆炸合成复合氧化物提供了方法。 (2) 从方法的提出、前驱体的选择、炸药的设计与配制、爆轰实验步骤等方面详细地介绍了该方法原理和产物检测手段。
本章小结 (1) 含锂锌乳化炸药爆轰合成了球形含锂纳米氧化锌粉，X射线衍射和透射电镜检测结果证实了这一判断；而且，还有部分粒子微观特征为线管状结晶，这也为含锂氧化锌纳米线和纳米管的研究开辟了新的合成途径； (2) 乳化炸药的密度是影响装药爆轰与爆燃的关键因素，EPS为纯碳氢成分，爆炸反应后变为CO2和H2O，EPS的加入，增加了爆炸反应的搅混湍流度，加量为2 ％时能够保证乳化炸药爆轰，不加EPS时，乳化膏体会发生爆燃； (3) 透射电镜下，爆轰产物显示清晰的纳米球形晶体结构，即爆轰产物形貌为球形或类球形，比较后面爆燃产物透射电镜图像，爆燃产物却显示了明显的方形等非球形结构，这为区分炸药的爆燃与爆轰提供了有效的检测手段和定性评价判别准则； (4) 乳化炸药爆轰反应时因薄油膜的隔离使爆轰产物分散均匀，有抑制纳米晶粒团聚作用，主要为球形或类球形结晶；爆燃合成的锂锌氧化物将在第6章介绍； (5) 乳化炸药制备中不加高能猛炸药，这为工业化生产提供了简单经济的合成方法，尽管硝酸锌反应放热小，本文还是实现了制备纳米含锂氧化锌乳化炸药的爆轰； (6) 乳化炸药爆轰参数计算值可以用来调整爆炸合成工艺条件，爆轰温度估算结果显示了较低的合成温度。
本章小结 通过设计不同能量密度含水炸药，分析测试表征爆炸产物，研究结果表明：水溶炸药爆炸产物经焙烧重结晶，制备了纯相尖晶石锰酸锂，主要过程和结论如下： (1) 由XRD分析爆炸产物为JCPDS 07－0230 方锰矿； (2) 200 ℃焙烧10 min仍保持方锰矿，水份不断蒸发； (3) 300 ℃焙烧10 min转化为JCPDS 24－0734 四氧化三锰； (4) 400 ℃焙烧10 min形成JCPDS 46－0810 Li4Mn5O12； (5) 450 ℃焙烧4 h完全转化为立方尖晶石锰酸锂JCPDS 18－0736 LiMn2O4； (6) 设计的低能量密度专用水溶性炸药可以爆炸合成成分均匀的纳米复合氧化物，与其它炸药相比，具有含水量大和合成温度低的特点，水溶炸药解决了粘合剂对反应均匀性的影响； (7) 水溶炸药爆炸形成方锰矿氧化物，经焙烧转化为四氧化三锰，450 ℃保温4 小时可以得到纯相尖晶石锰酸锂； (8) 水溶炸药可以在室温下制备，无能耗，生产上安全，工艺简单。
5 燃烧与锂分子筛及锂电池 本章用设计含水炸药的方法来配制燃烧合成锂纳米复合氧化物的前驱体，开展合成控制与产物表征；用常规燃烧技术给爆炸合成的锂复合氧化物焙烧、改性、包覆、掺杂与补氧，利用爆炸与燃烧技术相结合的方法制备含锂纳米复合氧化物。 用爆炸与燃烧合成的含锂复合氧化物制备提锂离子筛和锂离子电池，探索新合成加工方法生产锂纳米复合氧化物在海水或卤水中提锂以及锂离子电池电极材料上的应用。
