硼镁铝复合材料的制备及其燃烧特性的研究(2)

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3.4 不同溶剂处理的硼镁铝复合材料的热分析 10

3.5 不同配比的硼镁铝复合材料的热分析 11

4 硼镁铝延期药的热分析动力学研究 11

4.1 延期药简介 12

4.2 延期药的配制 12

4.3 延期药的燃速测试 13

4.4 结果与讨论 15

5 B/Mg/Al延期药热分析动力学研究 15

5.1 TG-DSC热分析 15

5.2 活化能计算研究 17

结论 19

致谢 20

参考文献 21

1 绪论

硼元素位于元素周期表第三主族，原子序数为5，硼元素原本属于非金属元素，但在燃料的应用研究中，人们习惯将之列入金属燃料。硼元素熔点为2300℃，密度为2.35g/cm3。单质硼有两种存在形式，分为无定型硼和晶体硼。无定型硼为棕黄色粉末，化学性质活泼；晶体硼呈黑灰色，性质稳定，表现为硬而脆的固体，并且具有金属光泽。

硼的热值几乎比碳氢化合物高出30%，其质量燃烧热为58.28MJ/kg，是镁的2.3倍、铝的1.9倍；容积热值为136.38kJ/cm3，是镁的3.09倍、铝的1.66倍[1]，碳氢化合物的3倍。因此，单就能量特性而言，硼是实际上可供使用的最佳金属燃料。

Gang A和King M K[3,4]等对于硼的燃烧过程进行过研究，发现硼粒子的燃烧在表面进行，并可分为两个阶段，第一阶段硼粒子的表面氧化层受热发生形成液态B2O3将硼粒子包裹，O2通过B2O3扩散至硼粒子，随着温度不断上升，B2O3层粘度下降。温度到达约1900K时，第二阶段开始，B2O3被蒸发，硼粒子与氧直接接触，引起剧烈燃烧，并且持续较长时间，直至硼粒子燃烧完全。

硼粉的点火和燃烧方面的困难主要存在于以下几点：

（1）单质硼的沸点2830K、熔点2347K，难于气化和熔化，但B2O3的熔点仅723K，因而，硼粒子点火燃烧后，B2O3会以粘稠的液态包裹在其表面，阻碍硼与氧之间的反应，B2O3的沸点高达2316K，低于这一温度时蒸发速率缓慢，进一步增加了硼粒子的点火燃烧的困难。

（2）硼的燃烧效率低。硼粉的燃烧要经历氧化剂从硼氧化层渗入或金属从氧化层渗出才能发生反应，因而反应速度比较低。

（3）硼的耗氧量大、反应产生的残渣较多，难以发挥其高能量热值。

1.1 硼的表面改性方法

为使硼的点火性能得到充分地发挥，必须通过表面改性的方式改善其点火性能、表面特性及燃烧性能。表面改性即指利用物理、化学方法对粒子表面进行处理，有目的地改变粒子表面的物理化学性质。

齐晓飞等[4]总结了核壳结构粒子包覆的手段，主要有置换还原法、化学镀法、球磨法、溶胶-凝胶法、气相冷凝法、聚合反应法、凝聚想分离法等。其中，球磨法具有经济实用，可操作性高，制得产物理想的优点，由于干法球磨易使物料结块，因此本文选用了湿法球磨对硼粒子进行表面改性处理。

1.2 硼的包覆材料选择

1.2.1 表面包覆处理要求

国内外学者经过大量研究探索发现用以下方法可以改善含硼燃料中硼粒子的燃烧效率：

(a)利用添加剂包覆硼粒子。通过与氧化硼的反应或包覆物自身的放热反应去除氧化层。范红杰等人[5]利用CO2激光点火装置对于GAP包覆硼对含硼推进剂点火性能的影响进行了研究，并运用扫描电镜(SEM)观察分析了燃烧残留物。研究发现，GAP包覆硼粉在较高压力下可提高含硼推进剂的点火性能和燃烧残渣分散性，因而可提高含硼推进剂的燃烧效率和喷射效率。Liu T K等人[6]对LiF和Viton A（氟橡胶）包覆硼粒子对含硼推进剂的影响进行了研究，LiF可以与B2O3反应，生成低熔点化合物，可将B2O3从硼表面出去[7]，缩短了LiF包覆的硼推进剂的点火时间。用Ti或Zr包覆硼粒子，可大大减少点火时间[6]，用B4C包覆硼粒子，可在表面形成一个惰性层，阻止硼的氧化[8]。