高密度Al3Zr/Al复合燃料集中氧化放热机理的研究

As a metallic fuel, pure aluminum powder has shortcomings such as insufficient combustion and easy coagulation of the oxidation product, which makes it difficult to meet the special performance requirements of solid propellants and explosives. As the intermetallic compound Al3Zr has the characteristic of centralizing and exothermic heat around 960 ℃, the project proposes to synthesize the Al3Zr / Al composite fuel with Al3Zr and simple aluminum, which can ensure the thermal properties of fuel at the same time, improve fuel density, and avoid the higher sensitivity caused by zirconium. This composite fuel has many excellent combustion performances ,such as a large heat release, complete reaction rate and moderate combustion temperature. However, the existing theory of oxidation can not explain the concentration of Al3Zr near 960 ℃, which is a new fundamental scientific issue. This project intends to design the Al3Zr/Al composite fuels with different structures by computational material science, prepare the series Al3Zr / Al compound fuel by the combination of suspension melting and high temperature gas atomization method, adjust the different types of composite fuel organizational structure, establish the corresponding relationship between the structure and energy release performance of the composite fuel in the oxidation process, derive the oxidation kinetic model corresponding to the reaction mechanism of different structure composite fuels, explain rationally the actual physical meaning of reaction kinetic parameters, provide the theoretical guidance for the next generation of metal fuels and meet the higher requirements for metal fuels in the fields of aerospace and explosives.

单质铝粉作为金属燃料，由于燃烧不充分、产物易凝聚等缺点，难以满足固体推进剂和火炸药的特殊性能要求。本项目提出利用金属间化合物Al3Zr在960℃附近集中氧化放热的特点，与单质铝形成Al3Zr/Al复合燃料，保证燃料热性能的同时，提高了燃料密度，避免了锆元素引起感度提高。复合燃料具有大热量集中释放、反应完全和燃烧温度适中等优异燃烧性能。但现有氧化理论无法解释Al3Zr在960℃附近集中放热现象，这是一个全新基础科学问题。本项目拟用计算材料学设计不同结构的Al3Zr/Al复合燃料，用悬浮熔炼和高温气雾法结合制备系列Al3Zr/Al复合燃料，调节不同种类复合燃料的组织结构，研究复合燃料在氧化过程中组织结构与能量释放性能的对应关系，建立不同结构复合燃料反应机制对应的氧化动力学模型，合理定量解释反应动力学参数实际物理意义，为探索下一代金属燃料提供理论指导，满足航天领域和炸药领域对金属燃料更高要求。

为深入研究新型高密度低感度的Al3Zr/Al复合燃料的性能及应用前景，本文采用真空悬浮熔炼和高温气雾化法制备了系列Al3Zr/Al复合燃料粉末，并深入分析Al3Zr金属间化合物的定温集中氧化行为，揭示了Al3Zr/Al复合燃料组织结构与能量释放性能的对应关系，建立了氧化动力学模型，并进一步研究其对推进剂组分热分解作用的影响与用于制备含能结构材料的前景。.结果表明，采用真空悬浮熔炼与高温气雾化法制备的Al3Zr/Al复合燃料由Al3Zr和单质Al组成。与Al粉相比，Al3Zr/Al复合燃料的放热温度更低，放热更集中，增重更大，最高达71.2%，热氧化活性更好。Al3Zr/Al复合燃料内部特殊的组织结构和Al3Zr的非选择性氧化促使其均在960 ℃附近集中放热，进而完全氧化。Al3Zr/Al复合燃料的体积燃烧焓超过单质Al粉，最大高达80.64 kJ/cm3，燃烧时最大增压率随Zr含量的增加呈指数增加，最大可达1.03 MPa/s。Al3Zr/Al复合燃料对AP的高温分解起到促进作用，高温分解峰温降低提高，高温分解活化能降低。Al3Zr/Al复合燃料对HTPB的交联环化过程及解聚离解过程无明显影响。三元体系中HTPB降低了Al3Zr/Al复合燃料对AP热分解的影响。模压-烧结制备的Al-30Zr与Al-50Zr含能结构材料的抗压强度较低，最高分别仅为278.5 MPa与377.5 MPa。SPS制备的含能结构材料抗压强度更高，最高分别可达458.3 MPa与1113.7 MPa。动态冲击时，Al-30Zr含能结构材料的极限强度随着烧结温度的提高先增后减，随着应变率的增加单调递增，最大的极限强度为1109.2 MPa，表现出明显的应变率效应。塑性阶段表现出应变硬化特性，失效应变基本相同。最大塑性应变随着应变率的增加逐渐变大，当应变率为4950 s-1时具有最大塑性应变34.4%。而Al-50Zr含能结构材料的动态冲击失效应变较小，约为0.5%，表现出脆性破坏的特点。极限强度随着烧结温度的提高先增后减，随应变率的增加而增加，应变率为4980 s-1、烧结温度为710 ℃时极限强度最大，为1652.3 MPa，也具有明显的应变率效应。.本项目为新型高密度低感度金属燃料的设计、制备及应用提供了数据与理论支撑，可更好满足固体推进剂和火炸药领域对新型高能高密度金属燃料的迫切需求。