硼颗粒点火燃烧促进方法研究

发布时间：2017-09-21 01:13

  本文关键词：硼颗粒点火燃烧促进方法研究

  更多相关文章： 硼 点火 燃烧 包覆 添加剂

【摘要】：硼具有非常高的质量热值和体积热值,很适合用作固体贫氧推进剂的燃料。但在实际应用中,由于硼自身的高熔点和高沸点以及它表面的氧化膜B203的高沸点,导致硼的点火性能差,燃烧效率低,使它的高热值不能充分发挥出来。所以深入研究硼颗粒的点火燃烧特性,进而寻找到硼颗粒点火与燃烧的促进方法对于含硼推进剂的应用有着重要的意义。本文在前期相关调研论证工作基础上,应用各种分析测试仪器对硼颗粒的理化特性进行研究,得到详细的理化特性分析结果。进行了大量的硼样品点火燃烧实验研究,分析了硼粉纯度、晶型、粒度、环境气氛、压力、升温速率等因素对硼点火燃烧的影响。改进了传统的重结晶法,提出了双溶剂法硼包覆工艺,通过正交实验研究双溶剂法的最佳工艺参数。研究了多种包覆剂对硼点火燃烧的促进效果,寻找到多种可以显著促进硼点火燃烧的新型添加剂,配合热力学理论方法和扫描电镜等手段探讨了新型添加剂的作用机理。实验结果表明,纯度越低的硼粉,越容易点火和燃烧。在相同纯度下,无定形硼比晶体硼更容易点火和燃烧。在一定的粒径范围内,随着粒径的增大,硼粉的着火温度逐渐升高,但升高的幅度不大。并且随着粒径的增大,硼粉的反应效率略有增加。热分析结果表明,随着升温速率的增大,硼粉的热重曲线呈现一个整体滞后的效应,着火温度逐渐增大,最大增重量有所减小。1000℃以下时硼粉的热氧化过程可分为前后两个阶段,第一阶段最佳机理函数为G(α)=-1n(1-α),第二阶段最佳机理函数为G(α)=(1-α)-2。提高环境中的氧气浓度有利于硼的着火。随着环境压力的增大,硼粉的着火温度有所降低,但降低的幅度不大,同时最大增重速率和反应效率逐渐减小。分析了重结晶法的不足,提出了双溶剂法硼包覆工艺。应用pH法检验硼粉的包覆效果,发现双溶剂法的包覆效果要优于重结晶法,可以提高硼颗粒的包覆均匀性和完整性。在实验条件下,双溶剂法的最优工艺参数水平为：超声波混合时间10min,蒸发温度350℃,搅拌速度200r·min-1。经过AP、LiF和TMP包覆后的硼样品具有比单纯硼粉大得多的比表面积和孔容积。LiF和TMP可以降低硼粉的着火温度,同时增大样品的放热量。AP可以减小硼的点火延迟时间,并且可以加强硼的燃烧。研究了多种添加剂对硼颗粒点火燃烧的影响,发现添加了镁粉的硼样品比单纯的硼粉燃烧强度要大,可以提高样品中硼的燃烧效翠同时降低样品的着火温度。在实验中用到的七种金属氧化物添加剂中,Bi2O3的效果最好,表现出优异的促进硼点火的功能,可使硼的着火温度降低15.2%,点火延迟时间降低46.2%。在硼粉中加入一定量的草酸可以显著促进硼的点火燃烧性能,可使点火延迟时间降低42.4%,燃烧强度增大16.7%,燃烧效率提高21.5个百分点。LiH对于硼颗粒的点火和燃烧也具有明显的促进作用,加入LiH后,硼样品的整体热反应过程提前了很多,第一次剧烈反应期开始温度提前了约140℃,后反应期开始温度提前了约260℃。并且可使硼的点火延迟时间减少34.1%,燃烧强度增加117.6%,燃烧效率提高24.3个百分点。
【关键词】：硼 点火 燃烧 包覆 添加剂
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V512
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-15
• 第1章 绪论15-39
• 1.1 课题背景及意义15-18
• 1.2 硼颗粒点火燃烧研究进展18-24
• 1.2.1 点火燃烧实验研究18-21
• 1.2.2 点火燃烧理论研究21-24
• 1.3 硼颗粒点火燃烧促进方法研究进展24-37
• 1.3.1 合适的晶型和粒度24-26
• 1.3.2 燃烧环境的优化26-28
• 1.3.3 包覆和添加剂改性28-37
• 1.4 本文主要研究内容37-39
• 第2章 实验装置及硼样品理化特性分析39-61
• 2.1 引言39
• 2.2 点火燃烧实验装置39-46
• 2.2.1 热重分析试验台39-42
• 2.2.2 激光点火试验台42-46
• 2.3 测量分析仪器46-50
• 2.3.1 马尔文激光粒度仪46-47
• 2.3.2 扫描电镜47-48
• 2.3.3 氮吸附仪48
• 2.3.4 透射电镜48-49
• 2.3.5 电感耦合等离子体发射光谱49-50
• 2.4 包覆实验仪器50-52
• 2.4.1 超声波清洗器50-51
• 2.4.2 磁力搅拌器51-52
• 2.5 硼样品的理化特性52-59
• 2.5.1 样品的成分52-53
• 2.5.2 硼粉的粒度与比表面积53-54
• 2.5.3 硼样品的微观形貌54-57
• 2.5.4 样品的透射电镜分析57-59
• 2.6 本章小结59-61
• 第3章 理化特性对硼点火燃烧的影响61-73
• 3.1 引言61
• 3.2 研究方法61-64
• 3.2.1 技术路线61-62
• 3.2.2 TG-DTG切线法62
• 3.2.3 激光点火光谱法62-64
• 3.3 纯度和晶型的影响64-70
• 3.3.1 热分析实验64-69
• 3.3.2 激光点火实验69-70
• 3.4 粒度的影响70-71
• 3.5 本章小结71-73
• 第4章 不同环境下硼的点火与燃烧73-94
• 4.1 引言73
• 4.2 升温速率的影响73-79
• 4.2.1 不同升温速率下硼粉的热反应73-74
• 4.2.2 硼粉热反应过程的动力学74-79
• 4.3 气氛的影响79-81
• 4.4 压力的影响81-83
• 4.5 硼在氧化性气氛下燃烧的热力学理论研究83-92
• 4.5.1 计算方法83-85
• 4.5.2 B/O体系85-88
• 4.5.3 B/C/H/O体系88-92
• 4.6 本章小结92-94
• 第5章 包覆改性促进硼的点火与燃烧94-116
• 5.1 引言94
• 5.2 常用的包覆材料及其包覆方法94-96
• 5.3 新型包覆工艺—双溶剂法96-100
• 5.3.1 包覆效果的表征方法及其合理性验证96-98
• 5.3.2 双溶剂法工艺特点98-100
• 5.4 双溶剂法包覆工艺参数优化100-105
• 5.4.1 正交试验100-102
• 5.4.2 参数优化结果分析102-105
• 5.5 包覆剂对硼点火燃烧的促进作用105-114
• 5.5.1 包覆对样品理化特性影响106-108
• 5.5.2 样品的TG/DTG/DSC热分析108-112
• 5.5.3 样品的激光点火实验研究112-114
• 5.6 本章小结114-116
• 第6章 促进硼点火与燃烧的新型添加剂116-153
• 6.1 引言116
• 6.2 镁粉添加剂的促进机理116-120
• 6.2.1 镁-硼的燃烧过程特征116-117
• 6.2.2 镁-硼的点火延迟时间117-118
• 6.2.3 镁-硼的燃烧效率118-119
• 6.2.4 镁-硼的着火温度119-120
• 6.3 金属氧化物添加剂的促进机理120-134
• 6.3.1 实验原料与方法121-122
• 6.3.2 热分析与热力学计算122-133
• 6.3.3 金属氧化物对硼点火延迟时间的影响133-134
• 6.4 草酸添加剂的促进机理134-143
• 6.4.1 FactSage热力学分析135-137
• 6.4.2 激光点火实验研究137-141
• 6.4.3 草酸促进硼点火燃烧的机理验证141-142
• 6.4.4 H_2C_2O_4/Bi_2O_3复合添加剂的作用142-143
• 6.5 金属氢化物的促进机理143-150
• 6.5.1 高温燃烧过程特征144-148
• 6.5.2 激光点火实验研究148-150
• 6.6 本章小结150-153
• 第7章 全文总结及展望153-159
• 7.1 本文主要结论153-157
• 7.2 本文的主要创新点157-158
• 7.3 下一步工作展望158-159
• 参考文献159-170
• 作者简历170-172

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本文编号：891501