含硼合金燃料的制备与热性能研究

发布时间：2020-09-01 14:51

　　单质铝和硼粉作为金属燃料被广泛应用于固体推进剂及火炸药领域,但两种燃料都具有燃烧不完全的缺点,为改善其燃烧性能,本论文通过制备Al-B合金粉末并添加活泼金属元素Eu、Li来提高合金燃料的燃烧效率,比较研究了B含量、氧分压对系列合金燃料热性能的影响。本文采用非自耗电弧熔炼技术和惰性气体雾化法制备了Al-B、Al-B-Eu以及Al-B-Eu-Li三个系列合金粉末,所有粉末均具有良好的球形度和分散性。采用XRD和SEM技术对三个系列合金粉的物相组成及微观形貌进行了分析表征,通过TG-DTA测试了合金粉的热氧化特性,用氧弹量热法对合金粉末的燃烧特性进行了测量。研究表明,AlB_2金属间化合物在Al-B合金内部呈现细枝晶状分布。所有Al-B合金粉末的起始氧化温度均低于单质铝粉。随着B含量升高,Al-B合金粉末的热氧化总增重与总放热量增加。氧弹燃烧实验表明合金粉末的燃烧热也随B含量的升高而逐渐上升。但Al-B合金的燃烧产物仍检测到了可燃烧的单质铝,燃烧不充分。为了改善Al-B合金的燃烧性能,本文在合金中添加了具有助燃作用的活泼金属元素Eu、Li。研究发现Al-B-3Eu合金颗粒表面呈现网状缝隙结构。Al-3.5B-3Eu在1110°C下发生剧烈的氧化放热现象,增重效率为53.66%。当Eu含量不变时,随着B质量分数增加,Al-B-Eu合金粉末的燃烧热先增后减。Al-3.5B-3Eu三元合金粉末在3.0 MPa氧分压下的燃烧放热呈现最大值。在Al_4Eu和B_6Eu两种金属间化合物的协同作用下,Al-3.5B-3Eu合金粉末内形成一种特殊的网状金相结构,此金属间化合物的优先氧化膨胀导致燃料颗粒在燃烧过程中产生崩裂现象,使得Al-3.5B-3Eu合金粉末相对于Al-B合金燃烧更加剧烈和充分。Al-B-Li-Eu合金颗粒表面光滑且球形度较高,呈现微纳网状晶界结构。Al-B-Li-Eu在1036°C下发生强烈氧化放热现象。Al-B-Li-Eu合金粉末的燃烧热随氧分压上升而增加,在高压下燃烧完全。燃烧过程中,晶界优先氧化被消耗,在表面形成多孔结构,有利于氧向颗粒内部扩散,加速了颗粒的燃烧速度,产物呈现多孔状壳层结构。综上所述,气雾法制备的Al-B、Al-B-Eu以及Al-B-Eu-Li三个系列合金粉末与单质Al粉相比,均具有更优异的氧化和燃烧性能,为研制高活性含硼合金燃料提供了新的设计思路。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ517.2
【部分图文】：

原理图,气雾化,制粉,原理图

考虑在 Al-B 合金中添加稀土元素中 Eu 具有活泼的化学性质，较低的点火温度， Al-B 合金燃料的总燃烧热值，且稀土元素在合硼合金中铕元素的质量分数确定为 3%。以 Al 锭金为原料，计算配比并采用气雾化设备制备出 B 以及 Eu 含量为 3wt.%的 Al-B-Eu 三元合金粉末索研究新型四元铝基合金材料性能，结合锂元素）、Al-5wt.%B 合金锭、Al-10wt.%Eu 合金锭和 A化设备制备了 Al-B-Eu-Li 四元合金粉末，其中 B 、Li 含量为 0.5wt.%。过程

气雾化,单质,Al粉,气体雾化法

图 2.2 气雾化制备的单质 Al 粉Fig.2.2 PureAl powder prepared by CCGA.结设计了 Al-B、Al-B-Eu 和 Al-B-Eu-Li 三种系列合金材料电弧熔炼技术和紧耦合气体雾化法制备了 B 含量分别为合金粉末、B 含量为 1.5~4.85 wt.%、Eu 含量为 3 wt.%的 B 含量为 1.95wt.%、Eu 含量为 3wt.%、Li 含量为 0.5w末，为接下来的热氧化和燃烧实验提供了材料。

合金粉末,XRD衍射,图谱,物相组成

华中科技大学硕士学位论文室温，充氧气氛下，每次测试试样质量为 0.2g。利用 TG-DTA 分析合金粉末的热氧化性能，实验条件为：在 50ml/min 的通氧速率下以 20℃/min 的升温速率将约 1.0m样品从室温到加热到 1300℃。利用 XRD 分析合金粉末的氧化产物和燃烧产物的物相组成。3.3 结果与讨论3.3.1Al-B 合金物相组成分析

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