CN114032127A - 一种高能量密度浆状燃料、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高能量密度浆状燃料、制备方法及应用，包括如下质量百分含量的组分：铝基‑金属氢化物复合燃料：3％～40％；高密度液体碳氢燃料：53.6％～96％；抗沉降剂：0.2％～2％；其他性能调节剂：余量；其中，铝基‑金属氢化物是将金属氢化物弥散分布于铝粉内部的复合材料。该高能量密度浆状燃料可作为发动机如冲压发动机或火箭发动机的燃料。本发明的高能量密度浆状燃料与现有液体燃料相比，具有密度高(ρ20℃>0.9g/cm3)、热值高(大于38MJ/kg)、能够快速点火、高效燃烧的特点；与现有浆状燃料相比，具有快速点火、高效燃烧、燃烧产物无残渣或残渣少的优势。

Description

一种高能量密度浆状燃料、制备方法及应用
技术领域
本发明属于导弹武器用燃料技术领域，特别涉及一种高能量密度浆状燃料、制备方法及应用。
背景技术
燃料技术是航空航天武器发展的核心技术、基础技术，更是制约技术。液体碳氢燃料在航天推进领域占有重要地位，燃料性能(尤其是能量和密度)是决定飞行性能(包括航程、航速和有效载荷等)的关键之一。高性能飞行器的发展对燃料的推进能力提出了更高的要求，高密度燃料具有更大的质量密度和体积热值，可以在不增加燃料箱尺寸的情况下提供更多的能量，是低成本快速提高飞行性能的重要燃料。
向液体燃料中添加金属燃料既可以显著改善燃料燃烧性能，又可以显著增加能量密度。铝粉的熔点低，金属活性适中，贮存稳定性好，且耗氧量低，密度高，加上原材料丰富，成本较低，是理想的金属燃料，研究表明在液体燃料中加入一定比例的铝粉不仅可大幅度提高燃料密度比冲，同时可在一定程度上抑制燃料的不稳定燃烧。但在实际燃烧过程中，由于Al的熔点低(933K)、燃点高约为2300K(相当于Al2O3的燃点)，为使Al点火燃烧，必须提高点火温度，使其表面包裹的Al2O3硬壳熔化、膨胀、破碎，才能使纯Al暴露于炽热燃气中，形成气相燃烧火焰。铝粉易凝聚，燃烧不充分，残渣易沉积在发动机的内表面，不仅会降低燃烧效率，而且使发动机的有效载荷减少，严重时会导致飞行器发射失败。在发动机试验中，添加Al粉的碳氢燃料，其不完全燃烧和沉积现象非常显著。
而纳米Al粉虽然具有较高的燃烧效率，但是纳米铝粉由于具有特殊表面效应，使其处于高度活化状态，易与环境中的气体、液体分子发生交互作用，使得纳米铝粒子极易被氧化失活，使其表面覆盖2～6nm氧化铝薄层，活性铝含量会随粒径减小而大幅度下降，严重影响其能量性能。
因此，如何使添加铝粉的高密度浆状燃料既具有较高的能量性能，又具有较好的燃烧性能是本领域科研工作者需要解决的重点与难点。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种高能量密度浆状燃料及其制备方法，燃料具有密度大、能量高、点火、燃烧性能优异，燃烧产物残渣量少等特点，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
第一方面，一种高能量密度浆状燃料，包括如下质量百分含量的组分：
铝基-金属氢化物复合燃料：3％～40％；
高密度液体碳氢燃料：53.6％～96％；
抗沉降剂：0.2％～2％；
其他性能调节剂：余量；
其中，铝基-金属氢化物是将金属氢化物弥散分布于铝粉内部的复合材料。
第二方面，一种高能量密度浆状燃料的制备方法，包括如下步骤：在混合机中按各组分配比加入高密度液体碳氢燃料、铝基-金属氢化物复合燃料、抗沉降剂、其他性能调节剂，常温下混合至均匀浆状，即得高能量密度浆状燃料。
第三方面，第一方面所述的高能量密度浆状燃料在作为发动机如冲压发动机或火箭发动机燃料方面的用途。
根据本发明提供的一种高能量密度浆状燃料、制备方法及应用，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的高能量密度浆状燃料，采用Al-LiH复合燃料替代Al 粉应用于高能量密度浆状燃料。Al-LiH复合燃料在燃烧过程中，利用LiH在略高于铝粉熔点(660℃)的温度(850℃)分解产生气体(H2)的性质，在金属凝团内部形成“微爆”效应，将大的凝团爆裂，分散成众多的Al-Li小液滴，同时H2的存在可有效提升金属粉的燃烧性能。利用Li的沸点显著低于Al的沸点的特性(Al的沸点为2327℃、Li的沸点1340℃)使Al-Li不断爆裂为更小液滴进入气相燃烧，不仅可使铝粉更充分的燃烧，还能大大减小凝相燃烧产物的尺寸，降低两相流损失；
(2)本发明提供的高能量密度浆状燃料，具有抗沉降性能好，可长期稳定存储的优点。
(3)本发明提供的高能量密度浆状燃料，与现有液体燃料相比，具有密度高(ρ20℃>0.9g/cm3)、热值高(大于38MJ/kg)、能够快速点火、高效燃烧的特点；与现有浆状燃料相比，具有快速点火、高效燃烧、燃烧产物无残渣或残渣少的优势。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
根据本发明的第一方面，提供了一种高能量密度浆状燃料，包括如下质量百分含量的组分：
铝基-金属氢化物复合燃料：3％～40％；
高密度液体碳氢燃料：53.6％～96％；
抗沉降剂：0.2％～2％；
其他性能调节剂：余量，优选为0.2％～5％；
其中，铝基-金属氢化物是将金属氢化物弥散分布于铝粉内部的复合材料。
在一种优选的实施方式中，所述铝基-金属氢化物复合燃料为Al-LiH复合燃料。Al-LiH复合燃料为由主相铝与分散相氢化锂组成的粉末，LiH的质量占比为：2％～30％。所述Al-LiH复合燃料为微米级，中值粒径D50为5～30μm。
采用Al-LiH复合燃料替代Al粉应用于高能量密度浆状燃料。Al-LiH复合燃料在宏观上为微米级，微观上LiH弥散分布于铝粉内部。Al-LiH复合燃料在燃烧过程中，利用LiH在略高于铝粉熔点(660℃)的温度(850℃)分解产生气体 (H2)的性质，在金属凝团内部形成“微爆”效应，将大的凝团爆裂，分散成众多的Al-Li小液滴，同时H2的存在可有效提升金属粉的燃烧性能。进一步地, 可利用Li的沸点显著低于Al的沸点的特性(Al的沸点为2327℃、Li的沸点 1340℃)使Al-Li不断爆裂为更小液滴进入气相燃烧，不仅可使铝粉更充分的燃烧，还能大大减小凝相燃烧产物的尺寸，降低两相流损失。
Al-LiH复合燃料通过以下方式制备得到：手套箱内称取铝粉与氢化锂，混合均匀后装入球磨罐内，密封后在球磨机内球磨，制得Al-LiH复合燃料。
本发明中所述铝基-金属氢化物复合燃料在浆状燃料中的质量百分含量为 3％～40％，若含量较低且小于上述范围的最小值，则对燃料燃烧性能的改善及能量密度的增加无显著作用；若含量较高且高于上述范围的最大值，则存在浆状燃料流动性不足、工艺加工性能差的问题。
在一种优选的实施方式中，所述高密度液体碳氢燃料为石油精馏产品或/ 和人工合成烃类，热值≥40MJ·kg-1，密度≥0.78g·cm-3。
进一步地，所述石油精馏产品选自1号喷气燃料RP-1、2号喷气燃料RP-2、 3号喷气燃料RP-3、4号喷气燃料RP-4或5号喷气燃料RP-5中的一种或多种。
进一步地，所述人工合成烃类燃料选自挂式四氢双环戊二烯或四环庚烷中的一种或两种。
在一种优选的实施方式中，所述抗沉降剂为白炭黑。白炭黑的用量对浆状燃料沉降性能及能量性能至关重要，若白炭黑的用量过高且高于2％，则影响燃料的能量性能，若白炭黑的用量过低且低于0.2％，则燃料抗沉降性能下降。
在一种优选的实施方式中，所述其他性能调节剂用于调节高能量密度浆状燃料的燃烧性能、流动性能和抗氧化性能等，选自氧化铁、辛基二茂铁、卡托辛、3-胺基-1，2，4-三唑络高氯酸铜、亚铬酸铜、草酸铵、草酸钠、草酸二乙酯、硝基甲烷、异丙醇、硝酸辛酯或硝酸异辛酯中的一种或多种。
根据本发明的第二方面，提供了一种高能量密度浆状燃料的制备方法，包括如下步骤：在混合机中按各组分配比加入高密度液体碳氢燃料、铝基-金属氢化物复合燃料、抗沉降剂、其他性能调节剂，常温下混合至均匀浆状，即得高能量密度浆状燃料。
根据本发明的第三方面，第一方面所述的高能量密度浆状燃料在作为发动机如冲压发动机或火箭发动机燃料方面的用途。
实施例
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。其中，热值按照《QGT219-2001》测定，密度按照《GJB770B-401-2》测定，残渣中活性铝含量按照《GJB1738A》测定，燃烧效率由实测热值与理论热值的比计算得出。
实施例1
(1)燃料组合物组成
Figure RE-GDA0003455146240000051
制备方法为：在5L立式混合机中按上述比例加入挂式四氢双环戊二烯、 Al-LiH、白炭黑、硝基甲烷，常温下混合45分钟至均匀浆状，即得高能量密度浆状燃料。
(2)燃料性能
Figure RE-GDA0003455146240000052
Figure RE-GDA0003455146240000061
从实施例1可以得知，实测热值＝40.5MJ·kg-1(大于38MJ·kg-1)、密度＝0.954g·cm-3(ρ20℃>0.9g·cm-3)、燃烧效率＝98％，残渣中活性铝含量＝0.02％，具有密度大、能量高、点火速度快、燃烧高效的优势。
实施例2
(1)燃料组合物组成
Figure RE-GDA0003455146240000062
制备方法同实施例1。
(2)推进剂性能
Figure RE-GDA0003455146240000063
从实施例2可以得知，实测热值＝40.9MJ·kg-1(大于38MJ·kg-1)、密度＝1.067g·cm-3(ρ20℃>0.9g·cm-3)、燃烧效率＝99％，残渣中活性铝含量＝0，具有密度大、能量高、点火速度快、燃烧高效的优势。
实施例3
(1)燃料组合物组成
Figure RE-GDA0003455146240000064
Figure RE-GDA0003455146240000071
制备方法同实施例1。
(2)推进剂性能
Figure RE-GDA0003455146240000072
从实施例3可以得知，实测热值＝38.9MJ·kg-1(大于38MJ·kg-1)、密度＝1.075g·cm-3(ρ20℃>0.9g·cm-3)、燃烧效率＝98.5％，残渣中活性铝含量＝0.05％，具有密度大、能量高、点火速度快、燃烧高效的优势。
实施例4
(1)燃料组合物组成
Figure RE-GDA0003455146240000073
制备方法同实施例1。
(2)推进剂性能
Figure RE-GDA0003455146240000074
从实施例4可以得知，实测热值＝38.4MJ·kg-1(大于38MJ·kg-1)、密度＝1.06g·cm-3(ρ20℃>0.9g·cm-3)、燃烧效率＝99.5％，残渣中活性铝含量＝0，具有密度大、能量高、点火速度快、燃烧高效的优势。
实施例5
(1)燃料组合物组成
Figure RE-GDA0003455146240000081
制备方法同实施例1。
(2)推进剂性能
Figure RE-GDA0003455146240000082
从实施例5可以得知，实测热值＝39.1MJ·kg-1(大于38MJ·kg-1)、密度＝1.153g·cm-3(ρ20℃>0.9g·cm-3)、燃烧效率＝98.9％，残渣中活性铝含量＝0.02％，具有密度大、能量高、点火速度快、燃烧高效的优势。
实施例6
(1)燃料组合物组成
Figure RE-GDA0003455146240000083
制备方法同实施例1。
(2)推进剂性能
Figure RE-GDA0003455146240000091
从实施例6可以得知，实测热值＝41.3MJ·kg-1(大于38MJ·kg-1)、密度＝1.048g·cm-3(ρ20℃>0.9g·cm-3)、燃烧效率＝99.5％，残渣中活性铝含量＝0.01％，具有密度大、能量高、点火速度快、燃烧高效的优势。
实施例7
(1)燃料组合物组成
Figure RE-GDA0003455146240000092
制备方法同实施例1。
(2)推进剂性能
Figure RE-GDA0003455146240000093
从实施例7可以得知，实测热值＝38.6MJ·kg-1(大于38MJ·kg-1)、密度＝1.067g·cm-3(ρ20℃>0.9g·cm-3)、燃烧效率＝99.2％，残渣中活性铝含量＝0.02％，具有密度大、能量高、点火速度快、燃烧高效的优势。
对比例
对比例1
燃料组合物组成
Figure RE-GDA0003455146240000101
制备方法同实施例1。
对上述浆状燃料进行沉降试验，3天后目测可见燃料分层，底部为金属粉，上层为液体燃料，可见降低AL-LiH含量不利于燃料稳定储存性能。
对比例2
燃料组合物组成
Figure RE-GDA0003455146240000102
制备方法：在5L立式混合机中按上述比例加入挂式四环庚烷、Al-LiH、白炭黑、卡托辛，常温下混合，但燃料粘度较大，粉体团聚，难以分散，未能制得均匀浆状燃料。
对比例3
燃料组合物组成
Figure RE-GDA0003455146240000103
Figure RE-GDA0003455146240000111
制备方法同实施例1。
Figure RE-GDA0003455146240000112
同实施例4相比，燃料抗沉降性能相当(一个月内均能稳定储存)，但燃料热值显著降低，燃烧效率下降，可见白炭黑过量会影响燃料的燃烧效率与能量性能。
对比例4
燃料组合物组成
Figure RE-GDA0003455146240000113
制备方法同实施例1。
对上述浆状燃料进行沉降试验，一周后目测可见燃料分层，底部为金属粉，上层为液体燃料。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种高能量密度浆状燃料，其特征在于，包括如下质量百分含量的组分：
铝基-金属氢化物复合燃料：3％～40％；
高密度液体碳氢燃料：53.6％～96％；
抗沉降剂：0.2％～2％；
其他性能调节剂：余量；
其中，铝基-金属氢化物是将金属氢化物弥散分布于铝粉内部的复合材料。
2.根据权利要求1所述的高能量密度浆状燃料，其特征在于，所述铝基-金属氢化物复合燃料为Al-LiH复合燃料。
3.根据权利要求2所述的高能量密度浆状燃料，其特征在于，所述Al-LiH复合燃料中Al和LiH的质量百分含量为：
LiH:2％～30％；
Al:余量。
4.根据权利要求2所述的高能量密度浆状燃料，其特征在于，所述Al-LiH复合燃料的中值粒径D50为5～30μm。
5.根据权利要求1所述的高能量密度浆状燃料，其特征在于，所述高密度液体碳氢燃料为石油精馏产品或/和人工合成烃类，热值≥40MJ·kg-1，密度≥0.78g·cm-3。
6.根据权利要求5所述的高能量密度浆状燃料，其特征在于，所述石油精馏产品选自1号喷气燃料RP-1、2号喷气燃料RP-2、3号喷气燃料RP-3、4号喷气燃料RP-4或5号喷气燃料RP-5中的一种或多种；和/或所述人工合成烃类燃料选自挂式四氢双环戊二烯或四环庚烷中的一种或两种。
7.根据权利要求1所述的高能量密度浆状燃料，其特征在于，所述抗沉降剂为白炭黑；和/或
所述其他性能调节剂选自氧化铁、辛基二茂铁、卡托辛、3-胺基-1，2，4-三唑络高氯酸铜、亚铬酸铜、草酸铵、草酸钠、草酸二乙酯、硝基甲烷、异丙醇、硝酸辛酯或硝酸异辛酯中的一种或多种。
8.一种高能量密度浆状燃料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在混合机中按各组分配比加入高密度液体碳氢燃料、铝基-金属氢化物复合燃料、抗沉降剂、其他性能调节剂，常温下混合至均匀浆状，即得高能量密度浆状燃料。
9.权利要求1至7之一所述的高能量密度浆状燃料在作为发动机燃料方面的用途。
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