Page 73 - 《含能之美》2019封面论文

722 朱朝阳，张思，夏德斌，唐泉，邱贤平，杨玉林，范瑞清

割成小尺寸的多层复合颗粒，颗粒的长径比减少并接 于助磨剂硬脂酸。根据高能球磨作用原理，在球磨作
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近于 1，Al‐FeF 复合燃料最终形成接近于椭球形的颗 用下，大部分 FeF’嵌入‚复合燃料的表面，还有少部分
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粒，添加剂 FeF 以形态分布在铝粉的表层及内部。 的 FeF 在球磨过程中被’包裹‚在复合燃料内部。与球
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作为固体推进剂燃料使用，显然 8 h 的球磨工艺可 形铝粉性比，Al‐FeF 复合燃料的铝表面并没有被氧化
以获得更好的推进剂工艺性能，因此固定了球磨料比 层完全包覆，这种大量均匀分散的纳米级的 FeF 在尺
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10⁘1，转速 390 r·min ，球磨时间 8 h的工艺。图 2为此 寸要比数十微米的球形铝粉小得多，破坏了铝粉氧化
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工艺下不同含量 FeF 的 Al‐FeF 复合燃料的扫描电镜图， 层的完整性，在发生燃烧时可迅速与铝粉发生氧化还
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从图 2 可以看出，当 FeF 含量为 5%~20% 时，均能够实 原反应，并可将氧化还原反应传递至铝粉内部，改变了
现薄片复合物的多层复合，且均断裂为细粒度的复合物
铝粉在推进剂中的燃烧氧化模式。另外，在球磨的过
颗粒，复合物的颗粒粒度都在 30 μm 以下。说明在该工
程，机械能的作用使铝粉产生的大量应力、应变、缺陷、
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艺条件下 FeF 与 Al 经过长时间高能球磨，Al‐FeF 复合 和纳米相界、晶界，从而使一部分机械能在球磨的过程
燃料能够以类方形或椭球形的颗粒状的形态存在，避免
中储藏在晶格缺陷中，在铝粉燃烧过程中释放出来。
了影响固体推进剂工艺性能片状铝粉的出现。
表 1 不同 FeF 3 含量下 Al‐FeF 3 复合燃料的表面元素组成
Table 1 Surface element compositions of the Al‐FeF 3 powders
with the variation of FeF 3
content/%
fuel type
C O F Al Fe
9.53 3.46 2.03 80.71 2.71
Al‐5% FeF 3
9.75 3.32 3.72 78.02 5.19
Al‐10% FeF 3
9.09 3.14 5.40 74.44 7.93
Al‐15% FeF 3
10.93 3.23 7.07 68.08 10.68
Al‐20% FeF 3
a. 5% FeF 3 b. 10% FeF 3
3.2 Al⁃FeF 3 复合燃料的 XRD 结构表征
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Al‐FeF 复合燃料在球磨过程中会不断生成活性
较高的新鲜表面，同时随着粒度不断细化，比表面积不
断增加，为了确保安全和抑制铝粉的氧化，在试验过程
中使用氮气进行保护。图 4 为不同 FeF 含量的 Al‐FeF 3
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复 合 燃 料 的 XRD 图 谱 ，由 图 4 可 以 看 出 ，2θ 为
38.606°、44.925°、65.293°出现了 Al 的衍射峰，2θ 为
c. d.
15% FeF 3
20% FeF 3
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23.854°出现了 FeF 的衍射峰。除此之外，并未出现新
图 2 不同含量 FeF 3 下 Al‐FeF 3 复合燃料的 SEM 的衍射峰，说明 Al 与 FeF 为纯物理的’嵌入‚作用，整
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Fig.2 SEM pictures of the Al‐FeF 3 powders with the variation
个球磨过程并未发生反应或合金化作用，整个体系在
of FeF 3
球磨处理工程中并无能量的提前损失。
图 3 为 不 同 FeF 含 量 的 Al‐FeF 复 合 燃 料 的 EDS 3.3 理论计算
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分 层 图 ，由 图 3 可 以 看 出 ，即 使 FeF 的 含 量 增 加 到 采用热力学计算软件 Real对 Al‐FeF 复合燃料对推
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20%，FeF 在 Al 粉表面及内部保持分散均匀。同时以 进剂的理论比冲、火焰温度、燃烧产物等的影响进行理
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FeF 为添加剂制备的 Al‐FeF 复合燃料在宏观结构上 论计算。计算中推进剂基本配方各组分含量：端羟基聚
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是微米级的，但在微观结构上 FeF 以纳米尺寸非常均 丁二烯（HTPB）为 0.14，高氯酸铵（AP）为 0.71，Al 粉为
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匀的分散在铝粉的表面及内部。 0.15，并计算 Al‐FeF 复合燃料逐渐取代 Al 粉的推进剂
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表 1 为 通 过 EDS 能 谱 表 征 的 不 同 FeF 含 量 的 理论性能。燃烧室压强 6.86 MPa，外部压强 0.1 MPa。
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Al‐FeF 复合燃料表面各元素含量百分比（FeF 含量为 FeF 组分对推进剂理论比冲、火焰温度和燃烧产
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5% 时，表面层 FeF 占比 4.74%；FeF 含量为 20% 时， 物分子量的影响如图 5a 和 5b 所示，由图 5 可知，随着
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表面层 FeF 占比 17.75%），其中，碳元素含量主要来自 FeF 含量的增加，推进剂理论比冲降低，燃烧火焰温度
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Chinese Journal of Energetic Materials，Vol.27, No.9, 2019（720-728） 含能材料