儲氫材料在高能固體火箭推進劑中的應用分析

馬 義（貴州工程應用技術學院，貴州畢節(jié) 551700）

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儲氫材料在高能固體火箭推進劑中的應用分析

馬 義
（貴州工程應用技術學院，貴州畢節(jié) 551700）

摘 要：針對高能固體火箭推進劑使用儲氫材料進行了分析，從金屬氫化物、金屬氮氫化合物以及金屬配位氫化物這幾方面著手，對儲氫材料分解推進劑組分、改善燃燒性能等作用作了分析，然后對其在推進劑中的實際應用及發(fā)展前景作了闡述。

關鍵詞：儲氫材料；高能固體火箭；推進劑

對于火箭而言，高能固體推進劑是保證其達到預定任務目標的關鍵，而能量水平是推進劑發(fā)展過程中所需重點關注的問題。氫氣在推進劑的燃燒過程中，能夠實現(xiàn)降低分子平均質(zhì)量的作用，而且可以釋放大量能量。所以，需要通過一定的儲氫技術為推進劑的燃燒提供充足的氫氣，而儲氫材料就是最為適宜的氫氣提供途徑。因此，需要對儲氫材料加強研究，使其能夠在高能固體火箭推進劑的燃燒中發(fā)揮出更大作用。

1 金屬氫化物

在金屬氫化物這個方面，主要的儲氫材料可以分為儲氫合金氫化物和單一合金氫化物兩種，前者是以過渡金屬元素為主，其反應間接物和氫共同生成間隙性氫化物，后者含有較多的輕金屬氫化物，包括了氫化鈉、氫化鋰等。

對于儲氫合金氫化物而言，依照和氫進行反應的類型不同，可以分為IA-VB和VIB-VIIIB兩類元素。前者能夠和氫進行放熱反應，形成較為穩(wěn)定的氫化物；后者往往難以形成氫化物，其反應需要吸熱。通過對不同種類的金屬元素進行試驗分析，發(fā)現(xiàn)鎂系合金的儲氫能力相對優(yōu)良，能夠達到3.6%的水平。對高能固體火箭推進劑的實際燃燒試驗，發(fā)現(xiàn)推進劑氧化劑高氯酸銨在熱分解的過程中，Mg2NiH4能夠起到有效的催化作用，使得高氯酸銨實現(xiàn)低溫分解。從更深的層次分析發(fā)現(xiàn)，在Mg2NiH4分解過程中，會產(chǎn)生Mg、Ni和H2，分別可以與高氯酸銨發(fā)生反應，推動其分解進度。在高能固體火箭推進劑中應用儲氫材料，需要針對其燃燒性能和推進劑能量全面考慮，同時對成分之間的相容性、力學性能、特征信號等指標進行衡量。竇燕萌等人對鎂、鋁、硼、氫等元素的合金氫化物進行了密度、穩(wěn)定性、燃燒熱以及耗氧量等技術指標的測量，發(fā)現(xiàn)其儲存性能在干燥空氣中較為穩(wěn)定，和鋁擁有相當?shù)暮难趿颗c密度，但是燃燒熱高于鋁。儲氫合金氫化物能夠在推進劑的燃燒中提供充足的氫，促進推進劑的燃燒性能。而且和傳統(tǒng)的化學儲氫材料相比，其氫含量較低。但是其含有多種元素，能夠共同發(fā)揮作用。

對于單一金屬氫化物而言，其只含有一種金屬元素，如鎂、鋁、鐵、鈣等。根據(jù)對不同單金屬氫化物的性質(zhì)進行考量，發(fā)現(xiàn)AlH3和MgH2的標準理論沖值要優(yōu)于Al，其他幾類則小于Al。由此，就是的業(yè)界對單一金屬氫化物的研究集中在了AlH3和MgH2上，并且取得了一定成果，在推進劑中的應用也不斷深入。

2 配位氫化物

就當前實際研究進展而言，金屬鋁氫化合物和金屬硼氫化合物是研究的兩類主要配位氫化物，在推進劑中具有不小的應用潛力。

金屬鋁氫化合物是以輕金屬鋁氫化合物為主，包括了鋁氫化鈉、鋁氫化鋰、鋁氫化鎂、鋁氫化鉀以及鋁氫化鈣，其中鋁氫化鋰具有最高的含氫量，達到了10%以上，而鋁氫化鉀的含氫量最低，在7.4%左右。從穩(wěn)定性方面來說。金屬鋁氫化合物相較于硼氫化合物而言，其在較低的溫度下就能夠實現(xiàn)氫氣的放出，穩(wěn)定性較差。對于該類儲氫材料在推進劑中的應用研究還比較少，通過對化學原理的分析研究可以發(fā)現(xiàn)，鋁氫化鋰和鋁氫化鎂在標準理論沖值上均要大于Al，并且具有最優(yōu)的能量特性參數(shù)值，而且鋁氫化鋰的效果要優(yōu)于鋁氫化鎂。從理論上來說。兩者能夠在推進劑中實現(xiàn)高水平的促進作用。

金屬硼氫化合物主要是堿金屬硼氫化合物、過渡金屬硼氫化合物等。在這些不同的儲氫材料當中，儲氫效果最好的是硼氫化鋁，達到了19%以上，其次是硼氫化鋰，儲氫比值超過了18%。在常溫狀況下，硼氫化鋁的狀態(tài)是液相狀態(tài)，穩(wěn)定性不高，容易受熱分解為硼烷，對于推進劑而言不太適用。而其他的輕金屬硼氫化物都是固體，具有較好的穩(wěn)定性，在推進劑中具有較大的應用潛力。但是，輕金屬硼氫化合物的研究還不夠深入，業(yè)界對其在推進劑中的應用也還沒有太深入。姚淼等人通過差示掃描量熱法對RDX和硼氫化鎂之間的相互作用進行了分析，發(fā)現(xiàn)RDX的指前因子和表觀活化能在加入硼氫化鎂之后，都實現(xiàn)了一定程度的提升，說明其促進了RDX的性能。通過對硼氫化合物的分解過程進行觀察，發(fā)現(xiàn)其屬于吸熱反應，這在能量釋放要求較高的環(huán)境下，會產(chǎn)生一定的負面影響。若是在其中加入氨基團，可以實現(xiàn)放氫過程熱量的調(diào)節(jié)，減小對推進劑的負面影響。

3 其他儲氫材料

除了上述的兩類主要的儲氫材料之外，金屬氮氫化合物、氨硼烷及衍生物也是比較常見的儲氫材料，對于推進劑而言具有不小的應用潛力。將金屬氮氫化合物運用到推進劑中，因為會受到固相反應動力限制，造成氫氣的放出難度較大，造

成氨氣釋放過多的情況。所以，在推進劑中使用該類儲氫材料，需要加強控制。而氨硼烷具有較高的儲氫量，而且反應過程會放出熱量，這有利于推進劑的進一步燃燒。但是，由于該類儲氫材料的穩(wěn)定性較差，和當前推進劑的工藝存在矛盾，所以在使用過程中需要對相容性的問題加強考量。

4 結束語

針對高能固體火箭推進劑的研究不斷深入，儲氫材料的運用也逐漸深入。通過對金屬氫化物、配位氫化物等儲氫材料進行研究分析，發(fā)現(xiàn)其在儲氫能力、反應過程等方面都存在一定差異。因此需要結合推進劑的加工工藝，合理使用儲

氫材料。

參考文獻

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Application of Hydrogen Storage Materials in High Energy Solid Rocket Propellant

Ma Yi

Abstract：High energy solid rocket propellants were analyzed using a hydrogen storage material，begin from the metal hydride，metal hydrogen and nitrogen compounds，and metal hydride ligand in these areas，the decomposition of hydrogen storage materials propellant components improve the combustion performance an analysis of the role，and then elaborated on its practical application and development prospects in the propellant.

Key words：hydrogen storage material；high energy solid rocket；propellant

中圖分類號：V512

文獻標志碼：A

文章編號：1003–6490（2016）02–0052–02

收稿日期：2016–02–04

作者簡介：馬義（1995—），男（苗族），貴州畢節(jié)人，本科在讀，主要研究方向為應用化學。