氟氯酰引发铝基复合燃料热解和燃烧的特征及机理研究

发布时间：2020-11-18 21:47

　　 本文采用理论与实验相结合的方法系统的研究了氟氯酰(ClF_3O)引发铝基复合燃料的热解和燃烧机理。复合燃料中含有硝酸异丙酯(IPN)、黑索金(RDX)、高氯酸铵(AP)、正癸烷和铝粉等组份。氟氯酰引发复合燃料热解和燃烧的机理可归纳为三个部分:(1)引发反应:氟氯酰与正癸烷发生亲电取代反应生成氟代产物并剧烈放热。反应过程涉及HF中间体漫走和碳正离子生成。(2)热解反应:引发反应释放的热量导致复合燃料发生热解,并生成相应的自由基中间体和小分子热解产物。(3)燃烧反应:有氧气条件下,热解导致复合燃料燃烧,并生成相应的自由基中间体和燃烧产物。采用约化密度函数法(RDG)对复合燃料各单组份之间的弱相互作用进行了研究,发现AP与其它组份有较强的氢键作用;RDX与其它组份有较强的范德华作用;正癸烷与其它组份间的相互作用很小,可忽略不计。研究结果表明AP,RDX,IPN和正癸烷可形成较稳定的混合物。通过双描述符计算,确定了氟氯酰的活性中心,还发现复合燃料中各组份的活性位为C-H键。采用密度泛函理论方法(DFT),在B3WP91/6-31+G(d,p)水平下计算了复合燃料各单组份与氟氯酰的反应机理,结果表明氟氯酰与IPN、RDX和正癸烷反应能垒都很小,为自发反应,均生成HF、ClFO和氟代产物;ClFO可与正癸烷继续反应,生成HF、HClO和癸烯。AP和铝粉不与氟氯酰反应。氟氯酰与各组份反应为亲电取代机理,反应活性次序为正癸烷RDXIPN。正癸烷与氟氯酰的反应活性最强,反应放热421.1 kJ/mol,并导致正癸烷的热解。通过对氟氯酰与复合燃料反应的各相产物分析,发现气相产物除HF外,主要有H_2、CO、C_2H_2、CH_4、C_3H_6、C_3H_8等,表明发生了热解反应;液相产物主要有链烷烃、环烷烃、烯烃、芳香烃和卤代烃五大类,表明除热解反应外,还发生了氟代反应。其中芳香烃和环烷烃均占30%以上,链烷烃和烯烃各占约10%,卤代烃含量小于10%,说明热解反应优于氟代反应,占主导地位。固相产物中主要含有C和F两种元素,C元素主要以(CH_2)_n形态为主,其余主要为C-F键形态;F主要以C-F键形态存在。以正癸烷为替代物,采用快速热解真空紫外单光子电离飞行时间质谱技术(VUV-PI-TOFMS)对烷烃的热解机理进行了研究。正癸烷在1040 K时开始热解,正癸烷热解起始于中间位置的C-C键断裂并生成?C_5H_(11)。?C_5H_(11)以及重排后的戊基自由基会发生β-C-C和β-C-H断裂,生成小分子的烯烃和烷基自由基。以1-己烯为替代物,采用完全活性空间自洽场计算(CASSCF)与VUV-PI-TOFMS技术相结合,研究了烯烃的热解机理。1-己烯起始热解温度略低于正癸烷,热解反应起始于双键β位的C-C键断裂,次级热解过程与烷烃类似。双自由基逆烯机理是烯烃热解的重要通道。通过增强型CCD技术(ICCD)对氟氯酰引发正癸烷燃烧过程的发射光谱进行了研究,检测到了CH、C_2、OH自由基。表明氟氯酰可以引发正癸烷燃烧。没有检测到与氟氯酰有关的自由基发射光谱。采用热重-差热联用仪(TG-DTA)对复合燃料的热解过程进行了研究。室温到200℃时为正癸烷和IPN的挥发过程;200-300℃时为RDX的相变和分解;300-580℃对应AP的低温和高温分解;580℃以上为铝的相变和铝氧反应。通过扫描电镜和能谱仪联用(SEM-EDS)对复合燃料和热解残余物的微观形貌及表面元素进行了研究,结果表明复合燃料具有片状、块状和小球状结构,表面被烃类组份所覆盖。氟氯酰与复合燃料反应将优先接触烃类组份并引发复合燃料热解和燃烧。热解残余物表面主要为Al、O和C三种元素,其表面几乎全部被Al_2O_3膜所覆盖。发射光谱研究表明,复合燃料的引发燃烧过程不仅存在CH、C_2和OH等烃类燃烧的特征自由基,还发现了NO、CHO和AlO等自由基。其中NO、CHO为IPN和RDX燃烧的特征自由基,AlO为铝燃烧的特征自由基。
【学位单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ511.1
【部分图文】：

-4-图 1.1 丁烷-空气火焰与压力波相互作用（单位为 ms）Fig 1.1 Interaction between butane-air flame and pressure wave (in ms)发或冲击波引发是指爆轰发生在点火源附近的引发过程，发。点火剂不仅需产生足够强的冲击波，而且要使冲击波持一定的强度。点火剂自身性质对爆轰过程起决定性作用2-O2在不同状态下点火能与爆轰之间的关系，结果表明如果产生的冲击波就会与反应阵面分离并衰变为声波，反应阵传播相同，这种现象的纹影照片如图 1.2a 所示。如果点火波和反应阵面一直保持耦合状态并形成多方向爆轰(1.2b)。，在开始阶段，冲击波与反应阵面相耦合。随着冲击波的波分离并滞后于冲击波，然而当燃烧释放的能量开始显著去耦过程终止，冲击波停止衰退并与反应阵面耦合以恒定

-5-图 1.2 C2H2-O2在不同条件下的引发过程Fig. 1.2 Initiation of C2H2-O2cloud under different conditions临界能量（点火能）通常被认为是最直接的表征气相爆。直接引发同 DDT 过程正好相反，指的是快速产生爆轰可燃混合物中快速产生大量的热量，从而瞬间产生爆轰。混合燃料的临界能量进行了全面的研究。另一方面，爆特征结构参数，可以用烟熏箔的方法进行测量。文献[29-3合物的爆轰胞格尺寸。直接起爆临界能量与当量比曲线呈 1 时，临界能量最小；当量比小于 1 时混合物很难直接着碳数的增加，所需临界能量逐渐增加。爆轰胞格尺寸，在相同的引爆条件下，胞格尺寸由小到大的顺序为：<正己烷/空气<石油醚/空气<正癸烷/空气<正庚烷/空气

合反应；起始长链自由基更容易与其他物种发生夺氢反应而不是发生分因此此时倾向于生成大分子的烷烃。Xiao 等[44]采用量子化学方法31G*水平下对正辛烷的热解进行了计算。结果显示对于起始裂解反应，所需的键能为 372.4 kJ/mol，均裂过程不存在过渡态；对于 H 转移反应为 41.8-50.2 kJ/mol，其逆反应能垒与之相近，过渡态居于反应物和产于自由基 β-断裂反应，反应活化能为 125.5-138.1 kJ/mol，其逆反应的.9 kJ/mol，过渡态结构与产物近似。计算所得到的能量值与实验相一致2）烷烃燃烧机理rran 等[45, 46]采用流动反应器，激波管等装置研究了异辛烷在 550-1700 m 条件下的燃烧机理。完整的燃烧机理包含 860 种化学物质，3600 个其简化的总反应机理如图 1.3 所示。高温下，烷烃以 β-断裂的方式生成，烷基自由基又快速分解成小分子烯烃和其他物种，其中链支化反应主
【参考文献】

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本文编号：2889241