微纳结构铝基高能燃料的制备与燃烧性能

发布时间：2022-02-15 05:58

　　随着科技的发展,中国航天事业迅速崛起。作为航天领域的“动力来源”,推进剂的选择成为了重中之重,因此推进剂组分的筛选便成为了研究重点。由于火箭推进过程需要较高的能量,因此具有高放热量的金属燃烧剂便被广泛研究。铝粉由于具有耗氧量低、燃烧热高、密度大、原材料丰富、成本较低等优点,在众多金属材料中脱颖而出。目前使用的多为微米铝粉,但微米铝粉有较厚的氧化层,这使得它的燃烧速率和燃烧效率都偏低,甚至还可能带来两相流损失、尾迹热辐射和喷管污染等问题,因此需要对铝粉进行纳米化和掺杂以提高其活性;另外,新制的纳米粒子具有极高的活性,一遇空气或水便立即自燃,因此需要将其表面稳定化以保存其能量;最后为了解决纳米粒子难以和其它组分均匀混合的问题,也需对其粒径、形貌和亲水性进行改善。首先,利用球磨技术对微米铝粉进行了纳米化研究,通过改变球磨助剂的种类、球磨助剂的添加量、球磨时间以及球料比等参数确定了高活性铝纳米粒子的制备工艺,并通过稳定化处理获得了类球形的、高比表面积的和可快速燃烧的核壳结构纳米粒子。结果表明,球磨时间的长短直接影响铝粉的活性,当球磨时间为14 h,制备出的铝粉呈类球形,粒径约为30 nm,比表... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校

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球磨罐内的物体的运动状态(a)倾泻，(b)抛落，(c)周转

第1章绪论15点火更敏感。1.2.4.2有机物包覆Smith[54,55]等人为了去除铝粉外的氧化层，将铝粉添加到碘酸的浓溶液中进而用碘化铝六水合物(AIH)来代替氧化层。结果表明AIH包覆的纳米铝具有较高的活性，并且燃烧的火焰速度高达3200m/s。根据这一结果，Gottfried[56]等人拓展了这项研究的应用，他们采取激光诱导的方式对含能材料进行空气冲击，结果显示与三硝基甲苯(TNT)爆轰速度相比，TNT-AIH复合材料的爆轰速度增强了30%。Jacob[57]等人报道了一种使用硝化纤维素(NC)包覆铝纳米粒子的方法，利用高能粘合剂的低温分解，可以进一步增强铝纳米粒子的分散，从而减少铝纳米粒子在燃烧开始时的结块。另外，未包覆的铝纳米粒子在燃烧过程中会形成一些非常大的金属球体，这是由于较大的团块烧结形成较大的液滴，随后大液滴在氧化环境中燃烧所产生的结果。相比之下，由于NC的热分解和随后在较低温度下所产生气体有利于铝纳米粒子的分散，因此NC包覆后的铝纳米粒子则能够燃烧得更完全。Zeng[58]等人通过原位接枝法合成了GAP包覆铝纳米粒子的产物。其具体操作步骤如图1-9所示。图1-9GAP包覆铝纳米粒子的形成过程示意图[58]Fig.1-9SchematicdiagramoftheformationprocessofGAPpassivatedaluminumnanoparticles[58]首先，将铝纳米粒子放入具有乙酸丁酯的容器中并对其进行超声。然后以一定的时间间隔将二月桂酸二丁基锡(DBTDL)和2,4-二异氰酸甲苯酯(TDI)引入到容器中并搅拌1小时。之后，将混合物过滤并用乙酸丁酯洗涤并转移到装

哈尔滨工业大学工学博士论文16有300mL乙酸丁酯的容器中。在剧烈搅拌下再次加入相同量的DBTDL。最后将GAP加入到容器中并保持搅拌2h即可得到GAP包覆铝纳米粒子的产物。实验结果表明，铝纳米粒子的表面形成了一种-O-(CO-NH)-的化学键，而且包覆层的厚度可以通过改变反应物的相对比例来调节。此外，稳定化后的纳米粒子的疏水性大幅度提高，疏水角从原来的20.2°提高到了142.4°，这说明GAP包覆的铝纳米粒子能够在潮湿的环境中良好保存，而且在热水中的稳定性也显著提升。为了保留铝纳米粒子的活性，李鑫[59]等人先在惰性气氛下用硅烷偶联剂预处理铝纳米粒子，之后利用聚叠氮缩水甘油醚(GAP)对铝纳米粒子进行包覆，包覆后的产物和未包覆的粒子相比热稳定性明显提高，这说明利用GAP作为包覆剂来包覆铝纳米粒子具有一定的可行性。Chung[60,61]等人使用环氧异丁烷、环氧己烷和环氧十二烷作为包覆剂来包覆铝纳米粒子，制备方案如图1-10所示。图1-10铝纳米粒子被环氧化物钝化[60]Fig.1-10Passivationofaluminiumnanoparticleswithepoxides[60]首先是铝烷在异丙醇钛作催化剂的作用下分解生成铝纳米粒子(如方程式1-13所示)，之后环氧化物在铝纳米粒子的作用下开环，开环后包覆剂中的O和Al相互作用而形成稳定的Al-O键，进而起到稳定化铝纳米粒子的作用。通过观察实验现象可以发现，环氧己烷和环氧十二烷包覆后的铝纳米粒子在空气能


本文编号：3626054