高能镁基水反应金属燃料推进剂研究

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1、中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540高能镁基水反应金属燃料推进剂研究作者姓名黄海涛学院名称材料学院指导教师李云凯教授答辩委员会主席谭惠民教授申请学位工学博士学科专业材料科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月AStudyonHighEnergyofMg-basedHydro-reactiveMetalFuelPropellantCandidateName:HuangHaiTaoSchoolorDepartment:MaterialFacultyMentor:Prof.LiYunKaiChair,ThesisCom

2、mittee:Prof.TanHuiMinDegreeApplied:DoctorofPhilosophyMajor:MaterialScienceandengineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:January,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书

3、所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要水冲压发动机是超高速鱼雷的巡航动力推进系统，采用高能水反应金属燃料作为燃料，利用海水作为氧化剂，具有很高的比冲和推力，是未来超高速水中兵器的最佳动力装置。水反应金属燃料的能量在水冲压发动机的两次燃烧过程中释放出来，其高能量特性取决于配方中的高金属含量，但高金属含量加大了推进剂加工工艺的难度和限制了一次燃烧性能的提高，本文通过理论分析、工艺和燃烧性能调节，制备出高镁粉、镁铝合金粉含量的水反应

4、金属燃料推进剂，并对推进剂的一次、二次燃烧过程进行分析，合理推断了水反应金属燃料的燃烧机理，为水反应金属燃料推进剂的性能调节提供理论依据和实验基础。本文通过工艺加工性能和燃烧性能优化筛选出镁基水反应金属燃料推进剂最优-1配方为Mg57%、AP28%、GFP4%、粘合剂体系11%，3MPa燃速达21.3mm·s。利用热重分析仪对水反应金属燃料推进剂中的各固相组分进行了热性能分析，通过高压燃烧室及金属/高温水反应装置模拟了水反应的二次燃烧过程，利用SEM、EDS、XRD及化学分析方法对一次二次燃烧固相产物的形貌和组分进行分析，一次燃烧固相产物主要

5、由Mg、MgO、MgCl2及C组成，二次燃烧固相产物只剩余了MgO组分。推测了两次燃烧过程存在的各基元化学反应，结果发现一次燃烧过程主要是C、CH4和Mg之间的竞争氧化反应，在二次燃烧过程中主要是Mg与水蒸汽的放热反应。将推进剂的能量计算分为两个过程，水反应金属燃料推进剂的总比冲由两个燃烧过程来决定。一次燃烧体系处于非化学平衡状态，将参与燃烧反应的那部分按照化学平衡来计算，未参加燃烧的物质通过吸收热量，使其与燃烧温度相同。二次燃烧过程的计算将一次燃烧产物与注入的水作为计算的起始状态。计算结果表明，金属粉含量和添加铝粉均能有效提高镁基水反应金属

6、燃料的能量性能。为提高镁基水反应金属燃料推进剂能量，一方面在浇铸工艺前提下，铝粉的添加上限只有体系的10%，能量性能提高十分有限；包覆处理后的镁铝合金粉的添加量可达到体系的50%，对体系的能量性能提高幅度较大。另一方面，采用模压浇铸结合工艺，来将体系的固含量提高至90%，探索工艺参数对此工艺的力学性能影响规律，并研究了金属粉含量、粒度级配及添加合金粉对体系燃烧性能的影响，结果发现：金属I北京理工大学博士学位论文粉含量不宜超过70%，提高小粒径的镁粉含量可改善体系的喷射效果，包覆后的镁铝合金粉替代镁粉含量不宜超过50%。镁铝基水反应金属燃料推进

7、剂燃烧过程的研究，一次燃烧固相产物中主要含有MgO、Al12Mg17、AlMg、Al4C3、MgCl2和C，通过对比不同温度范围下各基元反应的氧化平衡常数来判定优先反应的组分，一次燃烧过程主要是C和Mg之间的竞争氧化反应，合金粉中的Al碳化有利一次燃烧放热；镁铝基水反应金属燃料二次燃烧凝聚相产物中主要含有MgO、MgAl2O4和Al，定量分析结果表明两次燃烧过程使合金粉中镁全部被氧化，铝的反应效率约为71.1%，热力学分析发现二次燃烧过程中碳与水蒸汽要在1000K以上才能自发进行，其他基元反应在800~3000K均可自发进行。通过高能球磨方法

8、制备了活性镁粉和镁铝合金粉，表征了金属粉的形貌、物相及热氧化性能，对比了球磨粉与雾化粉在高温水蒸汽下的反应特性及不同高温的下的产物形貌，同时研究了镁铝合金粉高温水反