CN112010721A - 一种含硼富燃料推进剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含硼富燃料推进剂及其制备方法,本发明中首先对Al粉和B粉进行预处理去除表面杂质;然后将预处理后的Al粉和B粉按照摩尔比为1~1.2:2的比例混合,然后在惰性气体保护下进行球磨;将球磨后的混合物料在模具中进行压实,然后在密封环境、温度为600~750℃下烧结1~3h,即可得到含硼富燃料推进剂。本发明通过Al和B的复合,得到以Al为核心、AlB2合金为外层的含硼富燃料推进剂,从而在燃烧过程中利用核心部分的Al以及AlB2燃烧产生的Al2O3将B燃烧产生的易于粘附在燃料表面的B2O3及时从燃烧的燃料颗粒表面去除,从而改善了含B的富燃料推进剂的燃烧性能。

Description

一种含硼富燃料推进剂及其制备方法
技术领域
本发明属于富燃料推进剂制备技术领域,具体涉及一种含硼富燃料推进剂及其制备方法。
背景技术
金属粉作为燃料在现代含能体系中已经得到广泛应用,是提高体系能量性能的重要途径之一。该类材料巨大的燃烧热可以有效提高推进剂的比冲,常用的金属燃料有Al、Mg、B、Li等材料,其中Al粉是最常用的燃烧剂,不仅提高了固体推进剂的燃速,增加了比冲,同时还可以降低压强指数。随着对材料能量性能指标要求的不断提高,B元素由于其高热值的特性越来越得到人们的关注。但是B在实际应用中还存在一些问题:点火困难、燃烧需氧量高、燃烧产物B2O3易于堵塞喷管、燃烧不充分等,尤其是B的燃烧不充分导致其实测燃烧热往往只能到达理论值的50%甚至更低,极大程度限制了其应用。因此,如何改善B粉的燃烧性能就成为迫在眉睫的难题。
为了改善B的燃烧性能,人们采用了各种方法对B进行表面修饰,同时也研究了多种混合改性的方法改善其燃烧性能,这些方法都能在一定程度上改善B的燃烧性能。浙江大学陈冰虹等研究了采用不同氧化剂包覆对硼基推进剂点火燃烧特性的影响(含能材料,2016,24(8):774-780),结果表明,硝酸铵(AN)包覆的B基推进剂样品具有更低的起始反应温度,但其整体放热性能较差,硝基胍(NQ)、奥克托今(HMX)的包覆能有效提高B基推进剂的燃烧强度,缩短燃烧时间。
目前对B基材料的燃烧改性主要是在B基材料的表面进行改性,这其实并没有测定消除硼基材料燃烧过程中燃烧产物B2O3易于附着于B颗粒表面抑制其彻底燃烧的缺陷,使得B粉燃烧不能充分进行,另外,B粉的燃烧产物B2O3易于堵塞喷管。
发明内容
针对现有技术存在的不足和缺陷,本发明提供了一种含硼富燃料推进剂及其制备方法,解决现有的富燃料推进剂及其制备方法存在的燃烧不充分、燃烧过程难于控制、燃烧产物易于堵塞喷管的问题。。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案予以实现:
一种含硼富燃料推进剂制备方法,包括:对Al粉和B粉进行预处理去除表面杂质;将预处理后的Al粉和B粉按照摩尔比为1~1.2:2的比例混合后,在惰性气体保护下进行球磨,将球磨后的混合物料在密封环境、温度为600~750℃的条件下烧结1~3h,即可得到含硼富燃料推进剂。
优选的,所述的混合物料装入模具加压密封,然后经模压机模压后再进行烧结;所述的模压压力为0.8~1.2MPa。
具体的,所述的Al粉为纳米Al粉或微米Al粉,所述的B粉为无定形B粉。
具体的,所述的球磨过程中磨球与被磨物料的球料比为8~15:1。
具体的,球磨工艺为:先球磨30~40min,静置降温至系统温度为室温后再球磨30~40min,然后静置降温至室温;球磨环境为惰性气氛。
具体的,所述的Al粉的预处理过程为:用稀盐酸清洗Al粉表面氧化物,清洗后的Al粉采用去离子水冲洗去除表面残留的杂质、干燥。
具体的,所述的B粉的预处理过程为:B粉在350~450℃、惰性气氛下烧结1~3h,然后在该惰性气氛下冷却到室温。
优选的,所述的预处理后的Al粉和B粉转入手套箱中,手套箱为氩气气氛,然后将Al粉、B粉以及对应质量的磨球在手套箱中装入球磨罐进行球磨;球磨后的混合物料在手套箱中装入模具中,并密封加压。
本发明还公开了上述制备方法制备的含硼富燃料推进剂。
具体的,该含硼富燃料推进剂包括复合粉体,所述的复合粉体包括Al粉和包裹在Al粉表面的AlB2外层。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明通过Al和B的复合,得到以Al为核心、AlB2合金为外层的含硼富燃料推进剂,从而在燃烧过程中利用核心部分的Al以及AlB2燃烧产生的Al2O3将B燃烧产生的易于粘附的B2O3及时从燃料的颗粒表面去除,从而改善了含B的富燃料推进剂的燃烧性能。
附图说明
图1是实施例2制备的含硼富燃料推进剂的SEM图。
图2是实施例2制备的含硼富燃料推进剂的XRD图。
图3是图1区域的Al元素分布图。
图4是图1区域的B元素分布图。
图5是实施例1制备的含硼富燃料推进剂的XRD图。
图6是实施例3制备的含硼富燃料推进剂的XRD图。
以下结合说明书附图和具体实施方式对本发明做具体说明。
具体实施方式
本发明为了改善B颗粒的燃烧性能,采用B与Al制备了以Al为核心、AlB2合金为外层的夹层结构。本发明的含硼富燃料推进剂制备方法,包括:
步骤1,对Al粉和B粉进行预处理去除表面杂质;
具体的,Al粉的预处理过程为:用稀盐酸清洗Al粉表面氧化物,清洗后的Al粉采用去离子水冲洗去除表面残留的杂质、真空干燥。
B粉的预处理过程为:将B粉在350~450℃、惰性气氛下烧结1~3h,然后在该惰性气氛下冷却到室温。惰性气体可选氮气、氩气或氦气等。
步骤2,将预处理后的Al粉和B粉按照摩尔比为1~1.2:2混合后,在惰性气体保护下进行球磨。
本发明球磨过程中磨球与被磨物料的球料比为8~15:1,球料比优选10:1。球磨料为玛瑙球或不锈钢磨球。
具体的球磨工艺为:先球磨30~40min,静置降温至系统温度为室温后再球磨30~40min,然后静置降温至室温;球磨环境为惰性气氛,惰性气体可选氮气、氩气或氦气等。
步骤3,将球磨后的混合物料在密封环境、温度为600~750℃下烧结1~3h,即可得到含硼富燃料推进剂。
优选的,本发明将混合物料装入模具加压密封,然后经模压机模压后再进行烧结,具体的,模压压力为0.8~1.2MPa。
本发明中的Al粉为纳米Al粉或微米Al粉,所述的B粉为无定形B粉,无定形B粉市面上易于得到,且价格便宜。
优选的,在整个制备过程中,预处理后的Al粉、B粉以及对应质量的磨球转入手套箱中,手套箱为氩气气氛,然后将Al粉和B粉在手套箱中装入球磨罐进行球磨;球磨后的混合物料在手套箱中装入模具中,并密封加压,在手套箱中进行,防止接触空气或其他杂质而发生污染。
结合下述实施例中的XRD和SEM图发现,本发明制备方法制备的含硼富燃料推进剂包括复合粉体,其中复合粉体包括Al粉和覆盖在Al粉表面的AlB2外层,复合粉体整体为扁平状结构,如图1所示。
以下给出本发明的具体实施例,需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例中,凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1
步骤1,采用直径20纳米的B作为B源,采用400目Al作为Al源。Al粉采用稀盐酸进行表面氧化物的清洗,清洗后的Al粉采用去离子水冲洗去除表面残留的氯离子等杂质后,在减压真空干燥器中进行干燥,防止发生氧化。将B粉装入气氛管式炉,氮气气氛下加热到350℃,保温2小时后,自然冷却到室温。
步骤2,在手套箱中将Al和B按照摩尔比为1.2:2的比例称量后装入球磨罐,球料比为8:1,在球磨机上进行球磨,球磨30分钟,静置降温30分钟,然后再球磨30分钟,降到室温。
步骤3,将球磨后的物料转入手套箱,装入模具加压密封,然后转移到模压机模压后进行加热烧结,模压压力为0.8MPa,加热到600℃后保温1小时,然后自然降温到室温,空气气氛开模具,得到含硼富燃料推进剂。
本实施例得到的含硼富燃料推进剂的XRD图见图5。将本实施例的含硼富燃料推进剂进行燃烧,其燃烧热性能数据见表1。
实施例2
步骤1,采用直径20纳米的B作为B源,采用400目Al作为Al源。Al粉采用稀盐酸进行表面氧化物的清洗,清洗后的Al粉采用去离子水冲洗去除表面残留的氯离子等杂质后,在减压真空干燥器中进行干燥。将B粉装入气氛管式炉,氮气气氛下加热到400℃,保温1小时,自然冷却到室温;
步骤2,在手套箱中将Al和B按照摩尔比为1.2:2的比例称量后装入球磨罐,球料比为10:1,在球磨机上进行球磨,球磨30分钟,静置降温30分钟,然后再球磨30分钟,降到室温;
步骤3,将球磨后的物料转入手套箱,装入模具加压密封,然后转移到模压机模压后进行加热烧结,模压压力为1.0MPa,加热到700℃后保温1小时,然后自然降温到室温,空气气氛开模具,得到含硼富燃料推进剂。
本实施例得到的含硼富燃料推进剂的SEM图如图1所示,可以看出,产物呈扁平结构,图2为产物的XRD图,结合图3和图4的元素分布图,可以得出,本实施例制备的含硼富燃料推进剂为由Al粉和覆盖在Al粉表面的AlB2外层形成的夹层结构。
本实施例的含硼富燃料推进剂燃烧热性能数据见表1。
实施例3
步骤1,采用直径20纳米的B作为B源,采用400目Al作为Al源。Al粉采用稀盐酸进行表面氧化物的清洗,清洗后的Al粉采用去离子水冲洗去除表面残留的氯离子等杂质后,在减压真空干燥器中进行干燥。将B粉装入气氛管式炉,氮气气氛下加热到400℃,保温1小时,自然冷却到室温;
步骤2,在手套箱中将Al和B按照摩尔比为1:2的比例称量后装入球磨罐,在球磨机上进行球磨,球磨30分钟,静置降温30分钟,然后再球磨30分钟,降到室温;
步骤3,将球磨后的物料转入手套箱,装入模具加压密封,然后转移到模压机模压后进行加热烧结,模压压力为1.0MPa,加热到750℃后保温1小时,然后自然降温到室温,空气气氛开模具,得到含硼富燃料推进剂。
本实施例得到的含硼富燃料推进剂的XRD图见附图6。其燃烧热性能数据见表1。
表1不同粒径Al及AlB2合金的热值
样品 实测热值(MJ/kg)
Al-μm 24.1
Al-nm 26.9
实施例1 29.7
实施例2 30.1
实施例3 29.5
对比各金属粉的热值数据,发现本发明方法制备的含硼富燃料推进剂具有较高实测热值,可达30.1MJ/kg,与微纳米Al相比,B粉的引入大大提高了金属燃料的热值。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于:步骤3中没有对物料进行模压。
经过对本对比例得到的产物分析发现,本对比例模具内的物料只有表层产物具有实施例1的结构特征,模具内的中心部分物料没有充分反应。

Claims (10)

1.一种含硼富燃料推进剂制备方法,其特征在于,包括:
对Al粉和B粉进行预处理去除表面杂质;将预处理后的Al粉和B粉按照摩尔比为1~1.2:2的比例混合后,在惰性气体保护下进行球磨,将球磨后的混合物料在密封环境、温度为600~750℃的条件下烧结1~3h,即可得到含硼富燃料推进剂。
2.如权利要求1所述的含硼富燃料推进剂制备方法,其特征在于,所述的混合物料装入模具加压密封,然后经模压机模压后再进行烧结;所述的模压压力为0.8~1.2MPa。
3.如权利要求1所述的含硼富燃料推进剂制备方法,其特征在于,所述的Al粉为纳米Al粉或微米Al粉,所述的B粉为无定形B粉。
4.如权利要求1所述的含硼富燃料推进剂制备方法,其特征在于,所述的球磨过程中磨球与被磨物料的球料比为8~15:1。
5.如权利要求1所述的含硼富燃料推进剂制备方法,其特征在于,球磨工艺为:先球磨30~40min,静置降温至系统温度为室温后再球磨30~40min,然后静置降温至室温;球磨环境为惰性气氛。
6.如权利要求1所述的含硼富燃料推进剂制备方法,其特征在于,所述的Al粉的预处理过程为:用稀盐酸清洗Al粉表面氧化物,清洗后的Al粉采用去离子水冲洗去除表面残留的杂质、干燥。
7.如权利要求1所述的含硼富燃料推进剂制备方法,其特征在于,所述的B粉的预处理过程为:B粉在350~450℃、惰性气氛下烧结1~3h,然后在该惰性气氛下冷却到室温。
8.如权利要求1所述的含硼富燃料推进剂制备方法,其特征在于,所述的预处理后的Al粉、B粉以及对应质量的磨球转入手套箱中,手套箱为氩气气氛,然后将Al粉和B粉在手套箱中装入球磨罐进行球磨;球磨后的混合物料在手套箱中装入模具中,并密封加压。
9.权利要求1至8任一项制备方法制备的含硼富燃料推进剂。
10.如权利要求9所述的含硼富燃料推进剂,其特征在于,该含硼富燃料推进剂包括复合粉体,所述的复合粉体包括Al粉和包裹在Al粉表面的AlB2外层。
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