硼顆粒點火燃燒機理研究.pdf

1、硼具有極高的質量熱值和容積熱值，目前被認為是用于固體推進劑的最佳燃料。但在實際應用中，由于硼自身的高熔點和高沸點，導致其存在點火性能差，燃燒效率低等問題，影響了其能量性能的發揮。目前為止，國內外在硼的點火和燃燒機理方面尚沒有系統全面的研究結果。本文從實驗和理論方面，對硼顆粒的點火燃燒過程進行深入研究。研究主要從四個方面展開，包括硼在復雜氣氛下的熱力學研究，硼顆粒熱氧化特性研究，硼顆粒點火燃燒特性研究，最終建立較為完善的硼顆粒點火燃燒動力

2、學模型。
　　首先計算硼在各種復雜體系中反應的熱力學過程，分析其競爭反應機制。研究表明，B與O2的反應是B/O2/N2體系的主導反應，極少量的B參與和N2的反應。B/O2/H2O體系中，B與O2反應的優先級要高于H2O，B先與O2反應后其產物才開始與H2O反應。B/O2/CO2體系中B只與O2發生反應，而不與CO2發生反應。升溫不利于各體系的釋能，而提高壓力則有助于增大體系的釋能。
　　利用熱分析研究了晶態，粒徑，環境壓力，

3、初始氧化層厚度，氣流速度，升溫速率和反應氣氛對硼熱反應的影響。晶體硼相對無定形硼高更難點火。硼的點火溫度和反應效率隨粒徑降低下降。隨著環境壓力從1atm增大到20 atm，點火溫度降低了近50℃，而反應效率則在高壓下大幅降低。氧氣有利于提高硼的反應速率，但初始氧化層的存在對反應是不利的。動力學分析表明，硼氧化反應的表觀活化能受粒徑和環境壓力的影響。在較高壓力下，粒徑較小的硼具有相對低的活化能值。
　　利用激光點火和高壓氙燈燃燒試驗

4、臺研究了樣品特性，粒徑，初始表面氧化層厚度，點火功率，氧濃度，反應氣氛，氣流速度及環境壓力等因素對硼顆粒點火和燃燒的影響規律。結果表明，無定形硼具有點火更迅速，燃燒更劇烈，反應更充分的特點，其點火燃燒性能均優于晶體硼。粒徑的增加在一定程度上有助于改善硼的燃燒。初始氧化層的存在對硼顆粒的點火燃燒性能是不利的。提升點火功率，可使硼顆粒點火后火焰傳播速度加快。氧濃度的提高將使硼的燃燒更加劇烈和充分。無定形硼在氮氣氣氛下也可以發生點火并燃燒產生

5、火焰，但燃燒強度明顯低于在純氧氣氛下的燃燒。當在較低水平時，氣流速度的增大將促進硼顆粒的點火和燃燒，而當超過一定程度后，氣流速度的增大則不利于硼顆粒的點火和燃燒過程。水蒸氣濃度的增加對硼顆粒的點火是有利的。在1～10 atm范圍內，觀察到2μm單個無定形硼顆粒的燃燒階段是連續的，其點火時間隨環境壓力變化略微降低，但不敏感。隨著環境壓力的增大，燃燒時間呈現不斷減小的趨勢。
　　建立了全新的硼顆粒點火動力學模型。通過微觀觀察，首次檢測

6、到氧在表面氧化層中的擴散現象，并發現硼表面氧化層中存在兩種典型的組分擴散機制。其中一種情況是表面氧化層由內向外組分分布依次是B2O3，(BO)n和B2O3，另一種情況則是呈現(BO)n和B2O3分布。針對這兩種不同的組分分布特征，分別建立了亞模型Ⅰ和亞模型Π。亞模型Ⅰ中，硼表面氧化層內同時存在(BO)n及O2的擴散過程。而亞模型Π中，(BO)n的擴散為主導過程。兩個亞模型被合并成一個新的點火模型，稱為BD模型。模型包括四個主要的動力學過