纳米流体燃料稳定性及金属颗粒改性方法研究进展

为提高纳米流体燃料的稳定性,探求更有效的金属颗粒改性方法,文中简要回顾了纳米流体燃料的发展历程和关于稳定性的理论研究,重点介绍了提高纳米流体燃料稳定性的技术途径和金属颗粒的改性方法,从影响因素和DLVO理论两方面介绍了纳米流体燃料的稳定性机理,简述了应用于纳米流体燃料的稳定性评价方法,报告了纳米流体燃料的制备方法。文中还指出,研究中采用添加表面活性剂和金属颗粒表面改性是提高纳米流体燃料稳定性的主要方法,其中金属颗粒表面改性是能同时解决纳米燃料稳定性和燃烧两方面问题的有效方法,通过分析硼、铝颗粒表面改性的相关研究,总结了金属颗粒改性方法及效果,对未来研究的趋势进行了展望。     

硼笼化合物对含铝液固高能燃料点火及燃烧性能的影响

为了探究硼笼化合物对液固凝胶型高能燃料的点火及燃烧性能的影响,采用高密度碳氢燃料MCRI-1、辅助分散剂胶凝剂和纳米铝粉为原料,制备了系列含铝液固凝胶型高能燃料(简称含铝高能燃料),并考察了含铝高能燃料的组成对其分散稳定性(即凝胶成型效果)的影响。在此基础上,考察了三种硼笼化合物对含铝高能燃料的密度、热值、点火及燃烧性能的影响。结果表明,提高胶凝剂含量或固液质量比(Al/MCRI-1)均可提高含铝高能燃料的分散稳定性。含铝高能燃料的密度和体积热值随着硼笼化合物的添加略有降低,但其质量热值在添加硼笼T和硼笼A后分别增加了11.6%和12.4%。硼笼化合物可将含铝高能燃料的燃温峰值提高21.1%～52.9%,点火延迟缩短44.5%～65.2%。硼笼化合物明显改善了含铝高能燃料的点火及燃烧性能。整体上,硼笼A添加效果最佳,且热解及燃烧可产生较多的气体,一定程度上增强了含铝高能燃料的膨胀做工能力。     

含有纳米铝颗粒的高密度悬浮燃料研究

铝颗粒是一种高密度高能量的燃料添加剂,研究了一条通过表面改性使纳米铝颗粒分散在液体碳氢燃料中,进而制备高密度悬浮燃料的路线。采用三正辛基氧膦对铝颗粒进行表面改性,表征了改性颗粒的结构和在燃料中的分散稳定性,测试了悬浮燃料的密度、能量和粘度。结果表明,表面改性能够阻止铝颗粒的团聚和沉降,使其较长时间内稳定分散在高密度燃料HD-03中;含有铝颗粒的悬浮燃料的密度和体积热值显著提高,保持液体状态和良好流动性。其中,含有10wt%和30wt%铝颗粒时的燃料密度分别为1.06g/m L,1.14g/m L,体积能量分别为44.3MJ/L,45.4MJ/L,动力粘度分别为80m Pa·s,2000m Pa·s。     

油溶性钯纳米颗粒催化高密度燃料点火燃烧研究

点火和燃烧是高密度燃料在新型发动机上应用的关键技术之一。使用十八酸作为保护剂制备了纳米钯金属颗粒,采用红外、核磁、差热分析和透射电镜等手段对其进行了表征。发现颗粒的平均粒径随着合成液中十八酸与钯前驱化合物摩尔比的增加而减小,纳米颗粒可长期稳定分散在燃料中而不沉降。评价了纳米颗粒催化高密度燃料HD-01的点火燃烧性能,发现添加质量分数为0.01‰,十八酸/Pd原料配比为4:1的颗粒可将HD-01的点火燃烧温度降低约230°C。     

高能量密度液体燃料的火箭发动机燃烧性能研究

为进一步提升火箭发动机的燃烧性能,采用模型火箭发动机研究了四种高能量密度液体燃料及一种添加纳米铝颗粒的纳米流体燃料的燃烧性能,分析几种燃料的燃烧效率、比冲、点火延迟时间等燃烧特性,以及纳米颗粒的燃烧产物。结果表明,在氧燃比为1.6～2.0的工况范围内,液体燃料的燃烧效率和质量比冲顺序为QC(四环庚烷)HD-01HD-03≈LGHD-03,密度比冲顺序为QC HD-03≈LGHD-03HD-01。QC燃料因其特殊的张力分子结构具备较高的密度、热值和化学活性,燃烧效率可达91.5%,质量比冲和密度比冲分别为230s和2276N·s/m3。向四环庚烷中添加15wt%纳米铝颗粒后,燃烧效率和质量比冲略有下降,但密度比冲可提高到2340N·s/m3,点火延迟时间较四环庚烷可缩短26ms,燃烧固体产物为碳,氧化铝和铝,纳米铝的燃烧效率约为91%。添加纳米铝颗粒的四环庚烷燃料是一种有潜力的新型液体高密度燃料。     

含硼碳氢燃料在超燃冲压发动机中的燃烧试验研究

为提高碳氢燃料的能量密度,针对在高密度液体碳氢燃料中添加纳米硼颗粒的燃料方案,在超燃冲压发动机试验台上开展了点火燃烧性能试验验证。试验当量比为0.56～0.94,评估了硼颗粒添加对燃料喷注特性、比冲性能和固相沉积的影响。基于本文所用液体碳氢燃料,添加质量分数16%的硼颗粒可使超燃冲压发动机燃烧室平均密度比冲提升6.05%;硼颗粒添加会造成明显的壁面固相沉积问题,干扰压力测量系统获得有效数据。本试验初步评估了含硼碳氢燃料典型方案的喷注特性,获得了硼颗粒添加对燃料性能提升的定量结果。     

RP-1煤油凝胶的制备与性能表征

为了研究凝胶燃料的流变机理和配方设计的基础理论,根据凝胶特殊的固-液形态,寻找凝胶化航空煤油RP-1需要的无机和有机凝胶剂,对其成胶机理、流变表征和稳定性进行研究,通过Brookfield流变仪测量流变参数,并构建出无机和有机煤油凝胶的HBE本构方程。结果表明:采用高速剪切分散比三辊研磨分散制备的无机煤油凝胶质量好;加入无水乙醇有利于凝胶剂A对煤油的凝胶化;无机煤油凝胶的物理稳定性受凝胶剂含量影响显著,实际应用选择6%和7%无机凝胶;所制备的煤油凝胶比典型的剪切变稀流体(0n1)的稀化能力更强;无机和有机煤油凝胶的复凝性很弱且不受凝胶剂含量的影响。     

纳米锑颗粒的制备及其分散性研究

采用电化学方法电沉积制得不同形貌及粒径的纳米锑颗粒,并在制备过程中使用OP-10对纳米锑颗粒表面进行了原位改性.通过TEM、XRD、FTIR等方法对纳米锑颗粒的形态、物相和包覆效果进行表征.结果显示,纳米锑颗粒的制备具有时间效应和电流效应.随着反应时间的加长,纳米锑颗粒粒径变大,且在某种程度上存在着团聚现象;电流密度在一定范围内,适当增大电流密度有利于纳米锑颗粒的形成.纳米锑颗粒的表面改性,主要是通过OP-10的长链分子结构与纳米锑颗粒之间的化学吸附以及OP-10的长链烷基分子之间的氢键、范德华力相互作用,分子链相互缠结,部分通过C-H键互相渗入,最终有效地包覆在纳米锑颗粒表面来达到其表面改性效果,同时在反应过程中醚键也起了一定作用.纳米锑颗粒在纯液体石蜡油中的分散稳定性能与其添加量有关,其最佳添加量为0.5％.     

玄武岩纤维表面涂层改性研究

采用溶胶-凝胶技术制备有机/无机纳米杂化涂层材料,通过红外光谱和原子力显微镜技术对该材料进行表征分析,结果表明合成了环氧/SiO2纳米杂化材料.采用合成的纳米杂化浆料对玄武岩纤维进行表面改性,通过纤维表面形貌、纤维复丝拉伸强度和复合材料层间剪切强度分析,研究玄武岩纤维表面涂层改性效果.试验结果表明:采用适当浓度的涂层溶液对玄武岩纤维进行表面改性可以有效的增加纤维表面粗糙度,提高纤维复丝拉伸强度,改善复合材料界面粘接强度,说明玄武岩纤维表面涂敷有机/无机纳米杂化涂层的改性方法是确实有效的.     

环氧／纳米SiO2杂化浆料的制备及其对碳纤维复合材料性能的影响

采用溶胶-凝胶技术制备了环氧/纳米SiO2杂化浆料,对杂化浆料膜的结构和性能进行了表征分析,同时研究了该浆料对碳纤维复合材料性能的影响.首先制备了(γ-异氰酸酯基)丙基三乙氧基硅烷接枝的环氧树脂,利用该树脂对纳米SiO2先驱体进行原位改性,制备碳纤维表面环氧/纳米SiO2杂化浆料.采用FT-IR,AFM和综合热分析仪对纳米SiO2先驱体的原位改性结构、浆料膜的显微形态和相态及其热性能进行分析,成功制备了环氧/纳米SiO2杂化浆料,SiO2以纳米尺度均匀地分布于杂化浆料膜中,纳米SiO2的引入使杂化浆料膜的热性能得到了提高.采用该杂化浆料对碳纤维表面进行改性,复合材料力学性能研究表明,杂化浆料可同时提高复合材料的层间剪切强度和冲击性能.     

吸气式发动机燃料研究进展及展望

针对航天吸气式发动机的发展趋势,分析了其对燃料能量密度、热沉、点火及燃烧等关键性能的要求。总结评述了国内外燃料性能改善的多种技术途径,如通过合成新型液体燃料和添加含能粒子提高燃料能量,借助添加剂和催化反应提高燃料热沉,通过设计合成高反应性燃料分子和借助高活性添加剂缩短点火延迟和提高燃烧效率的技术途径等。提出了满足吸气式发动机近期及中期发展目标的燃料体系,包括积净热值达到60MJ/L的高能量密度燃料,满足长时间运行马赫5～6,马赫7～8,组合动力预冷发动机及马赫数9飞行的燃料。     

含能碳氢燃料燃烧特性及发动机应用研究进展

在液体碳氢燃料中添加铝、硼等高能固体颗粒是提高燃料能量特性的有效手段,也是未来高性能火箭发动机和冲压发动机性能提升的重要基础。对含能碳氢燃料的发展历程和当前需求进行介绍,重点分析对比了含能碳氢燃料的2种类型及各自优势;综述了国内外开展的含能碳氢燃料单液滴燃烧实验研究,介绍了含能碳氢燃料液滴的特征燃烧过程和典型燃烧现象;总结了国内外研究机构在火箭发动机、亚燃冲压发动机和超燃冲压发动机平台中开展的含能碳氢燃料应用研究进展。最后,对含能碳氢燃料的下一步研究进行展望。     

含铝金属化浆体推进剂火箭发动机燃烧性能试验研究

为研究含铝浆体推进剂的燃烧特性,对浆体推进剂模型火箭发动机开展了一系列试验研究。分别将质量分数为21%的纳米铝粉颗粒以及质量分数为12%的氢化铝复合粒子加入到JP-10燃料中,对比分析了浆体燃料与纯净燃料在燃烧性能方面的差异。燃烧试验的氧燃比为1.6~2.0。试验结果表明:与纯净JP-10燃料相比,加入金属颗粒的JP-10浆体燃料在雾化和燃烧过程中产生了严重的结块聚集效应,导致其燃烧效率与质量比冲明显降低,而由于浆体燃料密度远大于纯净JP-10燃料,含纳米铝颗粒的浆体燃料的密度比冲相比于纯净JP-10燃料有大幅提高,提高幅度为5.5%~14.6%。试验还发现浆体燃料的点火延迟略低于纯净JP-10燃料,金属颗粒的加入对推进剂点火性能有积极的影响。试验中采集了喷管出口的固体燃烧产物并进行了XRD,EDS,SEM,TEM等多种手段分析,发现浆体燃料中铝的氧化率约为64%~74%,颗粒团聚现象明显,主要呈球形,尺寸分布不均,约为500nm~3μm。     

飞机透明件用光固化有机-无机杂化耐磨涂层的研究

采用溶胶-凝胶法通过控制催化剂添加量制备了不同纳米粒径的纳米二氧化硅粒子,用偶联剂MEMO对其表面进行改性处理后制备了有机玻璃用光固化有机-无机杂化涂层。结果表明,经过MEMO处理的纳米二氧化硅粒子与光固化聚氨酯丙烯酸酯树脂有很好的相容性,PMMA涂覆光固化PUA/SiO2涂层后,其硬度由原来的HB提高到3H,体积收缩率降低52%,耐磨性能比未添加的纳米SiO2涂层提高了70%以上。     

气固两相湍流场纳米颗粒演变特性综述

含纳米颗粒的气固两相湍流场在包括航空等众多领域中很常见,以单体、聚集体和团聚体不同形式存在的纳米颗粒在流场中经过生成、对流、扩散、凝并、破碎等过程,其数密度、尺度、尺度分散度等将发生变化。本文就以上相关研究状况进行了回顾,说明颗粒生成是气相化学反应产生的可冷凝蒸汽物质因表面冷却、绝热膨胀或混合、湍流混合或化学过程产生的过饱和所导致;导致颗粒凝并的原因包括布朗运动、湍流剪切、速度梯度、差异沉降;颗粒的凝并取决于颗粒的尺度和流场的特性,并受初始颗粒分布及湍流扩散控制;湍流场对颗粒凝并的影响除了湍流强度的因素外,还体现在由湍流脉动所引发的颗粒数密度的脉动;颗粒凝并后形成尺度较大的团聚体容易在流场剪切和其他因素作用下发生破碎;剪切破碎是导致颗粒破碎的主要因素,有效破碎系数取决于剪切率和颗粒的体积分数;颗粒的沉降取决于颗粒尺度、形状和流体性质等因素;导致颗粒沉降的因素有重力、扩散、惯性撞击、电场和热迁移等;当存在温度梯度时,热泳力对颗粒沉降也起到重要作用。本文最后提出了有待进一步研究的若干问题。     

3D打印骨架增强石蜡燃料燃烧机理实验研究

针对固-液混合火箭发动机中石蜡基固体燃料机械性能差的问题，使用3D打印聚合物骨架镶嵌石蜡的方法增强了石蜡基燃料的结构强度，分析了骨架增强石蜡燃料在直/旋流喷注下的燃烧机理。通过对七种骨架材料进行SEM扫描、力学、热力学分析和纯氧条件下的燃烧试验，获得了不同骨架材料的微观表面结构、机械性能、热分解性能以及在纯氧环境下的燃烧性能；使用直/旋流固-气掺混燃烧试验系统，开展了螺旋型和六角型骨架增强石蜡燃料的燃烧试验，并与ABS固体燃料进行了对比。结果显示，在多种骨架材料中，ABS材料加工性能、机械性能及热分解性能良好；燃烧过程中，骨架增强石蜡燃料结构稳定性良好，石蜡液滴主要出现在石蜡-骨架交界处；旋流喷注和螺旋型骨架可促进石蜡液滴的夹带现象；在直流喷注工况中，骨架的凹槽结构增加了燃料与氧化剂的接触面积，尾部骨架结构具有稳焰作用，可促进后燃烧室的掺混燃烧；石蜡燃料和骨架燃速差异较大，发动机内弹道性能可能受此影响。     

高焓流动中的可压缩颗粒求解器（第1部分）：考虑多物理效应的点力颗粒两相流理论方程

从含烧蚀颗粒的高超声速边界层到航空发动机燃烧室或火箭发动机燃烧室里的气液、气固两相燃烧等问题，都存在弥散相颗粒调制携带流体的两相耦合物理过程。尽管不可压颗粒两相流的理论、数值工具和实验都比较成熟，但可压缩颗粒两相流与不可压缩的情况是截然不同的。本文首先对可压缩颗粒两相流动力学和热力学进行理论研究，理论分析了经典的可压缩流体动力学和热力学方程，把颗粒动力学对不可压流动的调制理论修正拓展到了可压缩情况，发现了可压缩颗粒两相流特有的动量和能量调制无量纲参数；推导了考虑多物理效应的颗粒动力学方程，并将其与携带流体相的控制方程耦合。研究发现，尽管多物理效应下的颗粒动力学是复杂的，但其影响携带流体相的路径是唯一确定的，即：多物理效应的颗粒动力学仅能通过相间阻力调制携带流体相的动量，通过相间阻力做功和热对流调制携带流体相的能量。     

含石蜡燃料在固液混合发动机中的燃烧效率研究

为了提高含石蜡燃料在固液混合发动机中的燃烧效率,从推进剂的燃烧热值定义出发推导了燃烧效率表达式,并通过地面试车实验和热力学计算研究了催化剂、氧化剂喷注方式、后燃室容积对燃烧效率的影响。结果表明:推进剂的燃烧效率变化趋势可由特征速度效率表示,但更为精确的燃烧效率表达式应为特征速度效率的平方;燃料中添加卡托辛、亚铬酸铜和硬脂酸钴可使燃烧效率分别提高32.8%,43.3%和52.0%;相比涡轮转子和螺旋喷注器,离心式喷注器的旋流效果更好,可促进燃料与氧化剂掺混,从而更有利于提高含石蜡燃料的退移速率和燃烧效率;增加后燃室长度可提高燃烧效率,但较长的后燃室散热损失和流动损失较高从而导致比冲较低,当后燃室长度为80mm时,燃烧效率可达89.3%,因此得出了三种有效提高含石蜡燃料燃烧效率的方法。     

含铝固体复合推进剂颗粒团聚现象

含Al固体复合推进剂在燃烧过程中，燃烧表面存在Al颗粒团聚现象，其对火箭发动机性能产生重要影响。通过分子动力学算法建立固体复合推进剂三维颗粒微观模型，实现了模拟三维空间内AP颗粒和Al颗粒的随机分布特征。并建立了颗粒的团聚模型，分析研究Al颗粒在随机填充模型中的团聚现象，得到了不同的临界分离距离下Al颗粒粒径分布规律，并将之与实验数据进行对比，最终总结出了合适的临界分离距离与Al颗粒直径的经验公式。然后总结出了Al颗粒在气固交界面发生团聚后粒径的分布规律，设计了Al颗粒在气固交界面的Rosin-Rammler概率分布函数，分析得到其均匀性系数与特征系数分别为1.445 3与86.49，可用于数值模拟计算固体燃料燃烧面退移过程中表面Al颗粒喷射的初始粒径。     

气相二氧化硅/汽油凝胶燃料流变特性实验研究

为了较为全面地了解凝胶燃料的流变特性,采用超声波振荡与机械搅拌相结合的方法制备了含铝与不含铝的气相二氧化硅/汽油凝胶燃料,使用旋转流变仪实验研究了各凝胶燃料的剪切变稀特性、触变性、屈服应力与粘弹性等流变参数。结果表明:气相二氧化硅/汽油凝胶燃料具有明显的剪切变稀特性和不可逆触变性。凝胶剂含量增加,凝胶燃料粘度和屈服应力增大。添加10μm粒径铝粉的粘度和屈服应力比5μm粒径铝粉的大,比1μm粒径铝粉的小,但均比不含铝凝胶燃料的大。凝胶燃料在低频振荡下更接近于流体,在高频振荡下具有类固体特征。 