铝镁合金氢化物的燃烧特性及其在铝热剂中的应用

发布时间：2020-04-15 12:09

【摘要】：铝粉具有相对较高的体积燃烧焓和能量密度,其作为金属燃烧剂被广泛应用于推进剂等领域,通过制备铝基二元合金可以大幅改善铝粉的燃烧性能。而氢是一种高能量密度的绿色新能源,将氢以氢化物形式引入铝基合金燃烧剂后,燃烧过程中氢气的释放可以促进氧化剂的燃烧从而放出大量热量,对改善燃烧剂的点火和燃烧性能十分有利。为此,本文将氢引入Al_2Mg合金,采用热分析(TG-DSC)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微分析(SEM)和能谱分析(EDS)手段,研究了Al_2Mg合金氢化物及其球磨产物的燃烧性能和燃烧机理,并将制得的氢化物与氧化剂混合制得铝热剂,以改善其燃烧性能并研究燃烧机理。将Al_2Mg合金氢化后,颗粒细化且疏松多孔。Al_2Mg合金氢化物在第一阶段燃烧过程中存在高温放氢过程,生成新鲜Mg相和大量晶体缺陷,且Mg蒸汽的存在促进了氧分子分解,使其着火点比Al_2Mg合金(未氢化)降低了150℃左右。由于Al_2Mg合金氢化物在第一阶段燃烧后晶粒粒径较合金更小且晶体缺陷更多,使得氢化物在第二阶段燃烧过程中的每一小步氧化较Al_2Mg合金都更易发生。由于两者第一阶段燃烧后相分布和缺陷程度不同,第二阶段燃烧中合金氢化物比合金燃烧放热更集中并剧烈,且更不易生成AlN,从而更贴近实际应用。对Al_2Mg合金氢化物进行球磨处理,颗粒细化和平滑程度与球磨时间基本成正比。Al_2Mg合金氢化物球磨2、5、10 h产物(分别表示为Al_2Mg-H(bm2)、Al_2Mg-H(bm5)和Al_2Mg-H(bm10))的着火点均比合金氢化物(未球磨)降低了50℃左右,其中Al_2Mg-H(bm5)反应活性最好。随着球磨时间延长,颗粒比表面积增大,引入的晶体缺陷增多,Al_2Mg-H(bm10)的第二阶段氧化反应起始点和最终氧化完全温度最低,但表面低的MgO覆盖度使其更易发生团聚,对实际应用产生不利影响。将制得的Al_2Mg合金氢化物与超细化KMnO_4进行混合。从燃烧现象来看,Al_2Mg/KMnO_4和Al_2Mg-H(bm10)/KMnO_4铝热剂的燃烧性能比Al_2Mg-H/KMn O_4和Al_2Mg-H(bm2)/KMnO_4好;从反应活性来看,Al_2Mg-H(bm10)/KMnO_4Al_2Mg-H/KMnO_4Al_2Mg/KMnO_4铝热剂;从固-固相反应完全度和放热量来看,Al_2Mg-H(bm10)/KMnO_4Al_2Mg/KMnO_4Al_2Mg-H/KMnO_4铝热剂。由于粒径和颗粒表面形貌对金属与氧化剂混合均匀程度和接触面积有很大影响,从而对着火点、反应完成度、放热量、反应速率带来影响,综合发现,Al_2Mg-H(bm10)/KMnO_4铝热剂燃烧性能最佳。该含氢铝热剂的燃烧过程与未含氢铝热剂不同,首先MgH_2、Al与K_2Mn_4O_8(KMnO_4的分解产物)反应生成Al(OH)_3和MgO,然后K_2Mn_4O_8、MgO与Al(OH)_3反应生成MgAl_2O_4、K_xMnO_2,最后K_xMnO_2与Al反应还原出Mn原子。
【图文】：

第一章 文喷管。.1 铝粉氧化燃烧机理近年来国外对金属燃料的化学反应过程开展了深入的研究。普遍认为，铝程主要包括颗粒的相变、团聚、着火和生成物的凝聚等，这些燃烧进程对中的燃烧性能起到了很重要的影响。铝燃烧生成的氧化铝具有较小的热膨铝粉燃烧温度高于熔点后，氧化膜会因相变膨胀而破坏，然后铝粉会发生加剧。总之，点火进程影响铝粉团聚，而团聚影响其反应效率。Thaddeus[16]发现铝粉的燃烧产物中的氧化物能够为异质铝氧反应提供氧原快燃烧效率。Trunov 等[17]利用 TG-DSC 法分析，发现铝粉氧化产物在氧态变化，如图 1-1 所示。

有望作为一种在推进剂中有潜在应用背景的高能燃烧剂。该氢高的温度（放氢温度 300 ℃左右），克服了目前研究较多的高困难的缺点。该金属氢化物除了具有很高的燃烧热，它产生的的燃烧，最终生成氧化物和 H2O 并放出大量热量。通过文献燃烧剂领域鲜见详细研究报道。本章利用高温氢化法制备 A TG-DSC 等分析了它与合金的燃烧性能，同时结合 SEM、BE研究其燃烧机理。金的氢化特性 为 Al2Mg 合金及其氢化物的 XRD 图谱。由图 3-1(a)可见，Al3Mg2和 Al，Al2Mg 合金氢化物的相组成为 MgH2和 Al，其 的衍射峰，，说明合金氢化完全。图中亦无氧化物衍射峰，表明生明显氧化。Al3Mg2的氢化过程如式(3.1)所示：1/2Al3Mg2+ H2→ MgH2+ 3/2Al
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG146.21

【参考文献】

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本文编号：2628535