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基于纳米铝热剂的MEMS固体微推力器点火实验研究

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推进技术 2019年第4期40卷 945-952页

作者：卢国权刘旭辉魏延明杨灵芝陈明阳李飞余西龙北京控制工程研究所北京100094 中国科学院力学研究所高温气体动力国家重点实验室北京100190

MEMS固体微推力器可以形成单元数量巨大的微推力器阵列,适合低成本微、纳卫星系统,是极具潜力的新型卫星推力器。为研究基于纳米铝热剂的MEMS推力器工作特性,开展了大气和真空点火实验。大气下的燃烧羽流与空气进一步燃烧,导致羽流的发... 详细信息

MEMS固体微推力器可以形成单元数量巨大的微推力器阵列,适合低成本微、纳卫星系统,是极具潜力的新型卫星推力器。为研究基于纳米铝热剂的MEMS推力器工作特性,开展了大气和真空点火实验。大气下的燃烧羽流与空气进一步燃烧,导致羽流的发光持续时间约数ms,远大于真空试验,过估了在真空条件下的推力器作用时间。真空试验获得了动态推力特征和有效工作时间(约250μs),估算推力器的冲量约55μN·s～80μN·s。羽流影响范围的直径约为30mm、流向约70mm,羽流颗粒的运动速度约132m/s。测试结果显示,底部点火先将推进剂挤出喷孔,而后在外部燃烧和爆炸。羽流形貌有两种特征:一种是剧烈爆炸,产生蘑菇云状气体产物;而另一种未产生气状产物。前者的冲量和有效工作时间大于后者。

关键词：固体微推力器纳米铝热剂真空动态测试羽流

二维MnO/Al纳米铝热剂：制备与含能特性表征

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兵器材料科学与工程 2023年

作者：欧海峰陈晓勇胡晓艳刘迎彬王彤彤中北大学环境与安全工程学院湖南神斧集团向红机械化工有限责任公司动态测试技术国家重点实验室中北大学化学与化工学院

为了利用二维材料的优异特性及研究其对含能材料性能的影响，将氧化剂二氧化锰(MnO2)二维化，通过超声混合技术制备二维MnO2/Al(铝)纳米铝热剂，基于热分析和等容燃烧确证二维化含能组分能显著改善体系含能特性。结果表明：MnO2二维化... 详细信息

为了利用二维材料的优异特性及研究其对含能材料性能的影响，将氧化剂二氧化锰(MnO2)二维化，通过超声混合技术制备二维MnO2/Al(铝)纳米铝热剂，基于热分析和等容燃烧确证二维化含能组分能显著改善体系含能特性。结果表明：MnO2二维化后，体系热释放显著增加(二维MnO2/纳米Al体系放热量达到1 715 J/g，比报道的普通MnO2/纳米Al体系放热量(981.81 J/g)增加了约1倍)；等容燃烧反应压力高达6.58 MPa，比文献报道的普通MnO2/纳米Al体系(0.581MPa)的高10倍以上。简单的改变组分形貌可显著提升体系含能特性，从物理角度出发也可使含能材料性能明显优化。

关键词：纳米铝热剂二维材料调制

基于结构调控的纳米铝热剂制备及反应性能研究

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基于结构调控的纳米铝热剂制备及反应性能研究

作者：刘利重庆科技学院

学位级别：硕士

铝热剂是由金属氧化物(CuO、FeO、MnO)和铝粉(Al)混合而成的高能量密度和高燃烧速率的含能材料。目前,铝热剂存在组分接触不紧密,放热与燃烧反应性能差等缺陷。为增强铝热剂的反应性能,改善铝粉和金属氧化物间的接触,抑制纳米铝热剂反... 详细信息

铝热剂是由金属氧化物(CuO、FeO、MnO)和铝粉(Al)混合而成的高能量密度和高燃烧速率的含能材料。目前,铝热剂存在组分接触不紧密,放热与燃烧反应性能差等缺陷。为增强铝热剂的反应性能,改善铝粉和金属氧化物间的接触,抑制纳米铝热剂反应过程中的“预点火-熔结”效应。以生物材料为牺牲模板,制备具有精细结构特征的金属氧化物并用于构建高性能纳米铝热剂,并对纳米铝热剂的结构形貌、化学组成、燃烧性能和放热性能等进行详细研究。论文的主要研究内容和结论如下:(1)通过浸渍-煅烧工艺,分别以石松孢子粉和绿带翠凤蝶翅为模板制备具有辐射对称四面体结构的氧化铜(LP-CuO)和脊纹片状结构的氧化铜(PW-CuO)。同时,还制备了直径约400 nm的球状氧化铜(SP-CuO)。然后,以Al为燃剂,LP-CuO、PW-CuO和SP-CuO为氧化剂,通过物理混合方式制备了Al/LP-CuO、Al/PW-CuO和Al/SP-CuO等三种纳米铝热剂,并对其微观形貌和化学组成进行表征。实验结果表明:Al/LP-CuO、Al/PW-CuO和Al/SP-CuO纳米铝热剂仅由Al和CuO构成,纯度较高,无其它杂质。此外,通过浸渍-煅烧工艺制备的CuO基本保留了模板的结构特征,Al/LP-CuO、Al/PW-CuO和Al/SP-CuO中的CuO和Al混合均匀、接触紧密。(2)通过高速摄像机和差式扫描量热仪(DSC)对Al/LP-CuO、Al/PW-CuO和Al/SP-CuO纳米铝热剂的燃烧行为和放热性能进行评价。实验结果表明:当量比Ф=1.5时,Al/PW-CuO的燃烧效果最佳,火焰刺眼,伴随尖锐爆鸣声,最高放热量为2278.00 J/g;当量比Ф=1.5时,Al/LP-CuO的燃烧效果最佳,火焰明亮,产生清脆爆鸣声,最高放热量为1969.08 J/g;当量比Ф=1.0时,Al/SP-CuO燃烧效果最佳,火焰明亮,产生沉闷爆鸣声,最高放热量为1665.22 J/g。其中,Al/PW-CuO表现出最为优异的燃烧效果和放热性能,可归因于PW-CuO的脊纹片状结构。与LP-CuO、SP-CuO相比,脊纹片状结构PW-CuO的空间利用率较高,可提供大量反应位点,因而具有最优的放热性能。(3)对纳米铝热剂的反应性能进行分级评分。结果表明:Al/PW-CuO、Al/LP-CuO和Al/SP-CuO的分级评分总分分别为62分、54分和51分。究其原因,PW-CuO具有脊纹片状结构,可为Al提供丰富的反应位点,空间利用率较高;LP-CuO虽具有孔道结构,但其内部存在空心结构,Al粉不能进入其内部,空间利用率较低。另外,SP-CuO表面无脊纹或孔道结构,对“预点火-熔结”效应无抑制效果,且Al粉不能进入SP-CuO内部,空间利用率最低。因此,通过调控金属氧化物微观结构,可改善其与铝粉的接触,抑制反应过程中的“预点火-熔结”效应,从而有效增强纳米铝热剂的反应性能。

关键词：纳米铝热剂结构调控氧化铜放热性能燃烧性能

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静电喷射纳米铝热剂的微推进性能

含能材料 2016年第12期24卷 1136-1144页

作者：汝承博王飞许建兵代骥沈云叶迎华朱朋沈瑞琪南京理工大学化工学院江苏南京210094

纳米铝热剂可用作基于微机电系统(MEMS)的固体化学微推进器的装药。添加含能粘结剂可以增强纳米铝热剂的推进性能表现。选择硝化棉(NC)和聚偏二氟乙烯(PVDF)作为含能粘结剂,利用静电喷射的方式制备纳米铝热剂,从理论和实验系统地研究了... 详细信息

纳米铝热剂可用作基于微机电系统(MEMS)的固体化学微推进器的装药。添加含能粘结剂可以增强纳米铝热剂的推进性能表现。选择硝化棉(NC)和聚偏二氟乙烯(PVDF)作为含能粘结剂,利用静电喷射的方式制备纳米铝热剂,从理论和实验系统地研究了燃料/氧化剂的平衡配比、粘结剂含量对推进性能的影响,并与相同条件下机械混合纳米铝热剂的推进性能比较。结果表明:静电喷射较机械混合纳米铝热剂的固体颗粒分布均匀;Al/CuO的计算最佳平衡配比为0.9,最佳实验平衡配比为1.8;当NC含量为2.5%时,比冲可以达到250.2 m·s^(-1),与无粘结剂的Al/CuO相比增加比例为8.0%;PVDF的加入降低了实验比冲值。粘结剂的分解产物将纳米颗粒分开,增加了凝聚相反应的特征传质长度,导致燃烧持续时间从2.9 ms显著地增加到87.8 ms。

关键词：纳米铝热剂固体化学微推进器比冲静电喷射含能粘结剂

纳米铝热剂制备、表征及在微推进阵列中的应用研究

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纳米铝热剂制备、表征及在微推进阵列中的应用研究

作者：沈龙生南京理工大学

学位级别：硕士

随着微小型卫星的迅速发展,用于微小卫星姿轨控的微推进技术成为研究热点。本文针对固体化学微推进器点火桥与推进剂点火匹配性以及微装药方法需求,完成了以下主要研究工作：在充分了解纳米铝热剂的制备、表征方法和主要应用的基础上,... 详细信息

随着微小型卫星的迅速发展,用于微小卫星姿轨控的微推进技术成为研究热点。本文针对固体化学微推进器点火桥与推进剂点火匹配性以及微装药方法需求,完成了以下主要研究工作：在充分了解纳米铝热剂的制备、表征方法和主要应用的基础上,挑选出四种有发展前景的纳米铝热剂Al/Bi2O3、Al/CuO、Al/Fe2O3和Al/MoO3,再通过它们的热性能,点火性能和燃烧性能进行进一步分析,筛选出兼顾点火可靠性、安全性与高比冲的纳米铝热剂Al/CuO。通过常温固相法制备合成纳米Al/CuO中的CuO,在通过超声共混法制备纳米Al/CuO,并对其结构和点火性能进行表征,实验结果表明固相法合成的CuO粒径在100nnm左右,性能比较活泼,与纳米Al粉在超声共混法下两种纳米粒子相互包覆,混合均匀,并比较了固相法合成的纳米CuO与普通纳米CuO与相同纳米A1粉制备的纳米铝热剂的性能,结果表明,用固相法合成的纳米CuO制备的纳米铝热剂反应活性大,用其制备的纳米铝热剂燃烧较稳定。将喷墨打印和湿法压装相结合进一步优化微装药方法,有效提高了装药密度,研究了NC、PVB和GAP三种含能油墨载体对装药效果的影响和装药后点火燃烧性能的影响,优选出NC最适合用作含能油墨的载体。初步研究了电泳沉积法制备纳米Al/CuO,结果表明,电泳沉积是一种新颖的制备纳米铝热剂的方法。同时,该方法最大的优势在于沉积的纳米铝热剂形状与电极基底一致性较好,有望用于微尺度异型结构的装药。利用喷墨打印装药实现了微推进器阵列装药,并研究铝热剂Φ值、含能油墨载体含量以及原料粒径对微孔中纳米铝热剂的激光点火燃烧性能,实验结果表明铝热剂最优Φ值为1.6,载体NC含量最优为7.5%,在最优的配方多次喷墨打印微孔装药药剂燃烧产生的冲量约为145μ,N.s。

关键词：纳米铝热剂固相化学法电泳沉积法喷墨打印装药微孔燃烧冲量

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纳米铝热剂的研究进展

化工新型材料 2010年第S1期38卷 4-7,22页

作者：周超李国平罗运军北京理工大学材料学院北京100081

纳米铝热剂具有燃烧效率高、能量释放速率快、安全性能好等特点,在火工品、推进剂等领域有广泛的应用前景。对纳米铝热剂的研究进展进行了综述,主要讨论了固相反应法、抑制反应球磨法、喷雾热分解法、溶胶-凝胶法等制备纳米铝热剂的优缺... 详细信息

纳米铝热剂具有燃烧效率高、能量释放速率快、安全性能好等特点,在火工品、推进剂等领域有广泛的应用前景。对纳米铝热剂的研究进展进行了综述,主要讨论了固相反应法、抑制反应球磨法、喷雾热分解法、溶胶-凝胶法等制备纳米铝热剂的优缺点,并对这些方法制备的样品性能进行了分析。指出了今后纳米铝热剂制备方法的发展方向及研究重点。

关键词：纳米铝热剂溶胶-凝胶法表面改性

制备方法对Al/Fe_2O_3纳米铝热剂储存性能的影响

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固体火箭技术 2014年第5期37卷 653-657页

作者：高坤李国平于宪峰郑剑王鲁罗运军北京理工大学材料学院 63961部队中国航天科技集团公司

利用SEM、XRD和DSC研究了制备方法对Al/Fe2O3纳米铝热剂储存性能的影响。结果表明,超声共混法制备的纳米铝热剂放置60 d后,活性铝的平均粒径减小4 nm,使得铝热反应放热量降低13%,之后趋于稳定;机械球磨法制备的纳米铝热剂放置7 d后,活... 详细信息

利用SEM、XRD和DSC研究了制备方法对Al/Fe2O3纳米铝热剂储存性能的影响。结果表明,超声共混法制备的纳米铝热剂放置60 d后,活性铝的平均粒径减小4 nm,使得铝热反应放热量降低13%,之后趋于稳定;机械球磨法制备的纳米铝热剂放置7 d后,活性铝平均粒径减小3 nm,120 d之后,缓慢减小至57.8 nm,活性铝的减少使得铝热反应放热量损失高达16%,;溶胶-凝胶法所制备的纳米铝热剂储存120 d后,活性铝平均粒径减小仅1 nm,明显地减缓了纳米铝粉的氧化,放热量损失仅为6%,并保持稳定。

关键词：纳米铝热剂铝热反应储存性能

醇热法制备Al@CuO纳米铝热剂及其反应特性研究

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醇热法制备Al@CuO纳米铝热剂及其反应特性研究

作者：史凯文南京理工大学

学位级别：硕士

亚稳态分子间复合物,又称为纳米铝热剂,因其高体积能量密度和高能量释放速率等优点,成为近年来纳米复合含能材料领域的研究热点之一。为解决传统物理混合法所制备纳米铝热剂组分间混合不均匀、接触不紧密的问题,本文基于醇热技术一步法... 详细信息

亚稳态分子间复合物,又称为纳米铝热剂,因其高体积能量密度和高能量释放速率等优点,成为近年来纳米复合含能材料领域的研究热点之一。为解决传统物理混合法所制备纳米铝热剂组分间混合不均匀、接触不紧密的问题,本文基于醇热技术一步法制备核壳结构Al@CuO纳米铝热剂,并对其放热特性、点火燃烧特性以及反应机理进行了研究,主要研究内容及结果如下:(1)以醋酸铜为前驱体、乙醇为溶剂,经醇热法将纳米CuO原位包覆在Al粉表面制备得到Al@CuO复合粒子。XRD及XPS结果显示,所制备产物纯度高、未检测到其它杂质。SEM及TEM观测表明,粒径约10 nm的CuO与纳米Al紧密结合形成类核壳结构,而在微米Al表面,CuO原位生长为纳米片层实现紧密包覆;(2)通过热分析实验对比分析了醇热法制备的Al@CuO与物理混合Al/CuO样品的反应峰型、反应放热、反应起始温度及表观活化能。结果表明,两种样品均出现了两段放热反应,随着化学计量比(Φ)的增加,第一放热峰愈加明显,而第二放热峰趋于微弱,总放热量呈先增后减的趋势。当Φ处于1.5-5,较之Al/CuO,Al@CuO的总放热量增加21.3%-38.4%,第一放热峰的起始温度降低7.2-23.1°C,第一放热峰的表观活化能减小20.1%-25.5%;(3)通过热丝点火实验、定容燃烧实验及开放环境下高速摄影对比研究了Al@CuO与Al/CuO的点火及燃烧特性。结果表明,两组样品的点火延迟并无明显区别,但Al@CuO的点火能普遍低于Al/CuO,Al@CuO的燃烧峰值压力、升压速率及燃烧发光强度等都高于Al/CuO。此外,化学计量比对铝热剂燃烧性能的影响较大。随着Φ从0.75增加到5,峰值压力、升压速率与最大光强都表现出先增后降的趋势,燃烧时间呈先减后增的趋势;Al@CuO样品在Φ为1.5时表现出最优异的燃烧性能,其峰值压力、升压速率及最大光强分别是Al/CuO的1.6倍、4.2倍及1.5倍,燃烧时长缩短63%;(4)通过对产物的微观形貌与结构组成分析,分别研究了热分析及燃烧过程中样品的反应机理。结果表明,热分析时,在500-660°C,Al@CuO发生了铝热主反应,但该阶段反应并不完全,中间产物主要包括Al、CuO和少量的Cu、CuO和AlO;加热温度达到1000°C时,铝热反应完全,最终得到的反应产物为Cu、CuO和AlO。Al@CuO样品燃烧残留物的尺寸(3-10μm)小于Al/CuO样品(5-20μm)。当Φ介于0.75-1.5时,燃烧产物为AlO、CuO及Cu;当Φ>3时,除了铝热主反应,过量的燃料Al参与合金反应生成AlCu与Cu Al O。

关键词：核壳结构 Al@CuO 纳米铝热剂热分析点火燃烧

制备方法对Al/Fe_2O_3纳米铝热剂性能的影响

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火炸药学报 2012年第3期35卷 11-14页

作者：高坤罗运军李国平王鲁郑剑北京理工大学材料学院北京100081

分别采用超声共混法、机械球磨法和溶胶-凝胶法制备出Al/Fe2O3纳米铝热剂。研究了3种制备方法对纳米铝热剂晶型、平均粒径、形貌、比表面积和热反应性能的影响。结果表明,超声共混法只能使两组分简单地混合在一起;机械球磨法通过机械作... 详细信息

分别采用超声共混法、机械球磨法和溶胶-凝胶法制备出Al/Fe2O3纳米铝热剂。研究了3种制备方法对纳米铝热剂晶型、平均粒径、形貌、比表面积和热反应性能的影响。结果表明,超声共混法只能使两组分简单地混合在一起;机械球磨法通过机械作用力使两组分混合均匀,但部分Al颗粒破裂,平均粒径减小;溶胶-凝胶法制备的Fe2O3凝胶均匀包裹着Al颗粒,形成核壳结构的Al/Fe2O3纳米铝热剂,有效地保护了Al颗粒,同时纳米铝热剂具有高的比表面积,固—固反应放热量为896J/g。

关键词：材料科学纳米铝热剂铝热反应超声共混法机械球磨法溶胶-凝胶法