本文關鍵詞：硼顆粒點火燃燒促進方法研究

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【摘要】：硼具有非常高的質量熱值和體積熱值,很適合用作固體貧氧推進劑的燃料。但在實際應用中,由于硼自身的高熔點和高沸點以及它表面的氧化膜B203的高沸點,導致硼的點火性能差,燃燒效率低,使它的高熱值不能充分發(fā)揮出來。所以深入研究硼顆粒的點火燃燒特性,進而尋找到硼顆粒點火與燃燒的促進方法對于含硼推進劑的應用有著重要的意義。本文在前期相關調研論證工作基礎上,應用各種分析測試儀器對硼顆粒的理化特性進行研究,得到詳細的理化特性分析結果。進行了大量的硼樣品點火燃燒實驗研究,分析了硼粉純度、晶型、粒度、環(huán)境氣氛、壓力、升溫速率等因素對硼點火燃燒的影響。改進了傳統(tǒng)的重結晶法,提出了雙溶劑法硼包覆工藝,通過正交實驗研究雙溶劑法的最佳工藝參數(shù)。研究了多種包覆劑對硼點火燃燒的促進效果,尋找到多種可以顯著促進硼點火燃燒的新型添加劑,配合熱力學理論方法和掃描電鏡等手段探討了新型添加劑的作用機理。實驗結果表明,純度越低的硼粉,越容易點火和燃燒。在相同純度下,無定形硼比晶體硼更容易點火和燃燒。在一定的粒徑范圍內,隨著粒徑的增大,硼粉的著火溫度逐漸升高,但升高的幅度不大。并且隨著粒徑的增大,硼粉的反應效率略有增加。熱分析結果表明,隨著升溫速率的增大,硼粉的熱重曲線呈現(xiàn)一個整體滯后的效應,著火溫度逐漸增大,最大增重量有所減小。1000℃以下時硼粉的熱氧化過程可分為前后兩個階段,第一階段最佳機理函數(shù)為G(α)=-1n(1-α),第二階段最佳機理函數(shù)為G(α)=(1-α)-2。提高環(huán)境中的氧氣濃度有利于硼的著火。隨著環(huán)境壓力的增大,硼粉的著火溫度有所降低,但降低的幅度不大,同時最大增重速率和反應效率逐漸減小。分析了重結晶法的不足,提出了雙溶劑法硼包覆工藝。應用pH法檢驗硼粉的包覆效果,發(fā)現(xiàn)雙溶劑法的包覆效果要優(yōu)于重結晶法,可以提高硼顆粒的包覆均勻性和完整性。在實驗條件下,雙溶劑法的最優(yōu)工藝參數(shù)水平為：超聲波混合時間10min,蒸發(fā)溫度350℃,攪拌速度200r·min-1。經(jīng)過AP、LiF和TMP包覆后的硼樣品具有比單純硼粉大得多的比表面積和孔容積。LiF和TMP可以降低硼粉的著火溫度,同時增大樣品的放熱量。AP可以減小硼的點火延遲時間,并且可以加強硼的燃燒。研究了多種添加劑對硼顆粒點火燃燒的影響,發(fā)現(xiàn)添加了鎂粉的硼樣品比單純的硼粉燃燒強度要大,可以提高樣品中硼的燃燒效翠同時降低樣品的著火溫度。在實驗中用到的七種金屬氧化物添加劑中,Bi2O3的效果最好,表現(xiàn)出優(yōu)異的促進硼點火的功能,可使硼的著火溫度降低15.2%,點火延遲時間降低46.2%。在硼粉中加入一定量的草酸可以顯著促進硼的點火燃燒性能,可使點火延遲時間降低42.4%,燃燒強度增大16.7%,燃燒效率提高21.5個百分點。LiH對于硼顆粒的點火和燃燒也具有明顯的促進作用,加入LiH后,硼樣品的整體熱反應過程提前了很多,第一次劇烈反應期開始溫度提前了約140℃,后反應期開始溫度提前了約260℃。并且可使硼的點火延遲時間減少34.1%,燃燒強度增加117.6%,燃燒效率提高24.3個百分點。
【關鍵詞】：硼 點火 燃燒 包覆 添加劑
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V512
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-15
• 第1章 緒論15-39
• 1.1 課題背景及意義15-18
• 1.2 硼顆粒點火燃燒研究進展18-24
• 1.2.1 點火燃燒實驗研究18-21
• 1.2.2 點火燃燒理論研究21-24
• 1.3 硼顆粒點火燃燒促進方法研究進展24-37
• 1.3.1 合適的晶型和粒度24-26
• 1.3.2 燃燒環(huán)境的優(yōu)化26-28
• 1.3.3 包覆和添加劑改性28-37
• 1.4 本文主要研究內容37-39
• 第2章 實驗裝置及硼樣品理化特性分析39-61
• 2.1 引言39
• 2.2 點火燃燒實驗裝置39-46
• 2.2.1 熱重分析試驗臺39-42
• 2.2.2 激光點火試驗臺42-46
• 2.3 測量分析儀器46-50
• 2.3.1 馬爾文激光粒度儀46-47
• 2.3.2 掃描電鏡47-48
• 2.3.3 氮吸附儀48
• 2.3.4 透射電鏡48-49
• 2.3.5 電感耦合等離子體發(fā)射光譜49-50
• 2.4 包覆實驗儀器50-52
• 2.4.1 超聲波清洗器50-51
• 2.4.2 磁力攪拌器51-52
• 2.5 硼樣品的理化特性52-59
• 2.5.1 樣品的成分52-53
• 2.5.2 硼粉的粒度與比表面積53-54
• 2.5.3 硼樣品的微觀形貌54-57
• 2.5.4 樣品的透射電鏡分析57-59
• 2.6 本章小結59-61
• 第3章 理化特性對硼點火燃燒的影響61-73
• 3.1 引言61
• 3.2 研究方法61-64
• 3.2.1 技術路線61-62
• 3.2.2 TG-DTG切線法62
• 3.2.3 激光點火光譜法62-64
• 3.3 純度和晶型的影響64-70
• 3.3.1 熱分析實驗64-69
• 3.3.2 激光點火實驗69-70
• 3.4 粒度的影響70-71
• 3.5 本章小結71-73
• 第4章 不同環(huán)境下硼的點火與燃燒73-94
• 4.1 引言73
• 4.2 升溫速率的影響73-79
• 4.2.1 不同升溫速率下硼粉的熱反應73-74
• 4.2.2 硼粉熱反應過程的動力學74-79
• 4.3 氣氛的影響79-81
• 4.4 壓力的影響81-83
• 4.5 硼在氧化性氣氛下燃燒的熱力學理論研究83-92
• 4.5.1 計算方法83-85
• 4.5.2 B/O體系85-88
• 4.5.3 B/C/H/O體系88-92
• 4.6 本章小結92-94
• 第5章 包覆改性促進硼的點火與燃燒94-116
• 5.1 引言94
• 5.2 常用的包覆材料及其包覆方法94-96
• 5.3 新型包覆工藝—雙溶劑法96-100
• 5.3.1 包覆效果的表征方法及其合理性驗證96-98
• 5.3.2 雙溶劑法工藝特點98-100
• 5.4 雙溶劑法包覆工藝參數(shù)優(yōu)化100-105
• 5.4.1 正交試驗100-102
• 5.4.2 參數(shù)優(yōu)化結果分析102-105
• 5.5 包覆劑對硼點火燃燒的促進作用105-114
• 5.5.1 包覆對樣品理化特性影響106-108
• 5.5.2 樣品的TG/DTG/DSC熱分析108-112
• 5.5.3 樣品的激光點火實驗研究112-114
• 5.6 本章小結114-116
• 第6章 促進硼點火與燃燒的新型添加劑116-153
• 6.1 引言116
• 6.2 鎂粉添加劑的促進機理116-120
• 6.2.1 鎂-硼的燃燒過程特征116-117
• 6.2.2 鎂-硼的點火延遲時間117-118
• 6.2.3 鎂-硼的燃燒效率118-119
• 6.2.4 鎂-硼的著火溫度119-120
• 6.3 金屬氧化物添加劑的促進機理120-134
• 6.3.1 實驗原料與方法121-122
• 6.3.2 熱分析與熱力學計算122-133
• 6.3.3 金屬氧化物對硼點火延遲時間的影響133-134
• 6.4 草酸添加劑的促進機理134-143
• 6.4.1 FactSage熱力學分析135-137
• 6.4.2 激光點火實驗研究137-141
• 6.4.3 草酸促進硼點火燃燒的機理驗證141-142
• 6.4.4 H_2C_2O_4/Bi_2O_3復合添加劑的作用142-143
• 6.5 金屬氫化物的促進機理143-150
• 6.5.1 高溫燃燒過程特征144-148
• 6.5.2 激光點火實驗研究148-150
• 6.6 本章小結150-153
• 第7章 全文總結及展望153-159
• 7.1 本文主要結論153-157
• 7.2 本文的主要創(chuàng)新點157-158
• 7.3 下一步工作展望158-159
• 參考文獻159-170
• 作者簡歷170-172

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本文編號：891501