Al基含能微单元的一体化制备和燃烧性能.pdf
《Al基含能微单元的一体化制备和燃烧性能.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《Al基含能微单元的一体化制备和燃烧性能.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 Al 基含能微单元的一体化制备和燃烧性能刘庆东1,吴祝骏2,李苗苗2,徐一锋1,辛喜鹏1,徐济进1,宋雪峰1,3*(1上海交通大学材料科学与工程学院,上海200240;2上海航天化工应用研究所,浙江湖州313000;3上海交通大学深圳研究院,广东深圳518057)摘要:针对固体推进剂所面临的 Al 粉燃烧不充分和微纳尺度下组分偏聚两大关键问题,采用组分复合技术设计制备一种将氧化剂 AP 包覆在氟化物改性 Al 粉表面的含能微单元 AlPFPEAP 核壳型粉体,通过扫描电子显微镜、激光粒度仪、氧弹量热仪、电感耦合等离子发射光谱仪以及 X 射线衍射仪等对微单元粉体的形貌、粒径、燃烧性能以及燃烧产
2、物进行分析。结果表明:含能微单元 AlPFPEAP 呈现明显的核壳结构,粒径较均一;当PFPE 的添加量为 5%(质量分数)时,相比于机械混合样品(AP+Al),Al5%PFPEAP 的燃烧热值提高了 63.8%,燃烧产物粒径减小了 61.8%,燃烧产物中活性铝含量减少 57%以上;PFPE 可以与 Al 粉发生预点火反应,增加Al 粉的反应活性,并且 Al 粉表面对 AP 分解有催化作用,使 AP 的高温分解温度和低温分解温度分别降低了12 和 10;核壳型微单元结构对体系燃烧性能的提升有明显的促进作用,能够大幅度提高推进剂主要组分燃烧时的能量水平。关键词:Al 粉;含能微单元;燃烧性能do
3、i:10.11868/j.issn.1005-5053.2022.000105中图分类号:V512文献标识码:A文章编号:1005-5053(2023)04-0102-09Integrated preparation of Al-based energetic micro-unit fueltoward combustion performanceLIUQingdong1,WUZhujun2,LIMiaomiao2,XUYifeng1,XINXipeng1,XUJijin1,SONGXuefeng1,3*(1.SchoolofMaterialsScience&Engineering,Shang
4、haiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China;2.ShanghaiSpacePropulsionTechnologyResearchInstitute,Huzhou313000,Zhejiang,China;3.ShenzhenResearchInstitute&ShanghaiJiaoTongUniversity,Shenzhen518063,Guangdong,China)Abstract:AnAl-basedenergeticmicro-unitAlPFPEAPfuelpowderwiththeoxidantAPcoatedonthesurface
5、offluoride-modifiedAlpowderwasdesignedandpreparedbythecomponentcompositetechniquetoaddressthetwomajorproblemsofincompletecombustionandcomponentpolarizationofAlpowderinsolidpropellants.Themorphology,particlesize,combustionpropertiesandcombustionproductsofthemicro-unitpowderwereanalyzedbyscanningelect
6、ronmicroscopy,laserparticlesizemeasurement,oxygenbombcalorimetry,inductivelycoupledplasmaemissionspectrometryandX-raydiffraction.TheresultsshowthattheenergeticmicrounitsAlPFPEAPpresentamoreobviouscore-shellstructurewithuniformparticlesize,andwhentheadditionamountofPFPEis5%,thecombustionheatvalueofAl
7、5%PFPEAPisincreasedby63.86%,theparticlesizeofcombustionproductsisdecreasedby61.83%,andtheactivealuminumcontentofcombustionproductsisdecreasedbymorethan57%comparedwiththemechanicallymixedAP+Alsamples.CombustionmechanismanalysisshowsthatPFPEcanoccurwithAlpowderpre-ignitionreaction,increasethereactiona
8、ctivityofAlpowder,andthesurfaceofAlpowderhasacatalyticeffectonthedecomposition of AP,which reduces AP high temperature decomposition temperature and low temperature decompositiontemperature were reduced by 12 and 10 respectively.The micro-unit structure has a significant contribution to theimproveme
9、ntofthecombustionperformanceofthesystemandcansubstantiallyincreasetheenergyperformanceoftheimportant2023年第43卷航空材料学报2023,Vol.43第4期第102110页JOURNALOFAERONAUTICALMATERIALSNo.4pp.102110propellantcomponentsduringcombustion.Key words:Alpowder;energeticmicrounit;combustionperformance 固体推进剂作为导弹武器的动力源,提高能量水平是
10、其重要的研发主线1。Al 粉作为一种能量密度高、耗氧量低的金属燃料,能够明显提高固体推进剂的燃烧温度、增加理论比冲,在固体推进剂配方中广泛应用。但 Al 粉在固体推进剂中存在燃烧效率低2-3、燃烧团聚现象严重4等问题,对固体发动机工作的稳定性和推进剂燃烧效率的进一步提高产生了一定的不良影响5-6。造成铝基固体推进剂燃烧效率低的主要因素有两个:Al 粉本身的燃烧特性因素7和推进剂装药的工艺因素8。首先,Al 粉作为一种活泼金属容易被空气中的氧气氧化,使其表面覆盖一层致密的Al2O3层,导致 Al 粉只能在远高于其熔点的温度下被点燃,且 Al 粉在燃烧时往往容易团聚,较大的Al 凝团在燃烧室中无法
11、完全燃烧9;其次,传统的固体推进剂装药采用机械混合工艺,尽管在宏观尺度能够实现药浆内含能组分的均匀混合,但在微纳尺度 Al 粉和氧化剂组分各自的偏聚仍然存在,根据固体推进剂燃烧的口袋模型10-11,Al 粉的燃烧在氧化剂 AP 围成的“口袋”中进行,较大“口袋”将会导致燃烧产生的 Al 凝团具有更大的体积,进一步加剧了 Al 粉的燃烧团聚问题,阻碍了固体推进剂燃烧效率的进一步提升。目前,有关推进剂燃烧效率的研究主要聚焦于优化 Al 粉自身的燃烧行为,通过 Al 粉纳米化6,12、合金化13-14、物理化学改性15-16等手段降低 Al 粉的点火温度、抑制 Al 粉在推进剂燃面的团聚倾向。李伟等
12、17用纳米尺寸的 Al 粉部分替代推进剂配方中的微米 Al 粉,对替代后推进剂的综合性能进行了研究。结果表明,推进剂包括力学性能、安全性能在内综合性能指标没有较大的变化,纳米Al 粉的加入能够起到优化静态燃速、降低压强指数的作用,但对推进剂比冲为主的能量性能指标改善效果有限;吕敏等18研究了不同铝合金燃料(Al-Ti 和 Al-Ni)对 HTPB固体推进剂燃烧性能的影响。结果表明,合金燃料推进剂的爆热明显提升,且推进剂的燃速和压强指数下降,但合金燃料不规则的表面形貌导致推进剂工艺性能发生恶化,且推进剂的摩擦敏感度上升,使用安全性下降;Sippel等19将含不同比例氟化物的机械活化的 PTFE/
13、Al颗粒代替普通 Al 粉,研究了其对复合推进剂燃烧性能的影响。结果表明,改性 Al 粉的加入使得推进剂的燃速有明显提升,13.8MPa 下的燃速提高50%,团聚物的直径减小 66%,体积减少 96%,推进剂的燃烧性能有较大提升;Sun 等20利用两步机械活化法制备了含两种不同 PTFE(F-PTFE 和 P-PTFE)的 Al/PTFE 含能粉体并将其引入复合改性双基推进剂中,SEM 显示 P-PTFE 可以在剪切作用力下形成纤维结构,能有效增强推进剂各项力学性能,其中,伸长率在40 下增加到 3.7 倍,在70下增加到 3.9 倍,摩擦敏感度和冲击敏感性分别减少了 88.9%和 20.4%
14、。同时,P-PTFE 促进了 Al 反应活性,使得推进剂燃烧产物平均直径降低 82%。这些工作证明了通过 Al 粉物理化学改性等手段优化推进剂的燃烧性能具有巨大的潜力,但固体推进剂装药需要考虑含能药浆的工艺性能和安全性能,对药柱的力学性能也有较高的要求,尽管目前优化 Al粉燃烧性能的方案较多,但要满足固体推进剂的实际使用需求还需要长时间研发。组分复合技术是一种通过结构设计,实现微纳结构有序化、功能化的一种一体化制备技术,通过组分复合技术将固体推进剂的主要组分进行微单元结构设计、构建一体化含能微单元,可以有效地解决改性组分在推进剂中引发的工艺、安全性问题。进一步讲组分复合一体化制备技术可以优化推
15、进剂在微纳尺度组分分布的均匀度,同时解决了上述固体推进剂燃烧效率不高的两大问题,具有极高的应用潜力。为了同时解决推进剂中 Al 粉燃烧不完全以及微纳尺度的组分偏聚问题,本工作通过组分复合一体化制备技术,设计制备一种铝基含能微单元AlPFPEAP 燃料粉体,通过溶剂沉积法制备得到包覆效果良好的微单元燃料粉体,对其形貌、组分、燃烧性能进行了一系列研究,并分析了其燃烧机理。1 实验材料及方法 1.1 实验样品铝粉(132)m),分析纯,上海航天技术研究院提供;高氯酸铵(AP),分析纯,上海阿拉丁生化科技有限公司;甲醇,分析纯,国药集团化学试剂第4期Al 基含能微单元的一体化制备和燃烧性能103有限公
16、司;全氟聚醚(PFPE),YLVAC25/6,国药化学试剂有限公司;全氟聚醚低聚物,RJ-90,上海艾肯化工科技有限公司。1.2 样品制备AlPFPE 的制备:由于 PFPE 较难溶解于不含氟的溶剂,故选用全氟聚醚低聚物 RJ-90 作为溶剂分散 PFPE,首先将适量 Al 粉和 PFPE 混合于全氟聚醚低聚物 RJ-90 中,超声使其分散均匀,置于行星球磨机中球磨,球料比为 51,速度为 200r/min,1h 后将得到的产物置于真空干燥箱中 60 干燥10h,以保证全氟聚醚低聚物 RJ-90 完全挥发,最终得到 PFPE 表面功能化的 AlPFPE 粉体。AlPFPEAP 的制备:以甲醇为
17、溶剂,配制50 的 AP 饱和溶液,将高温态下的 AP 饱和溶液与一定比例的 AlPFPE 粉体混合,快速降温,随后通过离心进行固液分离,将得到的固体产物在真空干燥箱中 60 真空干燥 10h,最终得到 AlPFPEAP 粉体,制备流程图见图 1。Raw APMethanolHeatingDryingCool downAl powderBall millingAlPFPEAlPFPEAPPFPEC3F7OCF CF2OCF2CF3CF3n图1AlPFPEAP 的制备示意图Fig.1PreparationprocessdiagramofAlPFPEAPpowder如表 1 所示,通过控制 Al
18、粉中中间功能层的含量,制备得到 PFPE 含量分别为 0%(质量分数,下同)、3%、5%、10%的 5 组样品分别进行 AP 包覆,并引入机械混合样品作为对比。表1各样品成分比例(质量分数/%)Table1Compositionratioofeachsample(massfraction/%)SampleAlPFPEAPAP+Al(mechanicallymixed)20080AlAP(corecell)20080Al3%PFPEAP19.40.680Al5%PFPEAP19180Al10%PFPEAP18280 1.3 实验方法使用扫描电子显微镜(SEM)分析所制备燃料粉体及燃烧产物的微观形
19、貌,并使用搭载的能谱仪(EDS)分析样品表面的元素分布;使用 X 射线衍射仪(XRD)分析所制备材料的物相;利用激光粒度仪(S3500)分析制备的燃料粉体的粒度分布;燃烧热测试使用氧弹量热仪进行,依据 GJB5891.292006 标准执行测试;采用 Avio500 型电感耦合等离子体发射光谱仪对燃烧产物反应液中的 Al3+含量进行分析;采用同步热分析仪,空气氛围下,20/min 测试粉体的 DSC 曲线。2 结果与讨论 2.1 形貌及粒度分析采用扫描电子显微镜(SEM)对含能微单元AlPFPEAP 燃料粉体的微观形貌进行分析,结果如图 2 所示。从图 2(a)中可观察到,微单元粉体颗粒基本形
20、貌为不规则立方体,块体的尺寸在50m 左右,大部分 Al 颗粒与 AP 晶体处于结合态,可以观察到大量 AP 包覆的复合粉体。壳层破损部位的局部放大 SEM 照片可以观察到内部裸露的 Al 颗粒;进一步利用扫描电子显微镜的电子束聚焦刻蚀作用,在固定的视野内对微单元粉体进行原位观察,如图 2(b)所示,在高能电子束的轰击下,AlPFPEAP 表面的 AP 逐渐分解,暴露出了内部包覆的改性 Al 颗粒。从图 2(c)可以得知,不104航空材料学报第43卷同于原始 Al 粉表面较为密集地分布着大量鳞片状、锥形小颗粒,PFPE 表面功能化后的 Al 粉表面相对光滑,随着 PFPE 含量的增加,功能化粉
21、体颗粒表面光滑度增加。当 PFPE 的质量占比为 10%时,制备得到的功能化 Al 粉颗粒的表面可以观察到明显的包覆层,相对于原始 Al 粉,10%PFPE 功能化 Al 粉的表面大量被覆盖。AlPFPEAP粉体的 EDS 元素分布面扫描结果如图 2(d)所示,F 元素的分布图和 Al 元素的分布图高度一致,说明含有 F 元素的 PFPE 低聚物均匀地分布在了Al 粉的表面,通过进一步对比 Cl 元素和 Al 元素的分布特征可以发现,表面改性后的 Al 粉半嵌入在AP 晶体表面,视野中仅有个别未与 AP 结合的Al 颗粒,证明该粉体具有较好的包覆效果。此外,视野中央位置有液滴状含 F 物质,且
22、该物质不含有其他元素,推测为在电子束作用下从 Al 粉表面移出的 PFPE。为了确定含能微单元 AlPFPEAP 粉体颗粒的尺寸和均匀度,利用激光粒度仪对粉体的粒度分布进行了分析,结果如图 3 所示,复合粉体的粒径分布集中在 45m 左右,其 D50 为 44.42m,与SEM 形貌图像中观察到的块体的粒度分布范围一致,进一步表明 AlPFPEAP 粉体的粒径较为均匀。2.2 燃烧热分析为了评估核壳型铝基含能微单元粉体的燃烧效果,将不同质量分数 PFPE 含量(0%、3%、5%、10%)的铝基微单元粉体与机械混合粉体(AP+Al)进行燃烧热分析,其中燃烧热测试通过氧弹量热仪进行。对比结果如图
23、4 所示,在五种样品中,机械混合样品的燃烧热值为 8797J/g,为所有样品中最低,而单层包覆结构的 AlAP 粉体燃烧热值为10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m10 m4 m4 m50 m50 m(a)(c)(d)(b)5 m5 m5 m5 m5 m5 m5 m5 mPure AlPure Al3%PFPE-Al3%PFPE-Al10%PFPE-Al10%PFPE-Al5%PFPE-Al5%PFPE-Al100 m100 mCl K1Cl K1Al K1Al K1F K1F K1Coated aluminumparticlesCoated
24、aluminumparticles1 12 24 43 3图2AlPFPEAP 微单元燃料粉体的 SEM 图(a)AlPFPEAP 粉体及部分颗粒细节放大图;(b)SEM 原位观察图;(c)不同 PFPE 添加量的 AlPFPE;(d)AlPFPEAP 粉体的 EDS 图谱Fig.2SEMimagesofAlPFPEAPmicro-unitfuelpowder(a)SEMphotosanddetailenlargementsofAlPFPEAPpowder;(b)SEMin-situobservation;(c)AlPFPEwithdifferentPFPEadditions;(d)EDSpa
25、tternsofAlPFPEAPpowder第4期Al 基含能微单元的一体化制备和燃烧性能1059680J/g,相较于机械混合样品提高了 10.01%,这表明组分复合能够优化 Al 粉与 AP 的燃烧动力学,提高体系的燃烧热值。随着 PFPE 的加入,样品的燃烧热有较为明显地提高,其中 3%PFPE 样品燃烧热值为 13989J/g,相较机械混合样品提高了 59.0%,这表明在燃烧时 PFPE 中间层能够破坏 Al 粉表面氧化层,提前释放活性 Al 的作用,从而大幅度提升 Al 在 AP 体系中的燃烧性能16。当 PFPE 添加量为 5%时,Al5%PFPEAP 样品的燃烧热值达到 14415
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- Al 基含能微 单元 一体化 制备 燃烧 性能
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。