无定形硼制备、团聚硼性能评价及应用探索

发布时间：2020-06-01 10:06

【摘要】：相比于镁、铝等传统金属燃料,硼的体积热值和质量热值更高,是富燃料推进剂的首选燃料。但硼的应用存在两方面问题:(1)无定形硼粉的制备工艺有待进一步改进;(2)添加细粒度的无定形硼粉给富燃料推进剂工艺带来了诸多困难。因此,迫切需要开展无定形硼粉的高效制备工艺、团聚硼性质的快速评价及团聚硼在富燃料推进剂中的应用研究。本文以高效制备无定形硼粉为目的,在镁热还原反应制备硼粉的基础上,结合自蔓延反应合成工艺,以NaBH_4为活性降温剂,优化反应条件,制备了无定形硼粉。同时还建立了一套快速有效的团聚硼性能表征方法和指标体系,筛选出可较好满足推进剂制备和性能要求的团聚硼。制备了含团聚硼富燃料推进剂,考察了团聚硼粒度和配方对富燃料推进剂能量性能、一次燃烧性能的影响。通过绝热温度计算和理论分析,确定了自蔓延反应制备硼粉的引发温度。结果表明,当反应物的摩尔配比为理论计量比(NaBH_4∶B_2O_3∶Mg=4.0∶5.0∶9.0)时,需要600℃以上才能引发并维持自蔓延反应。发现在本研究范围内,当反应原料比例NaBH_4∶B_2O_3∶Mg=4.0∶7.5∶9.9、反应引发温度为725℃、反应时间为10min时,无定形硼粉的硼含量最高。本文制备的无定形硼粉反应活性较高,在氧弹中的燃烧热为-32143.61J?g~(-1),燃烧效率为72.78%。围绕富燃料推进剂的应用需求,建立了一套快速有效的团聚硼性能表征方法,系统表征了团聚硼的本征性质和应用性能。通过测试团聚硼/HTPB混合药浆的粘度特性,表征了团聚硼与HTPB的相容性;通过在一定罐磨条件下测试团聚硼的破碎率,表征了团聚硼的强度性能。在测试结果的基础上,提出了一套合理的合格团聚硼性能指标以筛选团聚硼,以此筛选出了在富燃料推进剂中适用性较好的团聚硼。制备了团聚硼含量为30%wt的含团聚硼富燃料推进剂,其理论热值为31.67MJ?kg~(-1),测试了推进剂的燃速、燃速压强指数、燃烧热和爆热。发现当推进剂中所用团聚硼的配方相同时,在40~100目的范围内,团聚硼的粒度越粗,推进剂的燃速越高;含添加剂A的团聚硼使推进剂燃速、燃速压强指数、燃烧热和爆热降低;相同粒度及配方的团聚硼,经抛丸处理后会使推进剂的燃速降低,但推进剂的燃烧热和爆热提高。
【图文】：

优化制备工艺,硼粉,自蔓延,还原法

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文1.3 本文主要研究内容本文采用基于镁热还原反应的自蔓延法制备硼粉，反应体系为 Mg/B2O3、活性降温剂为 NaBH4，研究原料配比、原料形态、反应引发温度等条件对硼产率和含量的影响；建立快速、有效的团聚硼性能测试方法及评价体系，筛选性能优良的团聚硼；研究团聚硼与 HTPB 相容性，优化固体组份的粒度级配，制备高团聚硼含量的富燃料推进剂；研究团聚硼配方对富燃料推进剂能量性能爆热、燃烧热、理论热值的影响规律，探索团聚硼颗粒粒度和配方对富燃料推进剂一次燃烧性能的影响。本论文主要研究思路如图 1.2 所示。

硼粉,自蔓延反应

2-5）要比反应（2-4）多吸收 3.85kJ 热量。而且 NaBH4的成本更4价格为290元，而每公斤NaBH4价格仅为230元（价格数据来源Gu）。故使用 NaBH4代替 KBH4作为活性降温剂更为有利。合（2-1）和（2-5）两个反应式，得到一个基本反应式4 2 3 2 2H 5B O 9Mg 14B 4NaOH 2H O 4H 9MgO 560.7用纯镁热还原法制备硼粉（反应 2-1）时，理论上制备每克硼粉放。而在使用 B2O3/Mg/NaBH4体系制备硼粉（反应 2-6）时，理论时，仅放热 3.70kJ。反应放热量大大降低，有利于降低反应体系的应设备的耐热要求。应生成的无定形硼是粉状产物，表面极易形成 B2O3氧化膜。当反0K 时，硼表面的氧化膜会蒸发，硼直接与空气接触，发生强烈燃绿光，反应式为2 2 34B 3O 2B O 2528.3kJ 旦该反应发生，，则会显著降低硼粉的产率。为了防止生成的 B 在反应需要在氩气保护下进行。硼粉制备实验装置如图 2.1 所示。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V512;TQ128

【参考文献】