硼化合物和包覆硼的制備、燃燒性能及應(yīng)用研究.pdf

1、以其高的質(zhì)量熱值和體積熱值優(yōu)勢(shì)，硼已成為固體富燃料推進(jìn)劑的首選高能燃料。但在實(shí)際應(yīng)用中，含硼富燃料推進(jìn)劑的燃燒效率低，硼潛在的高能量無(wú)法充分發(fā)揮出來(lái)。因此，硼顆粒的高效燃燒已成為含硼富燃料推進(jìn)劑的核心關(guān)鍵技術(shù)。硼化合物和包覆硼是實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)的有效途徑。
　　本文以硼化合物和包覆硼作為提高含硼富燃料推進(jìn)劑燃燒效率的技術(shù)手段，系統(tǒng)研究了硼化合物和包覆硼的制備、性能及其對(duì)含硼富燃料推進(jìn)劑性能的影響規(guī)律。以Mg-B化合物為核心，以硼化合物和

2、表面包覆硼為研究對(duì)象，其中硼化合物包括MgB2和MgB4、有機(jī)硼化合物，表面包覆硼包括AP、LiF包覆硼和Mg包覆硼——硼鎂（MB）復(fù)合粉。制備了MgB2和MgB4兩種Mg-B化合物，AP、LiF包覆硼顆粒及其團(tuán)聚顆粒。研究了在程序升溫條件下硼化合物和包覆硼的熱分解和熱氧化反應(yīng)特性。系統(tǒng)研究了高溫火焰中硼化合物和包覆硼的燃燒行為，探索了硼化合物和包覆硼的燃燒機(jī)理及其團(tuán)聚顆粒的燃燒特性?？疾炝撕鸹衔锖桶才鸶蝗剂贤七M(jìn)劑的能量性能和一次

3、燃燒性能，明確了硼化合物和包覆硼對(duì)含硼富燃料推進(jìn)劑性能的影響規(guī)律。在Mg-B二元體系相圖分析、Mg-B化合物生成反應(yīng)和氧化反應(yīng)熱力學(xué)分析、實(shí)驗(yàn)探索的基礎(chǔ)上，確定了MgB2和MgB4的制備工藝。在氬氣氣氛下，采用高溫?zé)Y(jié)法制備了MgB2和MgB4，其純度分別為93.6％和93.4%。MgB2和MgB4的有效密度分別為2.55 g·cm-3和2.47 g.cm-3，均高于硼的有效密度（2.34g·cm-3）。燃燒熱測(cè)試結(jié)果表明，有機(jī)硼、7.

4、12%LiF包覆硼、MgB2和MB15復(fù)合粉的實(shí)測(cè)燃燒熱值均高于硼，所有硼化合物和包覆硼的燃燒效率均高于硼。其中有機(jī)硼化合物的燃燒效率最高，達(dá)95%；MgB2和MgB4的燃燒效率分別為62%和48%，明顯高于硼的燃燒效率。無(wú)定形硼的第一階段氧化峰溫為1053K，但隨后樣品增重變緩。惰性氣氛下，從1200K開(kāi)始MgB2發(fā)生熱分解，MgB2會(huì)依次分解為MgB4、MgB7和高硼化物，同時(shí)釋放出鎂蒸氣。MgB4熱分解依次生成MgB7和高硼化物。

5、即 MgB2首先熱分解生成MgB4，其后兩者經(jīng)歷相同的熱分解歷程。MgB2和MgB4的熱氧化經(jīng)歷緩慢氧化、快速氧化和緩慢氧化三個(gè)過(guò)程，但兩者主要的氧化放熱和增重都發(fā)生在1200~1665K之間，與MgB2和MgB4熱分解失重最劇烈的溫度區(qū)間基本重合。在1665K時(shí)，MgB2基本完全氧化，MgB4的氧化百分?jǐn)?shù)達(dá)到86.8%，表明與無(wú)定形硼和包覆硼相比，Mg-B化合物可以在更低溫度下充分氧化，熱氧化特性顯著優(yōu)于無(wú)定形硼和其它硼化合物和包覆硼

6、。
　　本研究表明，有機(jī)硼化合物發(fā)生吸熱的熱分解反應(yīng)，但氧化反應(yīng)放熱量較大。表面包覆LiF和Mg可以使硼顆粒的第一階段氧化峰溫降低。硼顆粒燃燒在546nm附近產(chǎn)生系列光譜信號(hào)，燃燒產(chǎn)物主要為BO2。Mg-B化合物的燃燒光譜信號(hào)可以看作是鎂燃燒光譜和硼燃燒光譜的疊加。在燃燒過(guò)程中，Mg-B化合物會(huì)發(fā)生熱分解反應(yīng)，產(chǎn)生氣態(tài)鎂，并由鎂的燃燒逐漸過(guò)渡到硼的燃燒。有機(jī)硼化合物、AP包覆硼、LiF包覆硼、MB8復(fù)合粉及MB15復(fù)合粉的燃燒光譜

7、與無(wú)定形硼相近。相同條件下，Mg-B化合物團(tuán)聚顆粒的燃燒時(shí)間最短。在低溫下，AP包覆硼可縮短硼團(tuán)聚顆粒的燃燒時(shí)間。在環(huán)境溫度和氧氣摩爾分?jǐn)?shù)較低時(shí)，有機(jī)硼化合物可促進(jìn)硼團(tuán)聚顆粒的燃燒。而其它硼化合物和包覆硼對(duì)硼團(tuán)聚顆粒燃燒的促進(jìn)作用不明顯。盡管含硼化合物和包覆硼富燃料推進(jìn)劑的硼含量低于硼團(tuán)聚推進(jìn)劑，但含硼化合物和包覆硼富燃料推進(jìn)劑的實(shí)際燃燒熱值均高于后者。除AP包覆硼團(tuán)聚與硼團(tuán)聚推進(jìn)劑的燃燒效率相近外，其余含硼化合物和包覆硼富燃料推進(jìn)劑的

8、燃燒效率均高于硼團(tuán)聚推進(jìn)劑。MgB2團(tuán)聚和MgB4團(tuán)聚推進(jìn)劑的燃燒效率最高。含MB15團(tuán)聚、（硼團(tuán)聚+有機(jī)硼）、MgB2團(tuán)聚、 MgB4團(tuán)聚和LiF包覆硼團(tuán)聚顆粒的富燃料推進(jìn)劑定壓爆熱大于含硼團(tuán)聚富燃料推進(jìn)劑。含硼化合物和包覆硼富燃料推進(jìn)劑的成氣性均優(yōu)于硼團(tuán)聚推進(jìn)劑。與硼團(tuán)聚推進(jìn)劑相比，Mg-B化合物可顯著提高含硼推進(jìn)劑的能量釋放效率；有機(jī)硼化合物、LiF包覆硼及MB15復(fù)合粉可在一定程度上改善含硼推進(jìn)劑的能量釋放效率，但效果不及Mg-

9、B化合物。在0.5MPa下，含 Mg-B化合物團(tuán)聚推進(jìn)劑的燃速最高，而MB15團(tuán)聚推進(jìn)劑的燃速最低。除（硼團(tuán)聚+有機(jī)硼）推進(jìn)劑外，其余推進(jìn)劑的噴射效率均較高，可達(dá)95%以上。隨著溫度的升高，含硼富燃料推進(jìn)劑依次會(huì)發(fā)生AP與GFP相互作用、AP和HTPB的熱分解、鎂的吸熱熔化等反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，硼、硼化合物及包覆硼對(duì)推進(jìn)劑凝聚相的貢獻(xiàn)可忽略?；鹧鏈囟葘?duì)推進(jìn)劑一次燃速的影響最大。綜合比較結(jié)果顯示，與硼團(tuán)聚推進(jìn)劑相比，MgB2和MgB4