添加剂改善微米铝粉点火与燃烧特性研究

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铝(Al)因为其高能量密度、燃烧温度高和成本低等优势,在固体推进剂、水下推进及火星探测等领域具有广阔的应用前景。微米铝(m-Al)粉因其活性铝含量高、易储存而被广泛研究,但是在应用中m-Al粉存在的点火困难和燃烧效率低等问题,为了解决这些问题,本论文选择六氟铝酸钠(Na3AlF6)和氟化钾(KF)作为添加剂,分别将其应用于微米铝粉中,系统地研究了添加剂对Al粉在二氧化碳(CO2)、水蒸气、二氧化碳和水蒸气混合气氛中的点火延迟时间、燃烧现象,燃烧效率等着火燃烧特征参数的影响。采用高速摄像机记录样品着火燃烧过程,同时采用X-射线衍射分析(XRD)、扫描电镜-能谱联用(SEM-EDS)等技术和化学分析法对不同燃烧产物的组分、形貌和燃烧效率进行了研究。在此基础上,揭示了添加剂对不同气氛中Al粉燃烧反应的作用机理。本论文的主要研究成果如下:(1)样品质量会影响1-2μm Al(m-Al1)粉在CO2气氛中的点火与燃烧。样品质量越大,m-Al1粉越容易着火,但是质量增加引起样品厚度增加,在燃烧过程中使样品内部的Al粉不能与CO2充分接触,从而导致样品燃烧效率降低。质量最小的样品的点火延迟时间最长,燃烧效率最高。(2)加入Na3AlF6可以显著降低m-Al1粉和5μm Al(m-Al5)粉在CO2气氛中的点火延迟时间,提高燃烧效率,添加了15wt%Na3AlF6的m-Al1粉点火延迟时间最短,燃烧效率最高。但是m-Al粉点火后燃烧区域传播速度随Na3AlF6含量增加而降低。(3)Na3AlF6的加入可以使30μm Al(m-Al30)粉在CO2气氛中成功发生着火燃烧,但是其点火延迟时间较长。添加了15wt%Na3AlF6的m-Al30粉的点火延迟时间最短,燃烧效率最高。添加Na3AlF6的m-Al粉的产物表面被絮状物或片状物覆盖,产物形貌与铝粉粒径和Na3AlF6含量相关。(4)加入Na3AlF6降低了m-Al5粉在水蒸气中的着火延迟时间,提高了其燃烧效率,而且其产物形貌和产物组分与m-Al5粉在CO2中气氛中相似。但是水蒸气会影响Na3AlF6与氧化膜的反应,导致m-Al5粉不稳定燃烧。(5)KF含量越高,有利于降低m-Al5和m-Al30粉在水蒸气中的点火延迟时间。随着KF添加量的增大,Al粉的燃烧效率呈上升趋势。KF含量越高的样品点火延迟时间越短,燃烧效率越高。在m-Al5粉的燃烧产物中可以观测到絮状物、针状结构,m-Al30粉的燃烧产物中存在氧化膜破裂形成的壳体。(6)在CO2和水蒸气混合气氛中,KF和Na3AlF6的加入均可以促进m-Al5和m-Al30粉着火燃烧,添加剂的加入,可以降低Al粉的点火延迟时间,提升其燃烧效率,但是促进效果没有单一气体环境中效果好。(7)在水蒸气、CO2/水蒸气以及CO2气氛中,m-Al1粉的点火延迟时间逐渐上升,燃烧效率逐渐下降。与其他两种气体相比,水蒸气氧化性更强,所以Al更容易与其发生反应,从而拥有更短的点火延迟时间,更高的燃烧效率。(8)在CO2、水蒸气中,m-Al粉(m-Al5和m-Al30粉)表现出不同的氧化行为。在CO2中,Al与CO2反应程度低,Al在扩散氧化过程中不会发生氧化层破裂。在水蒸气中,m-Al粉在与水蒸气反应的过程中发生晶型转变,并最终引起m-Al粉氧化层破裂。
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