2. 国家民用爆破器材质量监督检验中心, 江苏 南京 210094
2. National Supervision and Inspection Center for Industrial Explosive Materials, Nanjing 210094, China
金属粉具有较高的燃烧热值, 因此常作为高能固体推进剂和各种含能金属添加剂[1-5]。Al粉作为常见的含能金属粉之一, 具有燃烧热值高、燃烧温度高、成本低等优点, 广泛应用于烟火、固体推进剂、火炸药以及火工药剂之中。因此国内外学者对Al粉的燃爆特性进行了深入研究[6-10]。
与Al粉相比, B粉具有更高的质量热值(58810 J·g-1), 是Al粉热值的1.9倍, 但其难以点燃的特性却影响了B粉在推进剂中的应用[11]。Young G等[12]认为B颗粒表面的氧化层影响了B粉颗粒的燃烧, 并对B粉燃烧过程进行了研究分析。Ulas A等[13]在CH4/NF3/O2/N2等气体的存在下对B粉的燃烧机理进行了研究。Foelsche R O等[14]分析了不同压力下B粉的点火温度、点火延时和燃烧过程。
因此, 若要提高B粉的燃烧效率, 降低其最小点火能, 进而提高固体推进剂的燃烧效率、增加其比冲, 则需要向B粉中添加一定量的、高活性的助燃剂[15]。张勤林等[16]通过向B粉中添加镁粉来提高B的燃烧效率, 但效果有限。在一些火炸药、乳化炸药和金属燃料中添加MgH2可以有效地提高炸药的敏感程度, 提高混合物的燃烧效率, 降低其点火能量[17]。Khalil Y F[18]对一些金属氢化物NaAlH4、AlH3、LiBH4、MgH2的最小点火能进行了测试。Chen Y等[19]对新型含氢合金的粉尘爆炸特性进行了研究, 结果表明MgH2的添加能够有效地降低合金的最小点火能。但是从金属混合物组分的角度分析MgH2含量对金属混合物的最小点火能的影响的研究却少见报道, 因此有必要对不同组成金属混合物的最小点火能进行测试, 分析不同MgH2含量对金属混合物的最小点火能的影响。
本研究利用1.2 L Hartmann管系统测试了Al粉、B粉、MgH2及其混合物的最小点火能, 分析了MgH2含量对Al-MgH2、B-MgH2及Al-B-MgH2金属混合物的最小点火能的影响规律, 为高能含氢金属混合燃料的配方研究提供参考。
2 实验部分 2.1 试验样品Al粉、B粉、MgH2粉均购于天元化工, 含水量均低于1%。用Malvern Mastersizer 2000激光粒度分析仪对Al粉、B粉、MgH2进行了粒度分析, 结果如图 1所示。根据粒度分析结果可知, Al、B、MgH2三种金属粉的大部分颗粒直径均在0~10 μm, 中位径分别为5.762, 1.670, 3.250 μm。
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图 1 Al、B、MgH2粉尘的粒径分布图 Fig.1 Particle size distribution of dusts particles of Al, B, MgH2 powders |
对Al、B、MgH2三种金属粉采用机械混合的方式进行处理, 按照不同的组分比例将三种金属粉进行混合形成Al-MgH2、B-MgH2二元金属混合物以及B-Al-MgH2三元金属混合物, 对其进行最小点火能的测试。
2.2 Hartmann管最小点火能测试装置利用MIKE 3型Hartmann管最小点火能测试装置, 根据ASTM: E2019标准对Al粉、B粉、MgH2及其混合物进行最小点火能的测试[20]。实验装置如图 2所示, 由一个体积为1.2 L的竖直燃烧管、高压分散系统、点火系统、控制系统组成。
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图 2 Hartmann管最小点火能测试装置 1—燃烧管, 2—点火电极, 3—喷嘴, 4—粉尘喷射阀, 5—储气罐, 6—进气阀 Fig.2 Hartmann tube apparatus for measuring the minimum ignition energy(MIE) 1—combustion tube, 2—ignition electrodes, 3—nozzle, 4—powder injection valve, 5—gas tank, 6—air inlet valve |
称取一定量的样品放在Hartmann管底部的喷嘴周围, 然后通过高压气流将样品吹起, 形成均匀的粉尘云, 最后通过Hartmann管中下部的电极释放出电火花将粉尘云点燃。粉尘云的最小点火能Emin位于连续10次试验均未点燃的最大能量值E1和连续10次试验中至少有一次点燃的最小能量值E2之间, 即: E1＜Emin＜E2
本试验在在环境温度为(23±1) ℃, 湿度为30%、点火延时为60 ms、喷粉压力为0.7 MPa, 电极两端充电电压为8 kV, 电极间隙为6 mm的条件下, 对Al粉、B粉、氢化镁及三者不同比例的金属混合物进行最小点火能的测试。
3 结果与讨论 3.1 Al、B、MgH2的最小点火能对Al、B、MgH2的最小点火能进行试验, 其结果见表 1。由表 1可以看出, MgH2的最小点火能最小, B粉的最小点火能最大, Al粉的最小点火能介于二者之间。
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表 1 Al、B、MgH2金属粉的最小点火能 Tab.1 The MIE of Al, B and MgH2 powders |
金属粉的最小点火能量与其燃烧机理息息相关, 反应活性越高, 越易于点燃, 其最小点火能也越低[21]。
MgH2在燃烧过程中, 释放出的H2与氧气发生反应, 而气体反应的速度、温度均要高于固体粉尘颗粒, 进一步加快了整体的反应速度, 最终形成火焰, 并传播下去。MgH2的燃烧效率最高, 因此其最小点火能最小。
Al粉颗粒表面有一层Al2O3的薄膜覆盖, 电极两端产生的电火花释放热量首先将Al2O3层液化, 氧气便可以通过液化膜与Al粉颗粒内核进行反应; 随着温度的升高, Al2O3薄膜、Al核开始气化, 与氧气反应产生火焰, 进一步提高了反应区域的温度, 加速了粉尘的分解, 促进了火焰的传播, 因此Al粉的最小点火能相对较低。
B粉燃烧的过程可以分为两个阶段[22]:第一个阶段B粉主要依靠热对流与热辐射进行加热, 直至氧化层由固态转化为液态并蒸发为气体; 第二个阶段则是裸露的B粒子直接与氧化物进行反应。但B粉因其表面的B2O3氧化薄膜和B粉颗粒具有较高的气化温度, 分别为2043 ℃和3658 ℃; 同时HBO2的生成, 降低了燃烧过程所释放的能量[23], 因此B粉无法点燃, 故其最小点火能最大。
3.2 Al-MgH2与B-MgH2二元混合金属粉的最小点火能Al-MgH2与B-MgH2二元混合金属粉的最小点火能测试结果见表 2。
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表 2 Al-MgH2与B-MgH2二元混合金属粉的最小点火能 Tab.2 The MIE of binary metal powder mixtures Al-MgH2 and B-MgH2 |
由表 2可知, 随着MgH2含量的增加, 两种混合金属粉的最小点火能均有不同程度的降低。MgH2对金属混合物点火能的影响机理可能为:在点火过程中, Al、B颗粒发生燃烧反应的区域温度随时间逐渐升高, 进而形成一个高温区域, 即为热点[24]。MgH2在反应过程中释放的氢气进入热点之后, 达到爆炸极限即发生爆炸, 产生的高温又提高了粉尘颗粒的反应速率, 释放出更多热量。因此MgH2与Al、B之间的相互作用在不同程度上降低了Al-MgH2与B-MgH2混合金属粉的最小点火能。
由此可见, MgH2作为金属添加剂对Al粉、B粉的点燃均有促进作用, 能降低其点火能量, 但MgH2含量对B粉最小点火能量的影响要大于Al粉。
3.3 Al-B-MgH2三元混合金属粉的最小点火能Al-B-MgH2三元混合金属粉的最小点火能测试结果见表 3。由表 3可知, 三种金属的比例不同, 相对应的最小点火能量差异很大。三元混合金属粉中B含量较高时, 其最小点火能较大。这是因为金属粉颗粒与氧气反应释放出的热量被周围的B粉颗粒吸收, 最终导致混合金属粉的最小点火能量较高, 甚至于无法点燃。而随着混合物中B粉含量的降低, 电极放电时所释放的能量能够更多地被Al粉或者MgH2所吸收, 因此三元混合金属粉的点火能量也随之降低。
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表 3 Al-B-MgH2三元混合金属粉的最小点火能 Tab.3 The MIE of ternary metal powder mixture Al-B-MgH2 |
在相同的B含量下, 随着Al含量的减少以及MgH2含量的增加, 三元混合金属粉的最小点火能也随之降低。这是由于反应过程中有更多的氢气释放到Al粉颗粒燃烧所形成的热点之中, 氢气发生爆炸并产生更高的温度以及释放更多的热量, 通过热辐射和热对流传递给B粒子, 极大地促进了B粉颗粒的燃烧, 点火能量也随之降低。
4 结论(1) Al粉和MgH2的燃烧效率要远高于B粉, 最小点火能较低, 分别为80~100 mJ、10~20 mJ; 而硼粉因其表面的氧化层而难以点燃, 其最小点火能大于1000 mJ。
(2) 随着金属混合物中MgH2含量的增加, Al-MgH2、B-MgH2二元混合金属粉的最小点火能均有不同程度的降低, 分别由MgH2含量为10%时的50~70 mJ、大于1000 mJ, 降低到30%时的10~20 mJ、480~500 mJ。
(3) Al-B-MgH2三元混合金属粉的最低点火能随着金属混合物中硼含量的降低而降低, 由硼含量为25%时的700~800 mJ减少到10%时的20~30 mJ; 并且硼含量一定时, MgH2含量越高, 最小点火能量越低。
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The minimum ignition energy (MIE) of Al, B and MgH2 were determined and investigated by the 1.2L Hartmann tube apparatus, and the effect of MgH2 content on the MIE of binary metal mixtures, Al-MgH2 and B-MgH2, was studied. The MIE of ternary metal mixture Al-B- MgH2 was also researched under the conditions of different boron and MgH2 contents.