金屬燃料在不同氣氛中的點(diǎn)火溫度

秦釗,Christian PARAVAN,Giovanni COLOMOBO,Luigi T.DELUCA,沈瑞琪，葉迎華

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金屬燃料在不同氣氛中的點(diǎn)火溫度

秦釗1,2,Christian PARAVAN2,Giovanni COLOMOBO2,Luigi T.DELUCA2,沈瑞琪1，葉迎華1

（1.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094；2.SPLab, Dipartimento di Scienze e Tecnology Aerospaziali, Politechnico di Milano, 20156 Milano, Italy)

利用自行設(shè)計(jì)的金屬燃料點(diǎn)火溫度測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試了常壓下分別在空氣和氧氣中的鎂包覆硼粉（包覆度20%）、鎂粉及鋁合金am-Al的點(diǎn)火溫度。結(jié)果表明，與在空氣中相比，3種金屬燃料在氧氣中的點(diǎn)火溫度均有所降低；鎂包覆硼粉有效降低了硼的燃點(diǎn)，促進(jìn)了硼的點(diǎn)火和燃燒，且鎂包覆硼粉在氧氣中更易燃燒，其點(diǎn)火溫度僅為約195.92℃；am-Al在氧氣中可點(diǎn)燃，其點(diǎn)火溫度低于鎂，且燃燒放出的熱量最高。在充足的氧氣環(huán)境下，鎂包覆硼粉及am-Al的點(diǎn)火溫度均低于300℃，二者均可用作高熱值金屬燃料。

金屬燃料；點(diǎn)火溫度；鎂包覆硼；鋁合金

金屬燃料因具有高的燃燒熱及高密度，被廣泛地研究應(yīng)用于炸藥、推進(jìn)劑等含能材料中，如鋁、鎂、硼等[1]。鋁粉燃燒熱雖較低，但其耗氧量低、密度高，來源豐富，已獲得廣泛的應(yīng)用[2]，超級(jí)鋁熱劑近年來也成為研究熱點(diǎn)[3]。鎂粉熔點(diǎn)與鋁粉接近，二者常組成合金用作高能燃燒劑[4]，鎂粉也可用于特種推進(jìn)系統(tǒng)中[5]。硼具有最大的體積熱值、重量熱值和燃燒產(chǎn)物潔凈等優(yōu)點(diǎn)，是富燃料推進(jìn)劑的理想燃燒劑[6]。在硼粒子表面包覆低熔點(diǎn)的易燃金屬，可以降低硼的燃點(diǎn)，促進(jìn)硼的點(diǎn)火和燃燒；文獻(xiàn)[7]采用金屬鎂作為硼粒子包覆層，研究結(jié)果表明，在高溫下鎂可以與B2O3反應(yīng)生成硼單質(zhì)，該反應(yīng)降低了硼粒子的點(diǎn)火時(shí)間，提高了燃燒效率；當(dāng)鎂的包覆度低于30％時(shí)，隨著鎂含量的增加，硼粉的燃速也隨之增加，當(dāng)包覆度為20％，燃速增加的幅度最高。同樣新型的鋁合金作為燃料用于固態(tài)燃料中可提高燃料的燃速[8]。

目前，通過在開放體系中加熱、觀察金屬燃料或鋁熱劑在某一溫度下是否被點(diǎn)燃，來測(cè)量其點(diǎn)火溫度的實(shí)驗(yàn)方法[9-10]較簡(jiǎn)易，但結(jié)果偏高，且無法獲得在不同氣氛及壓力下金屬燃料的燃燒情況。準(zhǔn)確測(cè)量金屬燃料在不同條件下的點(diǎn)火溫度及燃燒情況，可為改善金屬燃料的點(diǎn)火及燃燒特性、研究其點(diǎn)火機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本文設(shè)計(jì)、加工了能準(zhǔn)確測(cè)量金屬燃料點(diǎn)火溫度的系統(tǒng)裝置，利用該裝置測(cè)試常壓下空氣和氧氣中的Mg包覆硼粉、Mg粉及新型鋁合金am-Al的點(diǎn)火溫度，研究其點(diǎn)火及燃燒特性，并分析其用作高熱值金屬燃料的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)樣品

1.1 金屬顆粒的類型

實(shí)驗(yàn)研究的3種不同金屬顆粒如表1所示。MgB由美國(guó)MACH_I研發(fā)提供，它是在B顆粒的表面包覆了一層Mg，實(shí)驗(yàn)中采用的Mg20B90顆粒中Mg的含量為20%，B的含量為80%，且B的純度為90%。am-Al是鋁、鐵和釔的合金，它們?cè)诤辖鹬械馁|(zhì)量比分別為70.30%、13.54% 和 16.16%。鎂粉為傳統(tǒng)的金屬燃料，將其與兩種新型的金屬顆粒進(jìn)行對(duì)比。

表1 金屬燃料的基本性能

Tab.1 Character of metal fuel

1.2 金屬燃料的粒徑分布

粒徑對(duì)金屬燃料的點(diǎn)火和燃燒性能等具有重要的影響[11-12]。利用英國(guó)Malvern公司的MASTERSI- ZER2000激光粒度儀對(duì)MgB和am-Al進(jìn)行了粒度測(cè)試。每種顆粒均進(jìn)行5次平行測(cè)試，以剩余殘?jiān)钌俚?次試驗(yàn)的平均值作為最終結(jié)果，如圖1所示。

結(jié)果表明，兩種新型金屬燃料的尺寸均在微米量級(jí)。am-Al的粒徑分布較窄，平均直徑為83.67μm；MgB的粒徑分布較寬，平均直徑只有5.17μm。試驗(yàn)用的Mg為325目篩下物，即其粒度小于47μm。

圖1 MgB和am-Al的粒徑示意圖

2 點(diǎn)火溫度測(cè)試系統(tǒng)

金屬顆粒的點(diǎn)火溫度直接影響到燃料的點(diǎn)火和燃燒性能。圖2為金屬顆粒點(diǎn)火溫度的測(cè)試裝置示意圖，圖3（a）為點(diǎn)火室的實(shí)物圖。所有的點(diǎn)火試驗(yàn)均在不銹鋼點(diǎn)火室中進(jìn)行。點(diǎn)火室連有3組線纜，一組接電源用于加熱橋絲，其它的兩組均為同軸電纜，分別將熱電偶（TC）和光電探頭（PD）連接到示波器上。直徑50μm的S型熱電偶被用于測(cè)量金屬顆粒點(diǎn)火過程中的溫度變化。直徑10mm的Ni-Cr絲被冷加工成相應(yīng)的形狀，一方面用于加熱，另一方面用于支撐金屬顆粒的平臺(tái)。Ni-Cr絲的加熱速率由通過電源的輸出電流來控制。圖3（b）所示為樣品支撐臺(tái)，試驗(yàn)時(shí)應(yīng)確保熱電偶兩種材料的焊接點(diǎn)既要埋在金屬顆粒中又不能接觸到加熱絲。

圖2 金屬顆粒點(diǎn)火溫度測(cè)試裝置示意圖

圖3 金屬顆粒點(diǎn)火溫度測(cè)試裝置實(shí)物圖

分別測(cè)試了金屬燃料在壓強(qiáng)為0.1 MPa的空氣和氧氣中的點(diǎn)火溫度，其中橋絲的加熱速率均為300 ℃/s。

3 結(jié)果與討論

3.1 金屬燃料在空氣中的點(diǎn)火燃燒

圖4為MgB顆粒點(diǎn)火時(shí)的典型測(cè)試結(jié)果，Mg顆粒點(diǎn)火的結(jié)果與其類似。由圖4可知，0時(shí)刻為接通電源后Ni-Cr橋絲開始加熱的時(shí)刻，Ni-Cr絲加熱后溫度逐漸升高，至1時(shí)刻橋絲受熱變紅，光電探頭探測(cè)的信號(hào)逐漸增強(qiáng)；2時(shí)刻金屬顆粒被點(diǎn)燃，光電探頭探測(cè)到的信號(hào)迅速增強(qiáng)，溫度信號(hào)的斜率也明顯增加，說明金屬顆粒燃燒放出大量的熱量。2時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的發(fā)生突躍變化的溫度T即為金屬顆粒的點(diǎn)火溫度。3時(shí)刻金屬顆粒燃燒殆盡，此后溫度逐漸降低。2~3間隔較短說明金屬顆粒的燃燒很快（<1s）。

圖4 MgB金屬顆粒在空氣中點(diǎn)火的典型結(jié)果

表2 金屬顆粒在空氣中的點(diǎn)火溫度

Tab.2 Ignition temperature of metal particles in air

表2所示為金屬顆粒在空氣中的點(diǎn)火溫度。在空氣中Mg和MgB均被成功點(diǎn)燃，然而am-Al未被成功點(diǎn)燃，只觀測(cè)到少量的火花，表明其點(diǎn)火溫度最高。金屬M(fèi)g粉在9次實(shí)驗(yàn)中均被點(diǎn)燃，其點(diǎn)火溫度最低，只有（383.16 ± 38.10）℃。MgB的點(diǎn)火溫度高于鎂粉，其值為（600.70 ± 52.23）℃。

硼不僅熔點(diǎn)和沸點(diǎn)非常高（大于2 000 K），而且其表面氧化膜B2O3的汽化熱高，導(dǎo)致硼的點(diǎn)火性能差，燃盡困難，燃燒效率低。由于Mg的點(diǎn)火溫度低，燃燒熱值高，包覆于硼粉時(shí)，Mg首先燃燒提供大量的熱能，防止硼粒子表面形成低溫氧化層，而且Mg與硼生成的金屬硼化物的燃點(diǎn)較低，有效降低了硼的燃點(diǎn)，促進(jìn)了硼的點(diǎn)火和燃燒。

3.2 金屬燃料在氧氣中的點(diǎn)火燃燒

圖5所示為示波器采集到的am-Al在氧氣中點(diǎn)燃的典型信號(hào)。如圖5所示，一旦am-Al金屬顆粒被點(diǎn)燃，熱電偶絲即被迅速熔斷，無法繼續(xù)測(cè)量溫度。相比于在空氣中，氧氣環(huán)境中的氧氣更為充足，能夠使金屬顆粒的燃燒更為完全，放出的熱量更多。

表3為3種金屬顆粒在氧氣中的點(diǎn)火溫度。由表3可見，3種金屬顆粒在氧氣中均被成功點(diǎn)燃，且其點(diǎn)火溫度相比它們?cè)诳諝庵械狞c(diǎn)火溫度都有所降低。其中Mg的點(diǎn)火溫度降低幅度最少，僅為56℃；MgB顆粒在氧氣中最易點(diǎn)燃，其點(diǎn)火溫度只有（195.92± 19.32）℃，相比其在空氣中的點(diǎn)火溫度降低了405 ℃。am-Al在氧氣中被成功點(diǎn)燃，其點(diǎn)火溫度只有（270.49 ± 76.12）℃，低于Mg顆粒。

圖5 am-Al金屬顆粒在氧氣中點(diǎn)火的典型結(jié)果

表3 金屬顆粒在氧氣中的點(diǎn)火溫度

Tab.3 Ignition temperature of metal particles in oxygen

圖6所示為不同金屬顆粒燃燒后的Ni-Cr橋絲情況。am-Al點(diǎn)火后Ni-Cr絲被完全熔斷，如圖6（a）所示；而Mg粉和MgB粉燃燒后橋絲未被熔斷，如圖6（b）所示。表明am-Al在氧氣中燃燒所放出的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MgB和Mg燃燒所放出的熱量。

圖6 金屬顆粒在氧氣中燃燒后Ni-Cr橋絲情況

硼燃燒時(shí)的耗氧量大，是Mg的3.36倍。因此在空氣中燃燒時(shí)，MgB粉的點(diǎn)火溫度顯著高于Mg。但在充足的氧氣環(huán)境中，B與O2接觸的有效面積變大，增加了粒子表面的氧分?jǐn)?shù)，使得其汽化和反應(yīng)所需的能量相對(duì)更少，具體表現(xiàn)為點(diǎn)火溫度顯著降低。

am-Al在空氣中難以點(diǎn)燃，但其在氧氣中易燃燒并具有高熱量，其點(diǎn)火溫度低于300℃，且其耗氧量最低、密度最高，可用作高能金屬燃料。因此，后續(xù)可研究將am-Al、MgB分別替代Al粉作為金屬燃燒劑用于燃料和推進(jìn)劑中。

4 結(jié)論

（1）采用自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，可準(zhǔn)確測(cè)量金屬顆粒在不同氣氛中的點(diǎn)火溫度。

（2）Mg包覆硼粉可有效降低硼的燃點(diǎn)，促進(jìn)了硼的點(diǎn)火和燃燒；與在空氣中相比Mg包覆硼粉在氧氣中更易燃燒，其點(diǎn)火溫度顯著降低，僅有195.92℃。

（3）am-Al僅在氧氣中可點(diǎn)燃，其點(diǎn)火溫度（270.49℃）低于Mg的點(diǎn)火溫度，且其燃燒放出的熱量最高。

（4）在充足的氧氣環(huán)境下，Mg包覆硼粉及am-Al的點(diǎn)火溫度均低于300℃，其密度和燃燒熱值均較高，可用作高熱值金屬燃料。

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Ignition Temperature of Metal Fuel in Different Atmosphere

QIN Zhao1, 2, Christian PARAVAN2, Giovanni COLOMOBO2, Luigi T. DELUCA2, SHEN Rui-qi1, YE Ying-hua1

（1.School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210094；2.SPLab, Dipartimento di Scienze e Tecnology Aerospaziali, Politechnico di Milano, 20156 Milano, Italy)

Ignition temperature of Mg, B coated by Mg (coating rate 20%) and alloy am-Al in air and oxygen at ambient pressure were studied, by use of self-designed experiment system. The result shows, ignition temperature in oxygen of all three metals are lower than that in air, B coated by Mg can significantly lower ignition point of B, and accelerate ignition and burning of B. Meanwhile, it is much easier for B coated by Mg to burn in oxygen, and the ignition temperature is only 195.92℃. Alloy am-Al can be ignited in oxygen, and the ignition temperature is lower than that of Mg. Among these three metal, alloy am-Al release much more heat during combustion compared with other two powders, ignition temperature of B coated by Mg and alloy am-Al are lower than 300 ℃, thus, both of them can be used as high calorific value metal fuel.

Metal fuel；Ignition temperature；B coated by Mg；Alloy Al

TQ560.4

A

1003-1480（2014）04-0024-04

2014-04-30

秦釗（1987-），男，博士研究生，從事混合推進(jìn)用燃料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究。