目前,改进硼粉燃烧性能的主要途径有:硼粉的表面包覆;预先将硼粉加入到有机高分子中进行造粒,然后常规制药;在推进剂中加入低燃点金属(如铝、镁等)或硼与金属化合物;改进发动机的结构等。
1.2 硼粉的表面包覆
选取硼粒子表面包覆的包覆剂应考虑以下三点:
1.2.1 降低硼的燃点
有关硼粉燃烧的研究表明[3],硼的点火温度相当高,约为1950K。因此,应着眼于降低硼的燃点以提高硼粉的燃烧性能。相关试验表明,通过对硼粒子的表面进行包覆,可有效地降低硼的燃点。此外,硼的金属化合物如硼化钛(TiB2)、硼化镁(MgB2)、硼化锆(ZrB2)等的燃点较低,可部分代替配方中的硼粉,以提高硼粉的点火及燃烧性能。
1.2.2 硼颗粒表面除膜
硼颗粒燃烧可分两个阶段进行,首先当硼颗粒温度达到1800~2000 K时,开始发光,然后变暗;当周围环境温度达到足够高时,硼颗粒再次燃烧,产生明亮的羽状火焰。第一个阶段主要是硼颗粒表面的氧化过程,氧化硼(B2O3)膜层厚度逐渐增加,B2O3的熔点较低(460℃[4],450℃[5]),但是沸点较高(1860℃)[4],故液态的B2O3较难挥发,紧密地附着于硼颗粒的表面,对氧气的渗透以及扩散形成了较大的阻力。当环境温度达到相当高时,表层的液态氧化物B2O3(l)的粘度也随之降低,并且开始加速挥发,氧气的扩散阻力降低,即发生第二个阶段的羽状燃烧。
因此,如果能通过化学反应除去硼颗粒的表层氧化膜,则可有效地提高硼颗粒的点火及燃烧性能。氧化硼为酸性氧化物,可与氢氧化钠等作用,降低其粘稠性,但是相容性并不好。比较有希望的是LiF和(PVDF),LiF可与B2O3作用,生成的产物为气态,可挥发,因次达到了较好的除膜效果[6]。聚偏氟乙烯在500℃左右分解放出HF,而HF则可进一步跟B2O3作用:6HF+B2O3→2BF3+3H2O。但目前PVDF不易获得。
1.2.3 提高燃温
氧化硼的熔点低,但沸点高,故液态氧化硼只有达到足够高的温度才能挥发。提升燃烧温度可加快液态氧化硼的挥发,使硼与氧气的反应得以持续进行。因此,可以选用含能物质包覆硼粉,这主要有两大类:a)氧化剂,如AP、KP、硝酸钾(KN)等。氧化剂分解放出的活性氧促使部分硼燃烧,因而提高了燃温;b)含叠氮基的化合物,如NaN3、GAP等。GAP是高能量、高密度的叠氮基缩水甘油聚合物,叠氮基(一N3)分解时释放出大量的热,可用来加热硼颗粒,使其达到足够高的温度。叠氮化物的一个显著特点是分解时不产生氧,因而在一定程度上可以减少硼颗粒表层的氧化膜的生成。
1.3 研究进展
1.3.1 贫氧推进剂
贫氧推进剂有称之为富燃料推进剂,其对氧化剂的要求是:有效含氧量高、生成焓高、密度大、物理安定性好、与粘合剂相容性好、气体生成量大等等;对粘合剂的选择准则是:燃烧热值高、较强的容装固体组分能力和制造容易;对金属添加剂的要求是:高燃烧热和较高密度。贫氧推进剂的燃烧特性是:其燃烧具有不稳定性、点火困难、燃烧缓慢、燃烧不完全等。贫氧推进剂可分为不同类型,可按能量大小可分为中能和高能(贫氧推进剂),也可按添加的燃料不同来分为铝镁、含硼和碳氢(贫氧推进剂)。贫氧推进剂主要应用在冲压发动机方面,随着冲压发动机的技术要求的不断提高,贫氧推进剂也不断地得到了发展。我国研制贫氧推进剂主要从上世纪70年代开始,目前来说,含硼高能贫氧固体推进剂也得到了长足的发展。
1.3.2 含硼贫氧推进剂
1)一次喷射效率
如果固体燃料冲压发动机采用含硼贫氧推进剂时,其在燃气发生器中主要靠粘合剂和氧化剂的相互反应来文持燃烧,而硼粒子却基本上不参与反应,仅仅是不断地吸热,充分预热,来为喷射到补燃室内点火创造条件。因此,需要燃气发生器中的燃温必须保持在足够高的温度。为了能够让含硼贫氧推进剂在发动机中发挥其真实的热值,首先要保证的就是要求一次喷射效率足够高。此外,含硼贫氧推进剂也有一个最低限度的氧化剂含量,因为随着氧含量的增加,一次喷射的效率也会随之增加,但是能量值(热值)却会随之降低。而若氧化剂含量低于一定限度时,会导致碳氢燃料的严重不完全燃烧,导致积碳,从而降低了一次喷射效率,严重的话,则可能导致自燃。
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