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不经过包覆处理的超细铝粉,都不是好燃料!
2020年09月27日 发布 分类:技术前沿 点击量:351
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从热力学观点上看,在元素周期表中左上角部分的原子量小的金属氧化时,都可以获得高的燃烧热。在这个群体中,Al是比较典型的代表,它的单位质量燃烧热大于汽油和氢单质,而且相对安全和容易制得,因此被认为可以作为重要的能量组分在现代固体推进剂中得到应用。

超细铝粉

固体推进剂是固体火箭发动机的动力源用材料

为了提高金属Al的反应活性,以改善其点火和燃烧性能,细化处理是必不可少的。然而即使将Al粉都加工到微米级水平,在实际应用中它的使用效果却很有可能不能达到理论计算水平——这主要是因为超细Al暴露在外的表面原子十分容易与氧(如与水或空气接触)结合而被氧化,而且在某些条件下,超细Al粉在点火前会发生团聚,引发聚集、团聚或结块等现象,从而导致金属的不完全燃烧和两相流损失,使比冲降低。

超细铝粉

为了解决上述问题对这种Al粉进行表面包覆一种有效途径一方面能够Al粉进行保护,防止 Al粉表面的氧化另一方面通过表面处理,也能降低Al粉的点火温度和改善Al粉的燃烧性能。

铝粉的包覆处理

Al粉的包覆处理可采用多种物质,表面包覆剂可以是有机物也可以是无机物,按其是否与Al粉发生反应,可分为惰性处理剂和非惰性处理剂两种,其分类如下图

超细铝粉

1)有机物包覆

采用有机物对Al粉表面进行包覆处理,包覆剂可以在Al粉表面形成有机物的薄膜层。如采用石蜡对Al粉进行包覆,可在Al粉表面形成惰性的石蜡膜层,称之为惰性包覆而采用硬脂酸对Al粉进行处理,硬脂酸与Al粉发生反应,在其表面生成Al的硬脂酸盐膜层,称之为非惰性包覆处理。这些薄膜层的存在能有效的隔绝Al粉与空气的接触,防止Al粉氧化,从而达到有效保护Al粉的目的。

超细铝粉

包覆前后的Al

2)无机物处理

采用无机物对Al粉进行包覆处理,是改善Al粉性能的另一种有效途径。它可采用N2Ar等惰性气体吸附于Al粉表面,起到保护Al粉不被氧化的作用。也可采用米粒子在Al粉表面形成纳米膜层,保护内部的Al不被氧化,如采用化学镀的方法在Al粉表面形成CuNi等纳米膜层,该膜层不仅能起到保护Al粉的作用,还可在常规推进剂中起到一定的催化剂的作用,这两种方法中保护层形成时包覆剂不与Al粉发生明显的化学发应,是一种惰性的包覆处理。而有些物质能与AlAl表面Al2O3反应生成新的无机物膜层,利用AlAl2O3在高温条件下与碳的反应,可以在Al颗粒表面生成Al4C3膜层从而提高Al粉的抗氧化能力。

3)多层包覆

Al粉在多个领域有着广泛的应用,对其进行简单的单层包覆往往不能达到实际应用的要求,因此需采用不同的方法和包覆剂对其进行双层或多层的包覆处理。例如德国艾卡公司的Al粉颜料采用二氧化硅进行包覆再经一层有机物进一步包覆处理。Al片被包裹起来后单个的粒子也就被完全包封,从而阻止Al与外界的反应。

总结

铝粉表面改性可改善铝粉的点火及燃烧,是改善铝粉燃烧效率的主要途径,因此是固体推进剂领域的研究热点。除此之外,调节铝粉、AP、硝胺和粘合剂等组分的含量及规格,也可改善推进剂的微观结构和铝粉燃烧的气氛环境等,有助于改善铝粉团聚程度。

资料来源:

镁(铝)金属粉的改性及其在金属/水反应推进剂中的应用研究,刘冠鹏。

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