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纳米铝粉在固体推进剂中的应用

纳米铝粉在固体推进剂中的应用

      随着现代科学技术水平的不断提高,20世纪80年代,出现了研究原子大小或分子大小级别物质的纳米技术。由于纳米铝粉具有较小的体积和较大的比表面积,进而表现出较高的化学活性和较快的反应速率。纳米铝粉是现阶段在含能材料应用研究中报道最多的一种含能材料。
纳米铝作为一种新型材料,可应用于固体推进剂、火药炸药等方面。这对于国家的军事发展具有非常重要的意义。纳米铝粉的大规模制备和应用研究关系到我国国防建设的发展和高科技产品的开发。

        普通及微米级铝粉在推进剂中的应用
       铝粉由于密度高,耗氧量低,有较高的燃烧焓,使得在固体推进剂中可有效提高比冲,再加上其原材料丰富,成本较低,因此作为能量材料的添加剂被广泛应用。有人研究了铝粉对硝酸酯增塑聚醚(NEPE)推进剂热分解性能的影响,认为铝粉的加入改变了该体系中各组分间以及组分与初始分解产物间的相互作用,改变了氧化剂二次反应的分解机理。首先,由于铝粉极易吸附负电性的初始分解产物,大量的N?O(一氧化二氮)与NO?(二氧化氮)滞留加强了氧化剂的自催化作用以及氧化剂间的协同效应,这不仅使推进剂中AP的分解温度降低,并且促进了硝胺初始分解产物NO?的二次反应,使其在高温下的检出量减少,导致该体系在370℃后的裂解气体中HCN、NO?的含量和N?O与NO?的比例大大提高,NO?与NO(一氧化氮)的比例迅速降低,并且二次反应最终产物水气含量明显增加;由于铝粉具有良好的热传导性,促进了体系中气相向凝聚相的热反馈,从而促进了凝聚相中某些组分的汽化和初始裂解反应,使NG(硝化甘油)的检测温度和分解温度有所降低。

        纳米铝粉在固体推进剂中的应用
       由于普通铝粉和微米级铝粉的点火延迟和慢速燃烧动力学特性限制了其目前的使用范围。它们在推进剂燃烧表面上凝结成大的“集块”,延长了燃烧时间。典型的大凝滴尺寸为20~50μm,需要10~100ms才能完全燃烧,若燃烧不完全则会产生红外信号增加、喷管的两相流损失和形成羽烟状的气体排出等缺陷。
纳米铝粉的研究有望解决这个问题。用纳米级铝粉能增加推进剂单位体积所释放的能量,增大比冲,提高燃速和燃烧稳定性。例如,添加质量分数为1%的纳米铝粉,每克燃料的燃烧热可增加1倍。有数据表明,含质量分数为40%常规铝粉的推进剂不能很好的燃烧,但含质量分数为42%~75%Alex(纳米铝粉的牌号)的推进剂燃速很高,且含纳米铝粉的推进剂燃烧完全,几乎没有残留物。更有研究报道,当铝粉的粒径从微米级减小到纳米级时,其燃速可提高30多倍。纳米铝粉相对普通铝粉具有较低的点火能,可以直接点火燃烧,并且燃烧过程无明显的凝聚行为。

       纳米铝粉应用于固体推进剂具有如下的突出效应:燃烧速率是微米级铝粉的数倍;燃烧完全、燃烧效率高;有更好的抗凝聚性能和好的点火性能;增加推进剂燃烧稳定性,提高推进剂燃烧速率,降低压强指数。