高纯硼粉的特性及其在富燃料推进剂中的应用研究

通过SEM、XRD、pH计、X射线荧光光谱仪和HAAKE流变仪等研究了高纯硼粉的物化特性,并重点研究了其用于富燃料推进剂的燃烧性能.结果表明,高纯硼粉中大部分颗粒不规则,但在微观上呈晶体结构.由于高纯硼粉表面B2O3、H3BO3杂质非常少,硼粉与水悬浊液的pH值接近中性,硼粉在HTPB粘合剂中的屈服值和表观粘度较小,且随混合时间增加,屈服值和表观粘度保持不变.通过290～407 ℃范围内高纯硼粉富燃料推进剂热分解过程的质量损失可定性认为,高纯硼粉参与凝聚相反应的活性高于无定形硼粉.燃烧性能研究表明,含高纯硼粉的富燃料推进剂低压下正常燃烧,燃烧特性与无定形硼粉相同,实测燃烧热和燃烧效率较高.     

不同助燃方式下硼粉的燃烧机理研究

为研究硼粉燃烧规律，采用两种典型混合方式(干法混合和湿法混合)制备了含不同质量助燃剂双铅-2(SQ-2)的硼粉试样，使用氧弹式量热计测量了硼粉燃烧放热量，同时在量热计上加装压强传感器获得了不同样品在燃烧过程中的压强变化趋势，得到了不同样品中硼粉的有效燃烧时间。结果表明，在SQ-2含量一致时，干法样品在燃烧过程中的升压速率明显大于湿法样品，其最大压强也高于湿法样品；在两种助燃方式下，氧弹中的温度和氧气量均可满足硼粉的燃烧，但SQ-2含量>80%的干法混合中硼粉放热量低，最高仅为34 950 J/g,依然有约40%硼粉没有燃烧，其硼粉有效燃烧时间仅约有29 ms。分析认为，干法混合中样品为粉末状，燃烧迅速，当SQ-2含量>80%时，其燃烧产生的高速气体将硼粉喷溅在氧弹壁上或者氧弹底部，硼粉受“冷壁效应”影响明显而导致无法继续燃烧，而湿法混合中SQ-2与硼粉接触紧密，硼粉受“冷壁效应”影响不大，SQ-2燃烧产生的热量和气体更容易加热硼粉，加上硼粉自身的放热，延长了硼粉的高温燃烧时间，助燃效果好，燃烧效率高。     

双基推进剂为助燃剂的硼粉燃烧热测试研究

采用新的混合方式将作为助燃剂的双基推进剂与纯度为95%的国产无定形硼进行分子间混合,经过一定的工艺处理制得试样,并使用改进式的氧弹式量热仪对制得的各试样进行燃烧热测试,由各试样及不同硼粉的DSC曲线对国产无定形硼与双基推进剂的相容性进行了相关分析。实验结果表明,与以往的硼粉燃烧热测试方法相比,此方法具有较高准确性和可靠性;国产无定形硼与推进剂存在贮存相容性差的问题,对于制备成的试样应立即进行燃烧热测试实验;国产无定形硼在常温下仍具有一定的反应活性,在选择助燃剂时要注意硼粉与助燃剂的相容性问题。     

硼粉燃烧热的测量

硼因高的体积热值成为首选高能组分添加剂。为了对硼粉的燃烧热进行更准确的测量 ,使用氧弹式量热仪,采用SQ-2作为助燃剂,通过实验研究了助燃剂质量、形状以及氧 弹内氧气压力对硼粉燃烧热测试结果的影响。结合硼的两阶段燃烧模型,指出燃气温度是影 响硼粉燃烧效率的关键参数。建立了氧弹内燃气极限温度的理论计算模型,给出计算温度与 硼粉燃烧效率之间的关系。结果表明升高极限温度是改善硼粉燃烧热的测量的有效手段。     

超细硼粉粒径对硼粉/AP复合物热性能影响

为了促进高能硼粉在固体推进剂中能量的充分释放,研究了粒径对超细硼粉的热性能的影响。采用行星磨对硼粉进行超细粉碎,制备了粒径分布均匀、粒径大小不同的超细硼粉。对超细硼粉与高氯酸铵(AP)的复合物进行热分析,发现复合物的热分解峰温度较纯AP的降低不明显。但复合物的表观分解热随硼粉的粒径减小有明显增加,最多增加到原料硼粉复合物的28.4倍。复合物中硼粉的热失重率也随粒径的减小而增加,最多达原料硼粉的9.7倍。     

氩-氢混合放电等离子体还原BCl_3制备高纯纳米硼粉

利用氩气与氢气电弧放电产生氩-氢混合等离子体还原三氯化硼,获得还原产物纳米硼粉。在等离子体放电功率19.2 k W,氩气、氢气进气流率分别1.5 m3/h,BCl3进料量1 500 g/h实验条件下,硼粉收率达到最大值58%。利用DSCTG(热重分析仪)、XRD(X射线衍射仪)、XPS(X射线光电子能谱仪)、SEM(扫描电子显微镜)分析了样品起始氧化温度、组成、物相及形貌。结果表明,所得硼粉粒径在50~100 nm之间,其中84%为无定型硼;另外,存在六方晶胞和四方晶胞的2种晶体硼,该硼粉的起始氧化温度约在200℃。排除纳米硼粉表面的吸附氧,单质硼的纯度大于98%。通过对硼粉的洗涤和烘烤证明,用简单的去离子水洗涤可进一步提高硼粉纯度,在80℃以下,纳米硼粉在空气中几乎不被氧化。     

喷管座的焊缝气孔分析及接头型式探讨

TIG焊接30CrMnSiA钢反向喷管座时,O_2、CO_2、H_2O及它们的分解物,都能对高温金属起氧化作用。溶解在金属中的氧与碳作用生成CO,形成氧气孔。氮在氧化气氛中被吸收与NO的形成有关。NO的平衡浓度与空气中氧与氮的比例及温度有关。该钢种由于小冶金产生的氮气析出很小,空气中的氮是促使焊缝产生气孔的主要原因之一。当被焊金属与大气接触的表面积增大、或电弧气氛中氢分压升高时,焊缝主要产生氢气孔。在保证焊缝冶金需要的前提下,克服上述气孔最好的办法是完善高温电弧区的惰气保护。从生产实践中排除焊接故障经验的图例,可演绎出较理想的反向喷管座的接头型式。     

TGA测试含硼富燃料推进剂发火温度实验研究

采用一定实验条件下的TGA实验,对不同含硼富燃料推进剂发火温度进行测试,以验证方法的可靠性,并在此基础上,研究了初始温度、升温速率、装药量和坩埚等实验条件,以及配方对此方法测定的发火温度的影响。实验结果表明,采用TGA对含硼富燃料推进剂的发火温度进行测试具有较高的精确度,实验结果的通用性也较高;初始温度及升温速率基本不影响此方法测得的推进剂的发火温度;与氩气气氛相比,空气气氛下的含硼富燃料推进剂发火温度降低;在使用高压坩埚的情况下,推进剂的实测发火温度降低;使用HMX代替含硼富燃料推进剂中的AP、使用镁作为金属添加剂,以及增加推进剂中硼粉的含量,都能降低含硼富燃料推进剂的发火温度。     

氧化硼含量对C/C复合材料SiC涂层结构和抗氧化性能的影响

为了改善涂层和C/C复合材料之间热膨胀系数不匹配的问题,提高涂层在高温下保护C/C复合材料的能力,以氧化硼为添加剂制备了具有楔状结构的C/C复合材料SiC抗氧化涂层,研究了摩尔百分含量分别为0%、2%、5%和10%的氧化硼对SiC涂层组织、结构和抗氧化性能的影响.SEM、XRD及抗氧化实验的测试结果表明,随着氧化硼含量的增加,SiC涂层的厚度和致密度依次增加;涂层中的氧化硼可促使涂层物料充分渗入C/C复合材料基体内;1 500 ℃空气介质氧化试验结果显示,涂层中氧化硼含量为2%的C/C复合材料在氧化5 h后增重0.32%,具有较好的抗氧化性能.     

环氧树脂／苯并噁唑二胺体系的固化动力学及热性能研究

采用DSC法研究了不同升温速率下E51环氧树脂与ABO芳香胺固化体系的固化工艺、固化交联反应动力学参数及树脂体系的热性能。通过分析确定了树脂的基本固化工艺,采用Kissinger、Ozawa方法计算出树脂的表观活化能,其平均值为52.94 kJ/mol,结合Crane公式求出反应级数为1.1,固化反应动力学符合n级反应模型;测得玻璃化转变温度Tg=217℃,热失重曲线表明体系的起始分解温度为361℃。     

AP粒度和包覆层对硼燃烧的影响

通过对AP和硼及其混合物进行热分析实验,研究了硼在AP分解过程中参与反应的程度;用氧弹式量热计测试含硼富燃料推进剂的爆热,分析硼在推进剂燃烧过程中的放热。结果表明,对各组分含量相同的含硼富燃料推进剂用AP包覆硼粒子和提高超细AP含量可促使硼在AP分解过程中参与反应,使AP／B(1：1)热分解的放热量增加,提高推进剂的爆热,有利于推进剂中硼的燃烧。     

AP含量及粒度级配对含硼富燃推进剂压强指数的影响

通过燃速测试、高压DSC和TG实验,研究了AP含量及粒度级配对含硼富燃推进剂压强指数的影响。压强指数采用r=apn方程求得。燃速测试结果表明,AP含量增加,AP重均直径减小,均使压强指数升高。DSC和TG分析表明,推进剂中AP含量增加,重均直径越小,推进剂失重速度较快,高压时推进剂放热量增加,燃速增加较大,因而压强指数较高。     

高能含硼贫氧推进剂工艺性能改善研究

通过对无定形硼粉进行表面包覆、团聚造粒及添加工艺助剂,改善了含硼贫氧推进剂工艺性能,采用落球粘度计对药浆粘度进行对比测试,从中选择最优方法,以改善含硼贫氧推进剂药浆工艺性能.     

氧化剂和团聚硼粒度对富燃料推进剂燃速特性的影响

考察了细AP和团聚硼含量对含硼富燃料推进剂燃速特性的影响.结果表明,随细AP含量和团聚硼含量的增大,推进剂燃速增加,燃速压强指数也呈增加趋势.同时,以BDP模型为基础,将硼粒度对推进剂燃速特性的影响引入燃速表达式,表达式表明细AP和团聚硼有利于提高氧化剂的燃烧表面积在燃面上的比例,从而有利于提高推进剂的燃速.     

含硼富燃料推进剂燃烧波结构分析

采用微测温和火焰照相及SEM研究了含硼富燃料推进剂燃烧波温度分布、火焰结构及熄火表面；结合热力计算，分析含硼富燃料推进剂中硼燃烧反应类型。研究认为低压下推进剂燃烧波结构存在暗区；硼表面用AP包覆，可以降低暗区厚度，有利于改善推进剂的燃烧。     

固冲发动机补燃室内强迫对流条件下硼颗粒燃烧速率研究

硼颗粒在通过固体火箭冲压发动机的燃气发生器喷管进入补燃室的过程中,颗粒通常都会受到高速气流的作用。此时,静止条件下硼颗粒的燃烧模型不再适应。对强迫对流条件下的硼颗粒燃烧的二维问题建立了数学模型,通过物理、数学简化,将偏微分方程组化为易于求解的常微分方程组,最后得到燃烧速率的显示表达式,并进行了求解,给出了硼颗粒周围边界层内温度场、浓度场及颗粒燃烧速率随雷诺数Re的变化规律。     

纳米Ni／CNTs对AP／HTPB推进剂热分解及燃烧性能的影响

采用化学液相沉淀法制备了纳米Ni/CNTs复合催化剂,用SEM、XRD、XPS对纳米Ni/CNTs的形貌、微观结构、组成进行了表征,采用DSC研究了其对AP和AP/HTPB推进剂热分解的催化性能,并考察了纳米Ni/CNTs对AP/HTPB推进剂燃速和压强指数的影响.结果表明,纳米Ni能够均匀包覆在CNTs表面,纳米Ni/CNTs可显著降低AP及AP/HTPB推进剂的热分解峰峰温,使AP及AP/HTPB的总表观分解热明显增大,并能有效提高AP/HTPB推进剂的燃速和降低其压强指数.相同量的纳米Ni/CNTs、纳米Ni和纯CNTs进行对比,纳米Ni/CNTs具有更好的催化性能,表现出较好的正协同催化效应.     

团聚硼对富燃料推进剂燃烧性能的影响

考察了不同粒度、不同包覆剂的团聚硼对含硼富燃料推进剂燃烧性能的影响。结果表明,随团聚硼颗粒粒度的增大,推进剂的燃速增加,低压可燃极限降低,但燃速压强指数呈下降的趋势;包覆材料AP、L iF有利于提高推进剂的燃速,降低低压可燃极限,但不利于提高燃速压强指数。     

推进剂用铝粉与水反应特性研究

用高压反应釜实时监测系统原位研究了铝/水反应的放热过程,提取了反应过程中3个特征温度(反应放热起始温度,反应速率最大温度,反应基本结束温度)和反应特征参数(反应放热起始温度点,反应速度,反应放热量),从而建立关于铝/水体系应用于固体推进剂的评价体系。同时,还探究了铝粉粒径、铝/水原料摩尔配比及加热功率对铝/水反应特性的影响规律。结果表明,在30～250℃温度区间内,纳米铝/水体系较微米铝/水体系性能更好,当铝粉粒径大于13μm时,没有明显放热;高功率加热条件有助于激发纳米铝迅速处于高活性状态,降低了反应放热起始温度,并高效释能;纳米铝/水的最佳原料摩尔配比区间为[1∶2,1∶2.2]。     

电子设备射流送风冷却特性试验研究

射流送风是载人航天器密封舱内电子设备冷却的一种有效方式,具有简单可靠、系统质量轻、换热系数大等优点.文章对中国载人航天器密封舱内2台大功耗电子设备射流送风冷却特性进行了试验研究,分析了射流风量、送风孔数、表面状态对设备平衡温度的影响.利用不超过0.4m3/min的风量,可将热流密度为315.8W/m2的设备温度控制在5...