【摘要】：綠色無毒單元推進劑具有安全無毒、密度比沖高、存儲和操作成本低等優(yōu)點,在空間推進領(lǐng)域有著比較廣闊的應用前景,但其高溫、高速、高濕氧的燃氣環(huán)境對載體的性能具有較高要求。本文從催化劑載體材料和結(jié)構(gòu)等方面綜合考慮,制備了一種鋯酸鑭(La_2Zr_2O_7,LZO)涂層整體式催化劑載體。以堇青石蜂窩為基體,以LZO粉體為涂層材料,用懸浮涂漬工藝制得涂層負載量適宜,機械穩(wěn)定性較好的整體式載體。論文優(yōu)化了制備工藝,表征了載體的性能。主要內(nèi)容和結(jié)果如下:研究了基體的優(yōu)選和預處理。從結(jié)構(gòu)和材料兩方面綜合考慮,優(yōu)選出堇青石蜂窩陶瓷作為基體,具有壓降低,使用溫度較高,耐高溫水汽腐蝕,熱膨脹系數(shù)和密度低等優(yōu)點。采用20wt%的草酸溶液在100℃條件下預處理2h是較優(yōu)選擇,此時涂層的負載量和機械穩(wěn)定性較高。通過探索球磨時間、固含量、pH值和添加劑等因素對LZO粉體特性、懸浮液穩(wěn)定性以及涂層性能的影響,配制出粒徑較小、較為穩(wěn)定的LZO懸浮液。較優(yōu)參數(shù)是:球磨時間為1h,固含量為20wt%,pH值為6,添加4wt%的PEG-4000。此時,LZO粉體平均粒徑約為612nm,懸浮液較為穩(wěn)定,制得的LZO涂層表面均勻,且具有較高的負載量和機械穩(wěn)定性。通過探索涂漬時間、焙燒溫度和焙燒時間等因素對載體的涂層負載量和機械穩(wěn)定性的影響,制備出了負載量較高、機械穩(wěn)定性較好的LZO涂層。較優(yōu)工藝參數(shù)是:涂漬時間為2min,然后在600℃焙燒2h,共重復3次以上步驟。采用該工藝參數(shù)可制備出LZO涂層負載量約為15.60wt%,超聲震蕩脫落率約為4.70wt%的整體式催化劑載體。研究了載體的組成、結(jié)構(gòu)和力學性能。整體式催化劑載體的BET比表面積和介孔結(jié)構(gòu)主要取決于LZO涂層,測得載體的比表面積為5.36m~2/g,平均孔徑為15.62nm。載體的抗壓強度取決于基體,受到壓縮載荷時,載體整體上未出現(xiàn)明顯裂紋,孔道結(jié)構(gòu)的破壞模式為逐層破壞。平行于孔道方向的抗壓強度為1.86MPa,而垂直于孔道方向的抗壓強度為0.80MPa。研究了載體的高溫穩(wěn)定性能。整體式催化劑載體經(jīng)1000~1200℃高溫考核后,質(zhì)量和尺寸基本不變,物相保持穩(wěn)定。當載體經(jīng)過1000℃高溫考核2h后,LZO涂層未發(fā)生明顯的燒結(jié)現(xiàn)象,載體比表面積降低至2.42m~2/g。而在1200℃高溫考核2h后,涂層發(fā)生明顯燒結(jié),載體比表面積顯著降低至1.08m~2/g,降幅達80.0%,平均孔徑由15.62nm增大至86.10nm。研究了載體的抗熱震性能。總體上看,熱震考核溫度越高,次數(shù)越多,涂層脫落率越大。采用空氣冷卻時,在800℃~1400℃下熱震考核10次,涂層脫落率均低于8wt%,此時整體式催化劑載體具有較好的抗熱震性能。采用蒸餾水冷卻時,樣品降溫速率加快,對涂層機械穩(wěn)定性的破壞較大,熱震考核溫度高于1200℃時,涂層脫落率高于15wt%。研究了載體的耐高溫水汽腐蝕性能。整體式催化劑載體經(jīng)高溫水汽考核后,質(zhì)量和尺寸變化很小,物相保持穩(wěn)定。經(jīng)1000℃高溫水汽考核30min,LZO涂層尚未明顯燒結(jié)。而在1200℃高溫水汽考核30min后,LZO涂層發(fā)生明顯燒結(jié),涂層變得較為致密,孔隙結(jié)構(gòu)顯著減少,水汽起到了促進涂層燒結(jié)的作用。
【圖文】：

1.1 綠色無毒單元推進劑研究現(xiàn)狀1.1.1 綠色無毒單元推進劑簡介傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機用單元推進劑主要是無水肼，具有毒性大、儲存和操作高的缺陷，因此，國內(nèi)外正在積極發(fā)展綠色安全無毒的新型單元推進劑[1,2]。，硝酸羥胺(HAN)和二硝酰胺銨(ADN)基液體推進劑是兩種研究較多的綠色無元推進劑[3]。HAN 基單元推進劑具有無毒、冰點低、密度比沖高、性能易調(diào)節(jié)、使用安優(yōu)點，最初被美軍用作液體火炮推進劑，隨后被美國 NASA 列入 先進單元推計劃 。國內(nèi)方面，中國航天液體推進劑研究中心等單位也對其進行了一系列驗和研究[4]。ADN 是一種固體氧化劑鹽，最初是為高性能固體火箭推進劑研制的，其毒 HAN 還小很多。例如，歐洲研制了 LMP-101 型 ADN 基單元推進劑，并進行箭發(fā)動機試驗，結(jié)果表明這種推進劑具有點火速度快、比沖高、無污染等優(yōu)點過試驗衛(wèi)星首次飛行的驗證，得到了接近空間應用的合格產(chǎn)品[4,5]。

、抗氮氧化物和硝酸化學侵蝕等特點，相結(jié)構(gòu)穩(wěn)定至 1800℃以上；但其卻時，螢石相發(fā)生結(jié)構(gòu)偏析可能導致催化劑二次啟動能力下降。而有序燒綠石結(jié)構(gòu) La2Zr2O7在室溫至熔點之間無相轉(zhuǎn)變，高溫穩(wěn)定性更佳，易性，，催化活性高，國內(nèi)蘊藏豐富，已在甲烷催化燃燒及光催化領(lǐng)域取得]，但尚無用于綠色無毒推進劑催化劑載體的公開報道。1.2 稀土鋯酸鹽陶瓷的研究現(xiàn)狀稀土鋯酸鹽陶瓷具有高熔點、高化學穩(wěn)定性、低熱導率、耐腐蝕性等一，是近年來先進功能陶瓷材料領(lǐng)域中研究的熱點之一。由于其獨特的結(jié)，稀土鋯酸鹽陶瓷在熱障涂層等方面受到廣泛關(guān)注[14]。1.2.1 稀土鋯酸鹽陶瓷的結(jié)構(gòu)稀土鋯酸鹽（Ln2Zr2O7，Ln=La、Ce、Pr、Nd、Sm 等）屬于 A2B2O7型氧 和 B 都是金屬離子），立方晶系，通常有燒綠石和螢石兩種結(jié)構(gòu)，如下5,16]。
【學位授予單位】：國防科學技術(shù)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ426.65;V511.3

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本文編號：2626784