Al-Li与Al-Eu合金燃料的热性能及其对高氯酸铵热分解的影响研究

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单质Al粉作为固体推进剂中应用最为广泛的金属燃料,存在燃烧不完全、产物易凝结等固有弊端。本文通过添加活性元素Li及Eu制备铝基合金燃料来改善其燃烧效率,并对两种新型金属燃料的基本热性能进行了表征,系统研究了它们对氧化剂高氯酸铵(AP)热分解特性的影响,对其影响机理进行了探讨。采用气雾化法制备了系列Al-Li及Al-Eu二元合金燃料,并利用XRD、SEM/EDS以及TG/DTA分别对其物相组成、微观形貌及热性能进行了表征。结果表明,两种合金燃料均具有良好的球形度,Al-Li合金颗粒表面氧化较为明显,Al-Eu合金颗粒表面呈现交错分布的“鳞片状”结构。合金元素与铝形成的金属间化合物的优先氧化效应赋予了Al-3Eu(wt.%)及Al-10Li优异的热性能。与单质Al相比,Al-3Eu氧化放热量从1655.1 J/g增加至7811.5 J/g,实际/理论增重比从0.33提高到0.85,Al-10Li氧化放热量更高,达9263.5 J/g,增重比为0.99。采用非等温动力学方法对比研究了Al-Li及Al-Eu合金燃料对AP热分解特性的影响,并对影响机理进行了分析。研究表明,Al-Li抑制AP的低温分解而加速其高温分解,使分解峰集中为单一放热峰。这些作用随着Li含量的增加而增强,当Li含量达10 wt.%时,AP高温分解峰提前了79.9℃,表观分解热由422.5 J/g增至1046.2J/g,高温分解活化能降低了62.9kJ/mol。合金颗粒表面的Li盐消耗了AP的解离产物从而抑制了其低温分解,而AP高温分解产生的氧化性气体与合金表层的活性Li发生氧化还原反应,加速其高温分解过程。随着Eu含量的增加,Al-Eu对AP低温分解的作用逐渐减弱,而对高温分解作用持续增强,当Eu含量高于3 wt.%时出现抑制低温分解的现象。这主要是由于Al-Eu颗粒特殊的表面限制了AP在低温分解时的解离升华,使更多的分子进入高温分解阶段。另外,分散在颗粒表面的纳米级Eu2O3对AP的高温分解具有强烈的催化作用。文中还探索了含端羟基聚丁二烯(HTPB)的三元复合物热分解性能。结果显示,HTPB的引入限制了AP与金属颗粒之间的相互接触,削弱了金属燃料对AP热分解的影响。综上所述,气雾化Al-10Li及Al-3Eu合金燃料具有优异而全面的实际应用性能,在推进剂领域具有广阔的应用前景。
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