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高活性集中放热的Al-Mg-Zr合金燃料的制备与性能

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含能材料 2016年第2期24卷 137-143页

作者：李林福蔡水洲徐长娟付豪邹辉华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室湖北武汉430074

采用紧耦合气雾化法制备了Mg含量为5%~30%的新型Al-Mg-Zr三元合金燃料。用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)/能量分散谱(EDS)和热重-差热分析(TG-DTA)分别表征了合金粉的相组成、形貌和氧化放热行为,并提出了一个氧化反应机制模型,... 详细信息

采用紧耦合气雾化法制备了Mg含量为5%~30%的新型Al-Mg-Zr三元合金燃料。用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)/能量分散谱(EDS)和热重-差热分析(TG-DTA)分别表征了合金粉的相组成、形貌和氧化放热行为,并提出了一个氧化反应机制模型,解释合金粉的集中氧化放热现象。结果表明,合金粉的相组成主要有Al、Al_3Mg_2、Al_3Zr和Al_(12)Mg_(17),且粉末具有良好的球形度。随着Mg含量的升高,Al-Mg-Zr合金发生氧化反应的温度明显降低,氧化过程由多步氧化逐渐转变为一步氧化,能量释放量先增后减。Al_(78)Mg_(20)Zr_2和Al_(73)Mg_(25)Zr_2粉末分别在945℃和938℃呈现集中氧化放热,并且Al_(78)Mg_(20)Zr_2粉末的集中氧化反应比较完全,该粉末的最高氧化放热焓为-9798.8μV·s·mg^(-1)。

关键词： Al-Mg-Zr 合金燃料集中氧化

Al-Ce及Al-Mg-Ce合金燃料的热性能研究

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Al-Ce及Al-Mg-Ce合金燃料的热性能研究

作者：易幻华中科技大学

学位级别：硕士

铝基合金燃料的热性能通常都优于常见的铝粉燃烧剂,是很有潜力的高活性金属燃料。本论文采用熔炼法制备了Al-Ce和Al-Mg-Ce合金燃料,并分析了合金元素对铝基合金燃料热性能的影响。基于稀土元素Ce具有活性高,点火温度低等性质,尝试将其... 详细信息

铝基合金燃料的热性能通常都优于常见的铝粉燃烧剂,是很有潜力的高活性金属燃料。本论文采用熔炼法制备了Al-Ce和Al-Mg-Ce合金燃料,并分析了合金元素对铝基合金燃料热性能的影响。基于稀土元素Ce具有活性高,点火温度低等性质,尝试将其与Al合金化,制备了Ce含量为1%、3%和5%的Al-Ce合金,并分析不同冷却速度对合金燃料性能的影响。通过XRD、TG-DTA和光学显微镜等表征方法表征分析制备的合金燃料。结果表明,Al-Ce合金中的主要物相为Al,少量的Ce固溶在Al基体中。所有合金粉均只发生了一次氧化反应,Ce含量为1%的Al-1Ce合金粉活性最佳。快速冷却的Al-Ce合金开始发生氧化反应的温度较随炉冷却低,且其合金的晶粒明显细化。Al-1Ce合金粉在升温氧化到1300℃时合金粉的氧化并不完全。由于Al-Ce二元合金燃料并未达到预期的高活性,本文尝试在Al-Ce三元合金中添加较低含量Mg元素以期研制出高活性的Al-Mg-Ce三元合金燃料。通过快速冷却方式分别制备了Mg含量为5%、10%、15%、20%和Ce含量为0%、1%、3%、5%的Al-Mg和Al-Mg-Ce十六组质量分数配比的铝基合金燃料。通过XRD、TG-DTA和光学显微镜等方法表征合金燃料。通过对Al-xMg-1Ce(x=5,10,15,20)系列合金和Al-15Mg-yCe(y=0,1,3,5)系列合金的表征,分析不同Mg、Ce含量对合金燃料热性能的影响。结果表明,Al-xMg-1Ce系列合金中Mg含量为5%和10%的合金粉只发生一次氧化反应,当Mg含量增加至15%和20%时,发生两次氧化反应。随着Mg含量的升高,Al-xMg-1Ce合金粉总的氧化放热焓先增加后减少,Al-15Mg-1Ce合金粉的氧化放热焓最高,表现出更好的热性能。Al-15Mg-yCe系列合金中各组分合金粉均发生了两次氧化反应,Al-Mg-Ce合金粉发生第一次氧化反应的温度比没有添加Ce的Al-Mg合金粉要低约160℃左右。随着Ce含量由0%升高至5%,合金粉的氧化放热焓先升高后下降然后保持平缓,其中Al-15Mg-1Ce合金粉的氧化放热焓为6413uV?s/mg,1300℃时的增重为90%,表现出更好的热性能。

关键词：合金燃料稀土元素铈铝镁铈热性能氧化反应

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高活性铝基合金燃料的制备与热性能研究

高活性铝基合金燃料的制备与热性能研究

作者：李林福华中科技大学

学位级别：硕士

为克服纯Al燃料在应用中遇到的问题,如燃烧不完全、燃烧速率低和点火温度高等,本论文通过将Al合金化,制备出高活性的Al基二元和三元合金燃料,使其成为有潜力应用于军工领域的含能材料。采用紧耦合气雾化法制备了Al-3Li和Al-6Mg二元合金... 详细信息

为克服纯Al燃料在应用中遇到的问题,如燃烧不完全、燃烧速率低和点火温度高等,本论文通过将Al合金化,制备出高活性的Al基二元和三元合金燃料,使其成为有潜力应用于军工领域的含能材料。采用紧耦合气雾化法制备了Al-3Li和Al-6Mg二元合金燃料和不同配比的Al-Mg-Zr三元合金燃料。通过XRD、SEM/EDS、TG-DTA以及激光粒度仪等手段表征分析制备的合金粉末。结果表明,合金粉末具有良好的球形度很高且表面较为光滑。对于Al-3Li和Al-6Mg二元合金燃料,它们的氧化行为显著不同。Al-3Li合金只发生了一次剧烈的氧化反应,且该反应基本完全,而Al-6Mg合金则进行了多步氧化,且多步氧化反应后依然没有完全。通过Kissinger方程对这两种合金粉进行氧化动力学分析得出,Al-3Li合金唯一的一次氧化反应的表观活化能Ea为339.7 kJ·mol-1,Al-6Mg合金粉的第一次和第二次氧化反应的活化能Ea分别为183.7 kJ·mol-1和221.2kJ·mol-1。与Al-6Mg合金相比,Al-3Li合金具有更低的剧烈氧化温度,更大的反应速率和更加完全的反应程度,可知Al-3Li合金的总体热反应活性比Al-6Mg合金高。对于紧耦合气雾化法制备的Mg含量为5%0%的Al-Mg-Zr合金粉,随着Mg含量的升高,氧化反应发生的温度明显降低,氧化过程由多步氧化逐渐转变为一步氧化。其中Al-20Mg-2Zr和Al-25Mg-2Zr粉末分别在945℃和938℃呈现集中氧化放热,且Al-20Mg-2Zr粉末具有最大的氧化放热焓。通过对Al-20Mg-2Zr粉末集中氧化后的产物分析得出,发生在945℃的剧烈氧化反应很完全,且该氧化反应的活化能Ea约为250 kJ·mol-1,频率因子A非常大,较小的活化能和很大的频率因子决定了该粉末在高温时的高活性和很大的氧化反应速率。最后,Al-3Li和Al-20Mg-2Zr都具有优异的反应活性,使得这两种合金燃料在军工领域具有潜在的应用前景。

关键词：合金燃料气雾化法热反应活性集中氧化含能材料

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合金燃料在固体推进剂中的应用

化学推进剂与高分子材料 2011年第1期9卷 50-54页

作者：赵庆华王莉莉刘欣马岩马云翔崔玉春航天科工六院46所内蒙古呼和浩特010010

介绍了合金燃料的特点及其制备方法,并对合金燃料在固体推进剂中的应用研究情况进行了综述。认为合金燃料具有点火性能好、点火温度及熔点可调、燃烧效率高等优点,而且对推进剂的燃烧性能有重要影响。其中贮氢合金燃料有较高的生成焓,... 详细信息

介绍了合金燃料的特点及其制备方法,并对合金燃料在固体推进剂中的应用研究情况进行了综述。认为合金燃料具有点火性能好、点火温度及熔点可调、燃烧效率高等优点,而且对推进剂的燃烧性能有重要影响。其中贮氢合金燃料有较高的生成焓,与推进剂组分有良好的相容性,在高能推进剂中有良好的应用前景。

关键词：合金燃料固体推进剂材料科学应用研究

GAP/HMX高能固体推进剂中金属燃料燃烧效率研究

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GAP/HMX高能固体推进剂中金属燃料燃烧效率研究

作者：胡云逸航天动力技术研究院

学位级别：硕士

当前GAP/HMX类推进剂在应用过程中燃速被大幅降低以适应当前战略导弹长工作时间需求,这导致了GAP/HMX推进剂在燃烧过程中产生了大量未完全燃烧的Al凝团沉积在燃烧室或喷管处,造成了推进剂能量损失、喷管烧蚀等一系列问题。针对于低燃速G... 详细信息

当前GAP/HMX类推进剂在应用过程中燃速被大幅降低以适应当前战略导弹长工作时间需求,这导致了GAP/HMX推进剂在燃烧过程中产生了大量未完全燃烧的Al凝团沉积在燃烧室或喷管处,造成了推进剂能量损失、喷管烧蚀等一系列问题。针对于低燃速GAP/HMX推进剂中Al粉燃烧团聚行为与改善方法目前尚未有系统性研究。为进一步改善低燃速下GAP/HMX高能推进剂金属燃料燃烧效率与能量水平,探索提高Al粉燃烧效率的有效改性途径,本研究通过基于机器学习模型的燃烧效率预测、真空定容爆热测试、残渣分析、端燃Φ75发动机试车等手段系统研究了Al粉含量、铝基金属合金改性、含氟聚合物改性对低燃速GAP/HMX推进剂金属燃料燃烧效率的影响规律,通过高速燃烧摄影、熄火表面分析研究了低燃速GAP/HMX推进剂Al粉的团聚机制,建立了基于机器学习方法的燃烧效率与能量水平预测模型,探索出了有效的改善燃烧效率的Al粉改性方法。采用机器学习模型对推进剂能量释放效率进行预测,精度最高可达97.7%,结果表明,Al粉对推进剂能量水平影响重要性占比达37.1%;在Al粉含量较低(合金替代Al粉加入推进剂体系,结果表明,高活性、易点火的合金对推进剂燃烧效率有显著提升作用,Al-Li、Al-Mg合金配方推进剂可使发动机残渣D50同比下降38.1%、64.7%,残渣活性铝分别下降2.32%、1.17%,喷射效率分别提升2.46%、2.14%。对比通过不同含量的含氟聚合物对Al粉进行包覆处理、替代粘合剂体系组分,结果表明5%氟含量包覆Al粉和2%含氟粘合剂为最佳使用量,含氟聚合物的加入可使Al粉表面Al2O3层破裂,提升推进剂Al粉燃烧效率。实验通过复合改性手段探究了合金材料、包覆Al粉同含氟粘合剂共同作用下推进剂的燃烧效率。结果表明,复合改性手段可叠加两种材料对推进剂燃烧效率的改善效果,其中5%F@Al+2%氟碳粘合剂配方燃烧效率最高,发动机残渣D50同比下降87.6%,残渣活性铝下降1.86%,喷射效率提升2.20%,发动机特征速度上升18%。BSFΦ165验证结果显示,复合改性配方可使推进剂实测比冲提高1.86 s,比冲效率提高约1.5%。高速燃烧摄影表明,推进剂中Al粉燃烧过程可简要总结为“熔融→一次团聚(熔联团聚、剥离团聚)→点火→脱离燃面→二次团聚→气相燃烧”。其中,控制在推进剂燃面发生的一次团聚是提升推进剂Al粉燃烧效率的最佳手段。高活性金属合金具有的微爆炸现象可破坏大尺寸凝聚相产物,较低的点火温度可先于Al粉点火,促进Al粉进入气相燃烧。含氟聚合物在Al粉燃烧过程中与Al、Al2O3反应生成Al F3,疏松结构Al F3的生成抑制了Al凝团之间的熔联成桥,且在Al F3升华后Al凝团内外的较大压力梯度使凝团破裂,促进了Al粉与氧化气氛的接触。因此,铝基合金燃料和含氟聚合物改性均可有效提升推进剂Al粉的燃烧效率。

关键词： GAP/HMX推进剂铝粉燃烧效率合金燃料含氟聚合物

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高镁含量的铝基合金粉末的水反应活性研究

材料科学 2022年第3期12卷 181-191页

作者：曾庆顺邹辉华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室湖北武汉

使用高温气雾化法制备了Al-40Mg、Al-37Mg-3Li与Al-37Mg-3Eu (wt.%)三种合金燃料粉末,用XRD和SEM表征其物相组成和表面形貌,并研究了Al-40Mg、Al-37Mg-3Li与Al-37Mg-3Eu三种合金燃料粉末在高压反应釜中的水反应性能。结果表明,单质Al粉... 详细信息

使用高温气雾化法制备了Al-40Mg、Al-37Mg-3Li与Al-37Mg-3Eu (wt.%)三种合金燃料粉末,用XRD和SEM表征其物相组成和表面形貌,并研究了Al-40Mg、Al-37Mg-3Li与Al-37Mg-3Eu三种合金燃料粉末在高压反应釜中的水反应性能。结果表明,单质Al粉的产氢效率仅为80.17%,而Al-40Mg、Al-37Mg-3Li、Al-37Mg-3Eu的产氢效率分别提升至93.69%、94.32%和94.63%。此外,还表征了三种合金燃料粉末水反应产物的物相组成和微观形貌。

关键词：铝基合金气雾化法表面形貌镁含量合金燃料高压反应釜反应产物物相组成