五氨基四氮唑类推进剂的热解、燃烧特性及应用研究

发布时间：2020-05-30 17:05

【摘要】：随着哈龙灭火剂替代工作的逐步开展,以固体推进式灭火技术(Solid Propellant Fire Extinguishing,SPFE)为基础研制的固体推进剂燃气发生器灭火装置(Solid Propellant Gas Generator,SPGG)以其快速、高效、结构紧凑等优良特性脱颖而出,在飞行器发动机舱、燃油干舱及装甲车辆人员舱等密闭腔室内的灭火装置研发工作中得到了广泛关注。经过多年研究,以5-氨基四氮唑/硝酸锶(5-AT/Sr(N03)2)复合推进剂为基础作为产气药剂,根据哈龙灭火器罐体设计并制造的相应灭火装置已经得到了大量的应用,但该推进剂燃烧时凸显的燃气温度高、燃速随压力变化幅度大等缺陷很大程度上阻碍了 SPGG灭火装置的进一步推广和应用。因此,本文以5-AT/Sr(N03)2复合推进剂为研究对象,通过掺杂选取的六种不同种类燃烧调节添加剂,深入研究了不同种类添加剂对5-AT类推进剂热分解行为及燃烧行为的影响并对其影响机制进行了探究。同时,基于搭建的灭火实验平台与研制的SPGG灭火装置原理样机,使用充装掺杂有不同添加剂的5-AT推进剂的灭火装置进行了密闭腔室内的油池火灭火实验,并通过实验结果对不同配方的灭火效能进行了表征,从而探究了药剂配方特征参数与装置灭火效能之间的关系,进而优选出一种适用于SPGG灭火装置的5-AT类推进剂配方。本文主要的研究内容包括:采用SEM扫描电镜、比表面积测试仪、导热系数测量仪等测量设备对掺杂不同添加剂的5-AT类推进剂的物理特征参量进行了表征,同时通过热重-差热分析仪及热重-红外联用仪等热分析设备对氮气氛围及不同升温速率下各样品的热分解行为进行了测试,并依据计算的反应动力学参数对其热分解反应机理进行了探究。研究结果表明,掺杂的添加剂对样品热分解过程的影响主要通过其分别对5-AT/Sr(N03)2推进剂热分解过程中三个阶段的反应产生影响来发挥作用。在样品分解的第一阶段,掺杂添加剂后推进剂的导热系数与组分分布结构是主要影响因素;在第二阶段,冷却剂类添加剂NQ和MA由于提前热分解,能通过增加气相反应区可燃组分浓度来促进该阶段的反应;过渡金属氧化物类添加剂nano-CuO和nano-ZnO则主要充当气相反应催化剂,其中nano-CuO能进入气相区发挥催化作用来消耗HN3而nano-ZnO则集中在燃烧表面并催化氮氧相关反应;冷却剂类添加剂对样品在该阶段热分解反应的影响取决于其自身吸热造成的阻碍作用与产物可能带来的促进作用之间的平衡,ZrnA1204和A1(OH)3分解生成的A1203成为了主导因素,能加速该阶段的反应。而在第三阶段,Sr(N03)2的热分解过程主要受各添加剂自身或其分解产物的影响。通过实验测试对掺杂不同添加剂的5-AT类推进剂的常压燃烧火焰形态结构、燃烧温度、不同压力下燃烧速度及固态燃烧残渣成分进行了研究与分析,并结合热分解行为研究结果,抽象出了不同配方的物理燃烧模型,揭示了各添加剂对样品燃烧行为的影响机制,并基于GDF模型构建了适用于5-AT类推进剂的理论燃烧模型。研究结果表明5-AT类推进剂燃烧行为的变化取决于燃烧表面处气相反应与固相反应中热传递平衡过程的变化,NQ、nano-CuO和A1(OH)3的掺杂能促进气相区反应,而MA、nano-ZnO和ZnA12O4的掺杂则对固相区反应的影响较为明显,这也体现到了各样品的燃烧火焰结构中。同时,固态燃烧产物的XRD分析结果也印证了对5-AT类推进剂热分解过程中化学反应路径的分析。而总结的物理燃烧模型对掺杂不同添加剂后燃烧表面的热平衡过程提供了很好的阐释,能够很好的解释不同配方推进剂的燃烧过程。同时,构建的理论燃烧模型也通过燃烧速度测量数据进行了适用性验证。基于Saito法对充装不同推进剂的SPGG灭火装置的理论灭火效能进行了计算。同时,基于研制的SPGG灭火装置原理样机,搭建了灭火实验平台并开展了密闭腔室内的油池火灭火实验,利用实验结果对充装不同推进剂的SPGG灭火装置的实际灭火效能进行了评估和表征。理论计算结果表明,当选用超细干粉作为灭火介质时,研制的SPGG灭火装置原理样机的理论灭火效能能达到哈龙灭火器的2.77倍。而实验测试结果表明推进剂的燃烧速度、燃烧温度及点火延迟时间三个特征参量是能够影响SPGG灭火装置灭火效能的直接因素,具有不同特征参量的推进剂在灭火器罐体内快速燃烧,致使灭火介质受到了不同温度和压力的气态产物的驱动作用,从而具有了不同的降温速率与初速度,进而使装置的灭火时间发生变化。因此,为了提升SPGG灭火装置的灭火效能,应当优选一种具有低燃温、燃速较大且点火延迟较低的5-AT类推进剂。基于该分析结果,优选并制备了一种掺杂有NQ、nano-CuO及ZrnAl2O4的5-AT类推进剂并进行了相关参数的测试,结果表明该推进剂燃烧温度仅为885.91 K,在压力为1 MPa时燃烧速度相较于5-AT/Sr(NO3)2推进剂上升了约9%,而且该推进剂在压力为1-5MPa时的燃速压力指数仅为0.22。同时灭火实验测试结果也表明充装该推进剂后SPGG灭火装置的灭火效能得到了提升,这也印证了本文研究中提出的药剂特征参数与装置灭火效能之间的关系。
【图文】：

相较于气体灭火装置往往长达２－３邋ｓ的喷洒时间，ＳＰＧＧ发展初期达到灭火效果的可能大大提升［１８，１９］。根据对装置内固体生成的高温燃气利用方式的不同，ＳＰＧＧ灭火装置又可以划分为接灭火式固体推进式灭火装置（Ｅｘｔｅｒｎａｌ邋ＳＰＧＧ）逡逑类装置利用药剂燃烧产生的大量高压惰性燃气具有良好的分散度，可以直接喷洒进入火场，进而与火焰直接接触达到火焰抑制这样设计的灭火装置结构十分紧凑，重量很小，且由于不需要额该装置可以多次重复利用。但是，，由于逸出的高温燃气中往往包烧残渣，这些具有较高初速度的高温固态颗粒物极易附着在物品二次污染也能点燃未燃物品，导致火灾扩散，也能造成环境污剂产气量的限制，往往需充填更大质量的产气药剂以达到较好的在运输、存储等过程中成为新的危险源。因此，该类灭火装置由胶灭火装置类似的缺陷，一直难以大规模应用［２（）］。逡逑惟性气态产物逡逑

｜W丨■丨，■丨＿丨＾？逡逑a性气态产物逡逑图１．１直接灭火式固体推进式灭火装置结构示意图逡逑２．间接灭火式固体推进式灭火装置（Ｉｎｔｅｒｎａｌ邋ＳＰＧＧ）逡逑该类装置利用密闭腔室内固体推进剂在短时间内快速燃烧产生的大量燃气逡逑作为动力源，驱动灭火介质通过喷嘴喷洒，使其与火焰直接接触以达到火焰抑制逡逑及熄灭的效果。这样设计的灭火结构装置较为紧凑，很好的平衡了装置质量、体逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V51

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本文编号：2688444