阅读说明：本技术 一种含氢的金属燃烧剂及其制备方法 (Hydrogen-containing metal combustion agent and preparation method thereof ) 是由 柳东明 时文涛 张明 斯庭智 李永涛 张庆安 于 2020-04-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种含氢的金属燃烧剂及其制备方法,属于固体燃烧剂技术领域。该燃烧剂由铝、镁和氢三种元素组成,其物相组成为铝和氢化镁,铝与氢化镁的摩尔比为2～4:1。其制备方法包括下述步骤：首先,按照2～4:[1/(1-x)](x为熔炼过程中镁的烧损率)的摩尔比,称取纯度不低于99.5％的金属铝和镁；然后,利用熔炼法将铝和镁熔炼成合金,并将合金机械粉碎成粒度小于300目的粉末；最后,在350～400℃和8MPa氢压下对合金粉末进行氢化处理。本发明的技术效果在于：所提供的含氢的金属燃烧剂具有低的点火温度、高的反应活性和燃烧效率,且制备工艺简单、安全可靠、价格低廉。(The invention discloses a hydrogen-containing metal combustion agent and a preparation method thereof, belonging to the technical field of solid combustion agents. The combustion agent consists of three elements of aluminum, magnesium and hydrogen, the phase composition of the combustion agent is aluminum and magnesium hydride, and the molar ratio of the aluminum to the magnesium hydride is 2-4: 1. The preparation method comprises the following steps: firstly, weighing metal aluminum and magnesium with the purity of not less than 99.5 percent according to the molar ratio of (1/(1-x)) (x is the burning loss rate of magnesium in the smelting process) of 2-4; then, smelting aluminum and magnesium into alloy by using a smelting method, and mechanically crushing the alloy into powder with the particle size of less than 300 meshes; and finally, carrying out hydrogenation treatment on the alloy powder at 350-400 ℃ and 8MPa hydrogen pressure. The invention has the technical effects that: the provided hydrogen-containing metal combustion agent has the advantages of low ignition temperature, high reaction activity and combustion efficiency, simple preparation process, safety, reliability and low price.)

一种含氢的金属燃烧剂及其制备方法

技术领域

本发明属于固体燃烧剂技术领域，具体涉及一种含氢的金属燃烧剂及其制备方法。

背景技术

金属燃烧剂是现代固体推进剂的重要组分，其不仅可以提高推进剂的能量密度，并且燃烧生成的金属氧化物固体微粒可以起到抑制振荡燃烧的作用。铝粉具有高的体积燃烧焓和能量密度，且资源丰富、价格便宜，是一种广泛应用的轻金属燃烧剂。然而，普通铝粉由于其低的熔点和高的沸点，存在点火温度高、燃烧效率低、燃烧不完全和燃烧时容易结块等不足。

铝粉的燃烧过程与其粒径有关，将铝粉纳米化是改善其燃烧性能的有效方法之一，与微米级铝粉相比，纳米级铝粉具有低的点火温度，同时由于点火阈值的降低而倾向于单颗粒燃烧，既提高了燃烧效率，也减小了颗粒团聚[卢红霞,候铁翠,曾昭桓等,轻合金加工技术,2007,35(10):69-72]。但纳米级铝粉高的比表面积导致其在空气中极易发生氧化，实际活性铝的含量和燃烧热值会大大降低。另一种改善铝粉燃烧性能的方法为，通过合金熔炼法或者机械合金化法向铝中添加第二种元素(如镁、钛或锂等)来制备铝基二元合金。例如，镁含量为10～50％的五种铝-镁合金粉的点火温度在747～897℃范围内变化，明显低于铝的点火温度[Shoshin Y L,Mudryy R S,Dreizin E L,Combustion and Flame,2002,128(3):259-269]；同时铝-镁合金粉分别在550～600℃和900～1200℃有两步明显不同的氧化过程[Schoenitz M,Dreizin E L.Journal of propulsion and power,2004,20(6):1064-1068]。虽然，铝基二元合金粉的活性优于纯铝，但是其大多进行多次氧化放热反应，使得能量释放较为分散，不能集中放热，且铝相往往难以燃烧完全。综上，虽然铝基金属燃烧剂的开发和应用已取得了不少正面结果，但仍需进一步降低其点火温度和提高燃烧效率。

发明内容

本发明针对现有铝基金属燃烧剂技术的不足，提供了一种性能优良、成本低、制备工艺简单的含氢的金属燃烧剂及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明所提供的含氢的金属燃烧剂由铝、镁和氢三种元素组成，其物相组成为铝和氢化镁，铝与氢化镁的摩尔比为2～4:1。

该燃烧剂的制备包括如下步骤：

(1)按照2～4:[1/(1-x)]的摩尔比，称取纯度不低于99.5％的金属铝和镁；所述x为熔炼过程中镁的烧损率；

(2)利用熔炼法将步骤(1)的铝和镁熔炼成合金；

(3)将步骤(2)所得的合金机械粉碎成粉末；

(4)对步骤(3)所得的合金粉末进行氢化处理。

作为一种优化，所述步骤(3)中将合金机械粉碎后的粉末粒度小于300目。

作为一种优化，所述步骤(4)氢化处理是指：在350～400℃，进行两次吸放氢循环：8MPa氢压下吸氢24h，真空放氢1h后，再在8MPa氢压下吸氢24h。

本发明的科学原理如下：

本发明将氢以固态存在方式引入到铝-镁合金燃烧剂中，使得燃烧剂的相组成由原来的Al₃Mg₂和Al相变为MgH₂和Al相，可有效降低点火温度、提高燃烧剂的活性和燃烧效率。首先，铝-镁合金在氢化处理过程中，氢的吸收和释放会导致晶格发生膨胀和收缩，使铝-镁合金产生粉化并形成大量的晶体缺陷，从而显著增加燃烧反应界面和活性。其次，含氢的铝-镁合金燃烧剂在燃烧过程中，MgH₂会分解并释放氢气，由于晶格的收缩会形成新鲜的表面，从而有利于燃烧的进行。再次，氢气具有1.43×10⁵kJ/kg的燃烧热值，远高于任何一种金属燃烧剂，含氢的铝-镁合金燃烧剂在燃烧过程中氢气的释放并燃烧可放出大量热量，提高燃烧性能。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)所提供的含氢的金属燃烧剂点火温度低、反应活性和燃烧效率高。

(2)所提供的含氢的金属燃烧剂以金属铝和镁为初始原料，来源广泛，价格低廉。

(3)所提供的含氢的金属燃烧剂的制备方法，工艺简单，安全可靠。

附图说明

图1为本发明实施例1中Al₂Mg合金氢化物(a)、实施例2中Al₃Mg合金氢化物(b)以及实施例3中Al₄Mg合金氢化物(c)的X射线衍射图谱。

图2为本发明实施例1中Al₂Mg合金氢化物的扫描电镜照片。

图3为本发明实施例1中Al₂Mg合金氢化物以及Al₂Mg合金升温到425℃的燃烧温度曲线。

图4为本发明实施例1中Al₂Mg合金氢化物以及Al₂Mg合金在空气中的差示扫描量热曲线。

图5为本发明实施例3中Al₄Mg合金氢化物在空气中的差示扫描量热曲线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。

实施例1

按照2:[1/(1-x)](x＝18％，为熔炼过程中镁的烧损率)的摩尔比，称取纯度不低于99.5％的铝片和镁条；利用真空感应熔炼法将铝片和镁条熔炼成合金；将熔炼所得的合金机械粉碎成粒度小于300目的粉末；将合金粉末在400℃，进行两次吸放氢循环(8MPa氢压下吸氢24h，真空放氢1h)后，再在8MPa氢压下吸氢24h，即可获得所述的含氢的金属燃烧剂，即Al₂Mg合金氢化物。

由图1a和2可见，所得含氢的金属燃烧剂由Al和MgH₂两相组成，其颗粒细小，疏松多孔。由图3可见，Al₂Mg合金氢化物在400℃前即可被点燃并形成燃烧峰，而未经氢化处理(即不含氢)的Al₂Mg合金却没有。由图4可见，Al₂Mg合金氢化物的点火温度约为365℃，比Al₂Mg合金降低了130℃左右，且Al₂Mg合金氢化物第二阶段的氧化燃烧反应比Al₂Mg合金更为集中，900℃以内可完成燃烧过程，具有高的活性和燃烧效率。

实施例2

按照3:[1/(1-x)](x＝18％，为熔炼过程中镁的烧损率)的摩尔比，称取纯度不低于99.5％的铝片和镁条；利用真空感应熔炼法将铝片和镁条熔炼成合金；将熔炼所得的合金机械粉碎成粒度小于300目的粉末；将合金粉末在350℃，进行两次吸放氢循环(8MPa氢压下吸氢24h，真空放氢1h)后，再在8MPa氢压下吸氢24h，即可获得所述的含氢的金属燃烧剂，即Al₃Mg合金氢化物。由图1b可见，所得含氢的金属燃烧剂由Al和MgH₂两相组成。

实施例3

按照4:[1/(1-x)](x＝18％，为熔炼过程中镁的烧损率)的摩尔比，称取纯度不低于99.5％的铝片和镁条；利用真空感应熔炼法将铝片和镁条熔炼成合金；将熔炼所得的合金机械粉碎成粒度小于300目的粉末；将合金粉末在400℃，进行两次吸放氢循环(8MPa氢压下吸氢24h，真空放氢1h)后，再在8MPa氢压下吸氢24h，即可获得所述的含氢的金属燃烧剂，即Al₄Mg合金氢化物。由图1c可见，所得含氢的金属燃烧剂由Al和MgH₂两相组成。由图5可见，Al₄Mg合金氢化物的点火温度约为375℃，且第二阶段的氧化燃烧反应集中，放热量大，1200℃以内可完成燃烧过程，具有高的活性和燃烧效率。