Page 78 - 《含能之美》2019封面论文

727
Al‐FeF 3 复 合 燃 料 的 制 备 及 应 用 性 能
3
当然，Al‐FeF 复合燃料在推进剂中的能量性能表现需要
进一步更大尺寸的标准发动机进行试车研究。

4 结 论

针对铝粉在固体推进剂中燃烧中燃烧效率低、燃烧
残渣颗粒大、两相流损失大等问题，使用一种全新的材
料 FeF 作为添加剂，采用高能球磨工艺制备了 Al‐FeF 3
3
复合燃料，经过分析测试及相应的实验，结果表明：
（1）球料比 10⁘1，转速 390 r·min ，球磨时间 8 h
-1
3
的球磨工艺，5%~20% 含量的 FeF 均可以以纳米尺寸
均匀的分散在铝粉的表面及内部，在外观上保持椭球
#
#
图 9 对照组（1 和 2 ）与实验组（3 和 4 ）试车后发动机壳体内 形状，可以使固体推进剂保持了一个比较好成药工艺
#
#
部照片 性能，满足固体推进剂使用要求。
Fig.9 Photos of the internal engine shell of the control group （2）当FeF 的加入量仅为5%时，复合燃料在1400 ℃
3
#
#
#
（1 and 2）and the experimental group（3 and 4）after the test 以 下 可 实 现 最 大 增 重 65%，且 Al‐FeF 复 合 燃 料（5%
#
3
3
FeF）的着火点由球型Al粉的2054 ℃下降到1018.6 ℃。
3
第一，通过高能球磨方法将 FeF 作为添加剂嵌入
3
（3）端燃 75 发动机试车数据，Al‐FeF 复合燃料对燃
3
Al 粉中，可以形成氧化剂 FeF 和还原剂 Al 粉构成的亚
速无较大影响，与普通球形铝粉 Q1对比，试车发动机壳
稳态分子间复合燃料，大大缩短了两种组分间的传质
体内部无较大铝粉熔融残渣，残渣率从 6.151%（对照组
距离，可以大幅度的提高燃烧过程中的反应速率。
两发平均值）下降到 4.215%（实验组两发平均值）。
3
第二，在高能球磨的作用下，大多数的 FeF 在微观
3
因此，通过高能球磨法制备的 Al‐FeF 复合燃料有
结构上以纳米尺寸分布于铝粉的表层，破坏了铝粉表
助于解决 Al 粉在推进剂中不完全燃烧的问题，在固体
面氧化层的完整性，有利于铝粉被氧化。当铝粉高于
推进剂降低燃烧残率，减少发动机两相流损失方面有
3
熔点时，铝粉与 FeF 发生氧化还原反应，促使铝粉的氧
着潜在的应用价值。
化向内部渗透。同时，高能球磨的作用可以将一部分
机械能在球磨的过程中储藏在晶格缺陷中，也将在铝
参考文献：
粉燃烧过程中释放出来。 ［1］ Geisler R，A global view of the use of aluminum fuel in solid
rocket motors［C］//Proceedings of the 38th AIAA/ASME/SAE/
3
第三，Al‐FeF 复合燃料在燃烧过程会发生如下氧
ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit，Indianapolis，
化过程： 2002，3748：2002-2008.
Al + FeF = AlF + Fe, ΔH = -1960 kJ·mol -1 （a） ［2］ Deluca L T，Galfetti L，Colombo G，et al. Microstructure ef‐
3
3
fects in aluminized solid rocket propellants［J］. Journal of Pro⁃
传统的铝热剂在燃烧过程会发生如下氧化过程：
Al + Fe O = Al O + Fe, ΔH = -851 kJ·mol -1 （b） pulsion and Power，2010，26（4）：724-732.
2
3
3
2
［3］ 王宁飞，苏万兴，李军 ，等 . 固体火箭发动机中铝粉燃烧研究概
［22］
3
3
2
与常用于改善燃烧的 Fe O 相比 ，使用 FeF 代替 述［J］. 固体火箭技术，2011，1（34）：61-66.
3
2
3
Fe O 其放出的热量多出 130%。而生成的 AlF 其沸点 WANG Ning‐fei，SU Wan‐xing，LI Jun. A survey of study on
仅为 1272 ℃，远低于火箭发动机的燃烧室温度 3000 ℃ aluminum combustion in solid rocket motors［J］. Journal of Sol⁃
id Rocket Technology，2011，1（34）：61-66.
3
左右，因此生成的 AlF 时以气体的形式流出发动机喷管，
［4］ 严启龙，张晓宏，李宏岩，等 . 固体推进剂中铝粉氧化过程及其燃
烧效率影响因素［J］.化学推进与高分子材料，2011，4（9）：20-26.
不会产生两相流损失。同时在火箭发动机燃烧室内铝粉
YAN Qi‐long，ZHANG Xiao‐hong，LI Hong‐yan，et al. Oxida‐
3
2
3
3
2
燃烧生成的 Al O 的沸点高达 2970 ℃，AlF 与 Al O 形
tion process of aluminum powder in solid propellant and influ‐
2
3
成共沸，会降低 Al O 的沸点，有利于降低铝粉燃烧残渣。
ence factors in its combustion efficiency［J］. Chemical Propel⁃
3
产物 AlF 的升华有可能使复合粉体会破裂为更小尺寸的 lants ＆ Polymeric Materials，2011，4（9）：20-26.
［5］ Yetter R A，Risha G A，Son S F. Metal particle combustion and
3
颗粒，有利于降低燃烧残渣尺寸。FeF 的添加虽然会带
nanotechnology［J］. Proc. Combust. Inst. 2009，32：1819-1838.
来铝粉热值的降低，但铝粉燃烧效率的提升和两相流损
Yetter R A，Risha G A，Son S F. Metal particle combustion and
3
失的降低可以抵消添加 FeF 带来热值降低的负面影响，
nanotechnology［J］. Proceedings of the Combustion Institute，
3
因此 Al‐FeF 复合燃料有希望提高推进剂的能量发挥。 2009，32（2）：1819-1838.
CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2019 年 第 27 卷 第 9 期 （720-728）