Page 71 - 《含能之美》2019封面论文

720 朱朝阳，张思，夏德斌，唐泉，邱贤平，杨玉林，范瑞清

文章编号：1006‐9941（2019）09‐0720‐09

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Al⁃FeF 复合燃料的制备及应用性能
1，2，3 3 1 3 2，3 1 1
朱朝阳 ，张 思 ，夏德斌 ，唐 泉 ，邱贤平 ，杨玉林 ，范瑞清
（1. 哈尔滨工业大学化工与化学学院 新能源转换与存储关键材料技术工业和信息部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001；
2. 航天化学动力技术重点实验室，湖北 襄阳 441003；3. 湖北航天化学技术研究所，湖北 襄阳 4410031）

摘 要： 针对固体推进剂在改进铝粉燃烧性能方面的迫切需要，以铝粉为基材，FeF 3 作为添加剂，采用高能球磨法制备 Al‐FeF 3 复合
燃料。通过研究粉末配比、球磨参数等对铝基复合燃料组织、结构以及热性能等的影响，优化制备工艺，获得平均粒径为微米级的铝
基复合燃料。热重‐差示扫描量热联用技术（TG‐DSC）表明，Al‐FeF 3 复合燃料在氧化过程中，可以实现较低温度下（600~1400 ℃）的
快速氧化。端燃 75 发动机试车表明，使用 Al‐FeF 3 复合燃料全部取代普通球形铝粉后发动机壳体内部无较大铝粉熔融残渣，残渣率
从 6.151% 下降到 4.215%。结果表明，Al‐FeF 3 复合燃料有助于解决 Al 粉在推进剂中不完全燃烧的问题，在降低燃烧残渣率，减少
发动机两相流损失方面有着潜在应用价值。
关键词：金属燃料；铝粉改性；高能球磨；铝粉凝结；固体推进剂
中图分类号：TJ76；O61 文献标志码：A DOI：10.11943/CJEM2018362

覆、球磨法以及合金法制备铝基复合燃料等技术途径来
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引 言
解决该问题。纳米铝粉由于其尺寸小，燃烧受动力学控
制，与微米级的球型铝粉燃烧受扩散控制不同，其燃烧时
铝粉因高密度、低耗氧量和高燃烧焓的优点，对提
间极短，不会出现’烧结‐熔化‐燃烧‚的过程，纳米铝粉的
燃烧相较于微米铝粉燃速可提高 100% ［5-7］ 。但是纳米铝
高固体推进剂比冲有显著作用，另外因其原材料丰富、
成本低，作为金属燃料广泛应用于各种固体推进剂中。
粉存在着成本高，活性物质低（大约含有 10%~25% 的氧
但由于铝粉着火温度高于其熔点（660 ℃），铝粉燃烧
［8］
化层），表面层占比非常大，长期储存会不断氧化 。而
前会在推进剂表面熔化形成液态的铝滴并凝结成大粒
且，这种表面层非常大的特点使得纳米铝粉难以润湿，以
径的铝凝团，这种较大粒径液相含铝凝团在燃烧流场
［9］
其制成的推进剂药柱常常力学性能不佳 。目前广泛采
的作用下，会导致发动机出现二相流损失、熔渣沉积和
［10-11］
用的纳米 Al 粉包覆技术 也存在一定的不足。包覆
绝热层烧蚀加剧等现象，严重的影响铝粉能量的完全
纳米 Al粉不能长时间保持高活性，有效 Al含量降低，对
［1-2］
发挥 。尤其严重的是，未充分燃烧的液态铝滴还会
提高含铝固体推进剂的燃烧效率和能量性能的作用有
对火箭发动机的结构产生较严重的负面影响，这种热
限。采用高能球磨技术对铝粉进行球磨改性，通过高能
球磨作用，将易于氧化燃烧的金属例如 Zn ［13］ 、Fe ［14］
粒子积聚在火箭发动机内壁、喷管处使这些部位热失
［3-4］ 、
Ni ［15］ ，或非金属材料聚四氟乙烯（PTFE） 、聚乙烯（PE）
效，严重时甚至导致飞行失败 。
［16］
为了解决铝粉不完全燃烧的问题，国内外对铝粉进
作为添加物与 Al粉形成铝基的复合燃料，添加物在球磨
行改性进行了大量的研究，主要采用了纳米铝粉、铝粉包
作用下，嵌入纳米级的添加物颗粒与微米级的铝粉母体
收稿日期：2018‑12‑24；修回日期：2019‐02‑21 之间形成紧密结合，不会在后期的推进剂混合、浇注等工
网络出版日期：2019‐05‐31 序脱落，用于降低铝粉着火点，提高铝粉的燃烧效率，降
基金项目：装备预研航天科技联合基金（6141B06260201）
低铝粉燃烧残渣，已取得了很好的效果。
作 者 简 介 ：朱 朝 阳（1972-），男 ，研 究 员 ，主 要 从 事 含 能 材 料 合 成 研
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本研究采用一种全新的材料 FeF 作为添加剂，使
究。e‐mail：zhuzhaoyang1101@163.com
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用高能球磨工艺制备 Al‐FeF 复合燃料，用以改善铝粉
通 信 联 系 人 ：杨 玉 林（1969-），男 ，教 授 ，主 要 从 事 含 能 材 料 合 成 研
究。e‐mail：ylyang@hit.edu.cn 的 燃 烧 性 能 。 初 步 探 索 了 粉 末 配 比 、球 磨 参 数 等 对
引 用 本 文 ：朱 朝 阳 ,张 思 ,夏 德 斌 ,等 . Al⁃FeF 3 复 合 燃 料 的 制 备 及 应 用 性 能 [J]. 含 能 材 料 ,2019,27(9):720-728.
ZHU Zhao⁃yang, ZHANG Si, XIA De⁃bin,et al. Preparation and Application Performance of Al⁃FeF 3 Composite Fuel[J]. Chinese Journal of Energetic Materials
（Hanneng Cailiao）,2019,27(9):720-728.
www.energetic-materials.org.cn
Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.27, No.9, 2019（720-728） 含能材料