铝基水反应活性材料制备及其性能研究

为提高铝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铝基水反应活性材料。通过扫描电子显微镜、热重分析仪、比表面测试等分析表征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,实时记录铝基水反应金属材料与海水反应产生的氢气量,研究铝基水反应活性材料的活性。研究结果表明：高能球磨能提高铝基材料与海水的反应活性,铝粉经过球磨后反应效率达到原先的2倍;球磨过程中添加剂铋的添加能进一步提高铝基水反应材料的活性;反应总产率能够达到71.2%,其快速期氢气产生反应速率为210.7 mL/(min·g)。制备的铝基水反应活性材料在高能水反应金属燃料推进剂和制氢领域都具有应用价值。     

原位铝基复合材料重熔稀释的研究

将反应烧结所获得的Ａｌ２Ｏ３－Ａｌ３Ｔｉ／Ａｌ和Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＣ／Ａｌ原位复合材料初坯进一步用于重熔稀释,获得了致密的、颗粒弥散分布且颗粒含量适中的铝基复合材料铸坯,并对影响该铸坯组织的因素进行了分析讨论。结果表明：原位铝基复合材料的重熔稀释是可行的;Ａｌ２Ｏ３－ＴｉＣ／Ａｌ原位复合材料的重熔稀释性能优于Ａｌ２Ｏ３－Ａｌ３Ｔｉ／Ａｌ原位复合材料     

铝粉与水反应的电化学研究

为评价Al-H₂O反应中铝粉的燃烧效率,从电化学角度对粒径为50 nm,2 μm,13 μm和29 μm的铝粉进行水反应研究。通过测定不同温度下铝水反应极化曲线,初步建立起使用电化学参数(腐蚀电位,腐蚀电流密度,腐蚀电位温度系数)表征铝水反应的评价体系。拟合分析了实验数据,探讨了粒径和温度对铝水反应的影响。用法拉第定律和吉布斯-亥姆霍兹方程对反应进行了电化学热力学研究。结果表明,随着铝粉粒径的减小,反应的腐蚀电位减小,反应越容易进行。当粒径小于2 μm时,粒径的减小对腐蚀电位的影响更加明显。25 ℃下50 nm的Al粉在铝水体系中燃烧效率即可达90.6%,远高于2 μm Al粉的66.7%。      

考虑泊松比的HTPB推进剂贮存老化反应速率研究

对某型号HTPB推进剂在35℃、50℃、65℃条件下进行了加速寿命试验,并选用最大延伸率表征推进剂性能变化情况;对HTPB推进剂高温加速寿命试验的老化起点进行了修正,并推导出了考虑泊松比条件下的推进剂老化反应速率模型;根据加速老化试验结果,对模型的参数进行了求解,验证得出考虑泊松比变化条件下的某型号丁羟推进剂药柱预估寿命要长于未考虑泊松比的预估值;对含有不同含量防老剂的HTPB推进剂在80℃条件下的加速寿命试验结果表明:少量防老剂的添加可以有效对推进剂进行延寿.     

废铝旋转喷吹除氢的水模拟试验与熔炼实验验证

为探索废铝熔体旋转喷吹除氢的优化工艺组合,从氢的来源入手,以相似原理为指导,进行旋转喷吹的水模拟试验,然后以水模拟试验结果为参考,进行废铝的熔炼除氢实验,并分析其除氢效果。结果表明:转子偏置分布实验中,氢的质量浓度从0.30 mL/100 g降至0.11 mL/100 g,效果明显优于转子中心分布实验,从而验证水模拟试验的优化工艺组合的准确性。     

铝双晶晶界滑动的实验研究

制取了具有[110]对称倾斜晶界的纯铝双晶体,获得了18种不同取向差的纯铝双晶试样。测定了晶界滑动速率与晶界取向差的关系。发现,晶界滑动速率是晶界取向差(晶界结构)的敏感量;晶界滑动激活能随取向差变化而变化,并有极小值和极大值,晶界滑动速率随晶界切应力的增加呈线性上升;晶界滑动速率随温度的升高呈指数增加。     

高速鱼雷水冲压发动机用金属/水反应燃料研究进展

综述了用于高速鱼雷巡航动力推进系统水冲压发动机主燃料的金属/水反应燃料的国内外应用研究情况,阐述了金属/水反应燃料的组成及特点,并以金属铝与水的反应机理为例说明了金属/水反应燃料的基本工作原理,结合我国研究实际提出了金属/水反应燃料研究过程的研究重点,指出了国内相关领域研究的不足和发展方向。     

镁基水反应金属材料制备及其水反应活性

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741 mL·min-1·g-1。     

HTPB/ADN推进剂反应气孔产生机理研究

为揭示HTPB／ADN／AP／Al推进剂产生气孔的原因,制备了一系列含ADN和TEA、T-313、MAPO、HX-752等键合剂的推进剂样品,试验确定与ADN反应产生气孔的组分,并通过DSC／TG-IR／MS联用仪分析了产生气孔的反应机理。结果表明,含固化剂TDI、IPDI和醇胺类键合剂TEA、T-313的推进剂样品不产生气孔,而含氮丙啶类键合剂MAPO、HX-752的样品固化后均出现气孔。DSC法证实MAPO与ADN产生强烈的作用,使ADN的主要放热分解峰温度降低99．7℃。在50℃,MAPO与ADN混合物（质量比1：1）加热2h的过程形成了气体产物：N2O、NO2,并通过质谱检测到其存在。分析认为,推进剂中氮丙啶类键合剂促使了ADN的分解,形成反应气孔。     

含铝炸药爆热的实验研究

利用恒温式量热计测定了含铝炸药在空气、水和真空中的爆热值。根据爆热分析了含铝炸药的反应机理，认为含铝炸药在空气中爆炸时，其中部分铝粉是化学反应区后参加反应的。     

十二氢十二硼酸双四乙基铵对铝粉燃烧反应机理的影响

为了探究固体硼氢燃料对铝粉燃烧反应机理的影响,采用同步热分析?红外质谱联用技术及热裂解原位池?傅里叶变换红外光谱联用技术,对十二氢十二硼酸双四乙基铵(BHN?12)的热分解反应机理及反应动力学进行研究.在此基础上,结合数值模拟建立BHN?12在爆炸流场中对铝粉燃烧反应影响的模型,探究硼氢燃料在流场中的反应时间、分散特性以及对铝粉的助燃效应.结果表明,BHN?12热分解开始温度约314℃,结束温度约360℃.分解过程中出现三个放热峰和两个吸热峰,总质量损失范围为32.3％～33.9％.分解过程遵从幂级数法则(Mampel power),动力学机理函数为G(α)=α1/2.分解后的气体产物主要为H2、C2H4、C2H6和NH3,固体产物为非晶态的C和B单质.采用组分运输模型可较好地模拟Al/BHN?12体系的后燃烧反应过程,在该过程中,Al燃料的分散速度比BHN?12粒子的分散速度慢,20 ms时,Al燃料的分散半径约2.5 m,BHN?12的分散半径约3 m.在反应初期2 ms时,无分解气体产物出现;大约4 ms时,开始出现气体产物,反应火球中部的温度约为1800℃,BHN?12可提升体系的后燃反应温度约300℃.     

典型笼状含能材料晶体早期冲击反应的从头算分子动力学模拟

笼状骨架赋予含能分子额外的应变能和结构稳定性,有望优化含能材料高能量密度和低感度之间的问题。但笼状含能晶体在冲击波刺激下的化学反应机理尚不清晰,亟需从笼状骨架调控、单分子分解、晶体集体响应3个层次开展系统研究。为此,研究以具有平面分子结构的三氨基三硝基苯(TATB)作为参考体系,对比了具有笼状结构的八硝基立方烷(ONC)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)和4,10-二硝基-2,6,8,12-四氧杂-4,10-二氮杂四环十二烷(TEX)体系,开展了ONC、CL-20、TEX晶体结构在8～11 km·s^-1冲击波作用下的演化并进行了从头算分子动力学模拟。模拟结果表明,含能晶体的冲击感度排序为ONC>CL-20>TEX>TATB,通过与冲击波/撞击感度的文献试验数据对比进行了验证。反应机理表明：(i)异伍兹烷骨架中的富电子氧/氮促进了离域效应,适中的空间自由度赋予其弹性变形能力,加强了笼状骨架的结构稳定性,延缓了冲击反应进程;(ii)基于异伍兹烷的笼状分子分解时,硝基的脱落先于笼状分子的坍塌发生,游离的硝基与其他中间产物的排斥作用阻碍了分子间的团聚,...     

Al/Ni粉末复合材料冲击反应细观机制

为阐明含能结构材料冲击反应机理,开展以Al/Ni粉末复合材料为代表的含能结构材料冲击反应细观模拟研究。基于Al/Ni粉末复合材料的扫描电镜照片建立细观有限元模型,并结合Mie-Grüneisen状态方程描述Al/Ni粉末复合材料冲击压缩行为。在此基础上,基于反应扩散模型建立考虑多组分固相反应的Al/Ni粉末复合材料冲击反应细观模型,分析细观尺度上物质输运过程、冲击反应演化规律及冲击波传播特性。研究结果表明：Al/Ni粉末复合材料在冲击压缩速度(即粒子速度)为400 m/s时仅发生了微弱的化学反应,且化学反应程度随着冲击压缩速度的增大的加剧;化学反应最初发生于Al-Ni界面处,然后垂直于界面发展;冲击反应将引起材料冲击温度和压力的增高,同时对冲击波的传播起到强化作用。     

纳米铝颗粒在不同炸药环境中氧化燃烧的分子动力学模拟

为探索炸药环境对纳米铝颗粒（ANP）氧化燃烧的影响,采用分子动力学模拟方法,研究了程序升温加热、恒温加热及绝热加热下ANP在硝化甘油（NG）、黑索今（RDX）和三氨基三硝基苯（TATB）环境中的氧化燃烧机理。结果表明,NG、RDX和TATB对ANP的氧化性依次减弱,对燃烧的微观机制产生了不同的影响。在氧化形貌上,随着炸药环境氧化性的减弱,ANP在急速升温下发生崩裂的程度减弱,氧化速度变慢,最终形成的Al团簇中Al原子的主要配位数从NG环境中的7配位下降为TATB环境中的6配位。并且在TATB环境中,ANP上解离的Al原子在环境中形成了原子数约为100的大团簇结构,这也抑制了ANP的氧化进程。在团簇数量上,程序升温加热下不同炸药环境间的差异较小。而在恒温加热和绝热加热下,随着炸药环境氧化性的减弱,ANP崩裂后形成的Al团簇数量减少,并且由于小Al团簇在氧化性弱的环境中不易团聚,此后Al团簇数量会在短时间内持续增加。在化学反应特性上,NG环境中的ANP主要与炸药分解的含氧产物反应,导致形成的Al团簇氧化更加完全。而在RDX和TATB环境中,ANP还能与N₂、CN等不含氧产物发生大量反应,导致形成的Al团簇中包含较多的C、H、N原子,Al团簇的氧化并不完全。     

环境压力对铝氧反应点火过程影响的计算分析

为了研究环境的压力对铝氧反应点火过程的影响,运用零维均质点火模型,利用CHEMKIN-PRO闭式均相反应器进行求解计算;分析了点火过程中主要基元反应对点火过程的影响,计算了参与点火过程的主要物质摩尔分数随时间的变化规律;重点计算了在2300 K初始温度不同环境压力下（1～9 atm）的点火延迟时间,点火延迟时间与环境压力的拟合关系式为t＝3．36×10－7 p0－0．99;获得了不同环境压力时组分O2、Al（l）、Al2O、Al2O2、AlO、Al2O3、O、AlO2、Al、Al2 O（l）在点火过程中的摩尔分数变化规律。     

铝-氧化铜复合薄膜化学反应性能

用磁控溅射的方法制备了铝-氧化铜复合薄膜,采用差热分析(DSC)方法研究了其化学反应性能。研究结果表明:铝-氧化铜复合薄膜在一定的条件下,可以发生氧化还原反应,化学反应热为ΔH=-1197.5kJ.mol-1,与标准状态下的ΔH0=-1203.8kJ.mol-1十分接近。用Kissinger方法计算了第二步反应的活化能为565.146kJ.mol-1,说明在无外界刺激的情况下,薄膜材料可以稳定存在。理论推导出,反应可以达到的最高温度是2573℃(即铜的沸点),薄膜间的化学反应分两步进行。     

烟火药中Mg+H_2O与MgO+H_2O反应的竞争机理研究

为了明确氧化镁在含镁烟火药中作为安定剂的作用机理,对镁/水反应和氧化镁/水反应的竞争机理进行了研究。采用密度泛函B3LYP/6-311++G(d,p)方法优化反应路径中各驻点的几何构型,分析其电子结构并计算振动频率,确定过渡态和中间体,得到两种反应的反应势能曲线。对比发现氧化镁与水会先发生反应,在长贮中起到保护镁粉的作用。     

HTPB/TDI粘结体系的固化反应动力学

为了解决工程应用中遇到的固化终点问题,采用等温与非等温差示扫描量热法(DSC法),通过模拟n级反应动力学模型,并根据Kissinger法、Crane法研究了高聚物粘结炸药(PBX)用端羟基聚丁二烯(HTPB)型粘结体系的固化反应动力学。结果表明,HTPB/TDI粘结体系固化反应的表观活化能为54.61kJ·mol~(-1),反应级数为0.87,指前因子为192.80s~(-1),固化反应热Hu为482.87J·g~(-1)。该体系的固化反应过程中存在自催化现象。加入二月桂酸二丁基锡(T12)催化剂后,粘结体系的固化反应速率增大、反应温度降低。拟合出了固化温度与固化时间之间的函数关系,当固化温度取60℃时,求得固化时间约为3.91天,与实际工程应用中的4~6天相符。