Abstract Solid energetic nanocomposites, consisting of reactive metal particles and oxidizers, find broad applications ranging from pyrotechnics to solid rocket propellants and solid ramjet fuels. In particular, nano-aluminum (n-Al) and polyvinylidene fluoride (PVDF) are attractive fuel and oxidizer materials, due to the high energy density of n-Al, and the high oxidizing potential and excellent mechanical properties of PVDF. PVDF is a semi-crystalline polymer and has three common crystalline phases, alpha (α), gamma (γ), and beta (β) phases. Many research works have focused on the chemical reactions between Al and PVDF, yet the effect of PVDF crystallinity on the Al/PVDF reaction is unknown. Here, we experimentally and computationally demonstrate that increasing the mass fraction of β-phase PVDF from 2.5 to 25% in Al/PVDF composites substantially improves peak pressure by 90% (from ~34 to ~64 psi) and pressure rise rates by 300% (from 2.5 psi/ms to 10 psi/ms). This stems from the alignment of F atoms along one side of the β-PVDF polymer chain, making it structurally conducive to reacting with Al particles to form strong Al-F interactions. This strong interaction leads to higher binding energy between, and hence higher reactivity in, β-PVDF and Al. Our research provides a new method for enhancing the reactive performance of Al/PVDF composites by increasing the content of β-PVDF.

中文翻译：

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用β-PVDF增强纳米Al/PVDF复合材料的燃烧性能

摘要 由活性金属颗粒和氧化剂组成的固体高能纳米复合材料具有广泛的应用，从烟火到固体火箭推进剂和固体冲压发动机燃料。特别是，纳米铝 (n-Al) 和聚偏二氟乙烯 (PVDF) 是有吸引力的燃料和氧化剂材料，因为 n-Al 的能量密度高，PVDF 的高氧化电位和优异的机械性能。PVDF 是一种半结晶聚合物，具有三种常见的结晶相：α (α)、γ (γ) 和β (β) 相。许多研究工作都集中在 Al 和 PVDF 之间的化学反应上，但 PVDF 结晶度对 Al/PVDF 反应的影响尚不清楚。在这里，我们通过实验和计算证明将 β 相 PVDF 的质量分数从 2 增加。在 Al/PVDF 复合材料中添加 5% 至 25% 可将峰值压力显着提高 90%（从 ~34 到 ~64 psi），压力上升率提高 300%（从 2.5 psi/ms 到 10 psi/ms）。这源于 F 原子沿 β-PVDF 聚合物链一侧的排列，使其在结构上有利于与 Al 颗粒反应以形成强的 Al-F 相互作用。这种强相互作用导致 β-PVDF 和 Al 之间的结合能更高，因此反应性更高。我们的研究为通过增加β-PVDF的含量来提高Al/PVDF复合材料的反应性能提供了一种新方法。使其在结构上有利于与 Al 颗粒反应形成强的 Al-F 相互作用。这种强相互作用导致 β-PVDF 和 Al 之间的结合能更高，因此反应性更高。我们的研究为通过增加β-PVDF的含量来提高Al/PVDF复合材料的反应性能提供了一种新方法。使其在结构上有利于与 Al 颗粒反应形成强的 Al-F 相互作用。这种强相互作用导致 β-PVDF 和 Al 之间的结合能更高，因此反应性更高。我们的研究为通过增加β-PVDF的含量来提高Al/PVDF复合材料的反应性能提供了一种新方法。