氟化钠添加对铝/水反应制氢及铝/冰推进剂燃烧的影响研究

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金属铝作为应用前景广泛的含能载体,廉价易得,用途广泛,既能与水反应生成氢气并释放热量,同时与水混合后制成的铝/冰推进剂可作为固体火箭发动机的燃料。铝/水反应制氢过程中,铝颗粒表面会生成致密的氧化膜,抑制铝/水反应的继续发生。为减少氧化膜和中间产物对产氢过程的影响,本文研究了氟化盐添加剂对铝/水反应制氢过程的影响规律及作用机制。选取氟化钠(Na F)和氟化钾(KF)添加剂作为主要研究对象,考察添加浓度及反应温度对铝/水产氢特性的影响。铝/冰推进剂存在燃速慢和燃烧效率低等问题,为解决这些问题。本文研究了Na F添加剂对铝/冰推进剂燃烧特性的影响规律,系统研究了添加量对质量和线性燃速,燃烧效率的等特征参数的影响,对作用机理进行了论述。本文研究得到的主要结论如下:(1)通过实验研究分析对比不同氟化盐对铝/水反应制氢过程的影响规律,结果表明,添加Na F和KF的实验组最终产氢量明显高于其他对照组,产氢率和最大产氢速度都会随添加量的增加而提升。在相同添加量的条件下,Na F无论是产氢率还是最大产氢速率,都要高于KF,并且在添加量达到2.5wt%时继续增大添加量将不会再使产氢率提升。不同温度下添加剂对铝/水反应的影响研究表明,温度的增加显著降低了反应初始诱导阶段的时间,同时也提高了产氢率。(2)对添加Na F及KF的铝/水反应产物采用XRD和SEM进行分析表征,结果发现,Na F在水中发生水解反应生成Na OH,为反应提供碱性环境,也会将反应中不断生成的Al(OH)3持续消耗,促进了反应的进行。添加KF的溶液中,在3.0wt%时反应产物中依然存在Al(OH)3,并且溶液中产生大量块状悬浮物,影响了铝的水解反应。(3)建立收缩核模型对产氢曲线进行拟合,结果发现,Na F和KF在0.5wt%~2.0wt%弱碱性时的产氢率曲线与收缩核模型得到的曲线高度吻合,而在2.5wt%~3.0wt%时强碱性的产氢曲线并不完全适用于收缩核模型。因此,对于强碱性环境时的产氢率曲线分两部分进行拟合,初始反应阶段采用动力学拟合,结果呈线性增加趋势,对反应后段采用收缩核模型进行分析。通过拟合结果得到相应参数值,随添加浓度的增加,参数a、n、D0的拟合数值逐渐减小,k0逐渐增大。(4)研究结果表明,铝/冰推进剂燃速随纳米铝粉粒径的减小而增大,随当量比的增加质量和线性燃速增加。开展了氟化钠添加对铝/冰推进剂燃烧性能的影响研究,结果表明,在添加量为0.1wt%~0.3wt%时,随着添加量的增加,质量和线性燃速、燃烧效率,都呈增长趋势。继续添加至0.4wt%时,燃速不仅没有升高,反而会降低,可得到Na F的最佳添加量为0.3wt%。
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