镁基水反应金属材料制备及其水反应活性

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1、镁基水反应金属材料制备及其水反应活性１９７文章编号：１００６９９４１（２０１４）０２０１９７０５镁基水反应金属材料制备及其水反应活性孙倩，郭晓燕，邹美帅，杨荣杰，黄海涛（北京理工大学材料学院，北京１０００８１）摘要：提高镁粉与海水的反应效率和速率，在惰性氛围下，采用高能球磨法通过多次变速循环工艺制备得到了镁基水反应活性材料。通过扫描电子显微镜（ＳＥＭ）、热重（ＴＧ）、比表面测试等分析表征了材料的微观结构和氧化性能。采用自主设计的金属／水反应装置，实时记录镁基水反应金属材料与海水反应产生的氢气量。研究了镁基水反

2、应活性材料的活性。结果表明，高能球磨能大幅提高镁基材料与海水的反应活性。镁粉经过球磨后，反应效率达到了８０．５％。球磨过程中催化剂的添加能进一步提高镁基－１－１水反应材料的活性。反应总产率能够达到９１．１％，其快速期氢气产生反应速率为７４１ｍＬ·ｍｉｎ·ｇ。关键词：物理化学；高能球磨；镁基水反应材料；水反应活性；催化剂中图分类号：Ｖ５１２；Ｏ６４文献标志码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６９９４１．２０１４．０２．０１４量，可作为水冲压发动机的燃料。１　引言在水反应金属燃料研究方面，俄罗斯、德国、

3、日本、美国等国家的研究人员自２０世纪７０年代起就开展水冲压发动机是一种新型的动力装置，它可利用从［５］了大量的基础性工作。Ｇｏｒｂｕｎｏｖ等研究了Ａｌ粉、航行器外部进入发动机的海水作为金属基燃料燃烧的Ｍｇ粉与水的燃烧反应性能。研究发现，金属／水混合主氧化剂，显著降低了燃料配方中的氧化剂含量，提高物的燃烧性能与金属粉末氧化反应的难易程度有关，了配方中金属的装填量，从而大幅度提高了水冲压发动［１］而水的聚集状态（凝聚相或气相）不影响金属粉末的机的比冲。水反应金属燃料作为水冲压发动机的主［６－８］氧化程度。大量的研究表明

4、，限制金属／水反应效燃料，其蕴藏的绝大部分化学潜能是在金属与水反应［２］率和速率的一大瓶颈就是金属表面生成的致密氧化物的过程中释放出来的。水冲压发动机的关键技术层，因此，国内外许多学者致力于从加入添加剂和包覆之一是水反应金属燃料与水能迅速充分反应，这是该［３］金属表层的形式，以期破坏金属表层的氧化层，从而提类发动机高效燃烧和高效能量转换的基础和核心。［９］［４］高金属／水反应效率和速率。Ｖａｓｉｌｅｖ等研究了加入可用于水反应金属燃料的金属性物质一般有某些特定的添加剂对Ａｌ／ＨＯ混合物燃烧的影响。在铍（Ｂｅ）、铝（Ａ

5、ｌ）、镁（Ｍｇ）、锂（Ｌｉ）等活性金属，其中２Ａｌ／ＨＯ混合物和Ｍｇ／ＨＯ混合物中，加入１～５％的Ｂｅ的能量密度最高，但是毒性较大且价格较高；Ｌｉ的２２ＫＦ、ＮａＦ、ＬｉＦ、ＡｌＦ、ＮａＯＨ，发现这些添加剂能提高能量密度低，储存困难；因此常用于水反应金属燃料３Ａｌ／ＨＯ混合物的点火性能；点火和燃烧性能提高是的金属为Ａｌ和Ｍｇ，Ａｌ的能量密度较Ｍｇ稍高，但Ａｌ２表面生成的十分致密的氧化层导致Ａｌ与水的反应较由于ＮａＦ和ＫＦ与水反应大量放热，同时与金属粉末难启动；Ｍｇ是一种能量密度较高、点火温度低及燃烧表面的氧化膜反应

6、生成络合物，破坏了氧化膜，使水易［１０］性能好的金属燃料，理论和实验研究均表明［５］，利用于渗透到金属表面与金属发生反应。刘冠鹏等采用金属Ｍｇ与水反应时，可产生大量的气体和较高的能多层包覆的方法对Ｍｇ粉进行表面改性处理。首先进行无机物包覆，以提高镁与水反应的活性；进而用收稿日期：２０１３０７０８；修回日期：２０１３１０１７ＨＴＰＢ进行二次包覆，提高镁粉贮存稳定性。并在低温基金项目：总装火炸药预先研究项目（４０４０６０１０）条件下，研究了镁粉包覆的效果，发现经过处理后镁粉作者简介：孙倩（１９９０－），女，硕士

7、研究生，主要从事镁基含能材料水反应研究。ｅｍａｉｌ：ｓｕｓａｎ＿ｓｕｎ９２３＠１６３．ｃｏｍ的贮存稳定性、与水反应速率和反应程度均得到提高。通信联系人：邹美帅（１９８２－），讲师，硕士生导师，主要从事高能水反应采用高能球磨制备高活性水反应金属燃料，能够金属燃料推进剂研究。ｅｍａｉｌ：ｚｏｕｚｏｕ１２１１＠ｂｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ快速有效地提高金属／水反应效率，被认为是一种有前ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＮＥＲＧＥＴＩＣＭＡＴＥＲＩＡＬＳ含能材料２０１４年第２２卷第２期（１９７－２０１）１９８孙倩，郭晓燕，邹美

8、帅，杨荣杰，黄海涛［１１－１５］［１６］途的金属活化方式。ＺＯＵ等使用高能球磨比理论产氢量即为体系产率；通过研究镁／水反应产机球磨得到高活性镁粉和镁铝合金粉，大大提高了金氢（ｖｔ）曲线发现，镁基材料与海水的反应过程可分为属与海水反应的能力，其中，球磨４ｈ的镁铝合金粉产快速反应期和缓慢反应期两个阶段，为了评价活性材－１－１氢速率为３９７ｍＬ·ｍｉｎ·ｇ，产氢