一种高热值硼铝合金燃料及其制备方法和应用
本发明涉及金属材料，具体涉及一种高热值硼铝合金燃料及其制备方法和应用。
背景技术：
1、金属基燃料在提升固体推进剂燃烧热值方面扮演着关键角色，而铝粉因其在火箭推进剂中的广泛应用成为研究焦点。然而，含铝的固体富燃料推进剂在燃烧效率与点火性能上仍面临显著挑战，其理论燃烧热值的局限性限制了其进一步应用。在众多金属元素中，硼(b)因其卓越的高质量能量密度(58.1kj/g)和最高体积能量密度(136.5kj/cm³)而备受瞩目，具有替代铝粉作为固体推进剂燃料的巨大潜力。然而，硼粉在实际应用中面临着两大主要问题。首先，硼颗粒在燃烧过程中易于被高沸点(1860℃)的液态氧化物所包裹，导致燃烧不完全，从而限制了其燃烧效率的提升。其次，硼粉表面容易与外界的氧气、水蒸气等发生反应，生成水溶性杂质如硼酸(h3bo3)，这些杂质与固体推进剂常用粘结剂端羟基聚丁二烯(htpb)发生缩合反应，生成高粘度端羟基聚丁二烯硼酸酯，进而恶化了固体推进剂的加工性能。
2、为实现上述目的，本领域技术人员采用了多种方法对硼粉进行改性研究，包括包覆法和合金化等策略。这些方法的目的是提高硼粉颗粒的燃烧效率和燃烧热值，缩短点火延迟时间，并增强硼粉与htpb的相容性。冯昊等研究人员采用沉淀沉积法，成功实现了极少量钴化合物在硼粉颗粒表面的均匀沉积。实验结果表明，相较于纯硼粉，沉积钴化合物的硼燃料在氧化过程中展现出了更高的反应活性，其氧化放热峰温提前了39-160℃，激光点火延迟时间也显著缩短至52-37ms（中国专利，cn202210462388.1，2022-07-28）。此外，冯昊等还探索了采用沉淀沉积-浸渍法和浸渍-沉淀沉积法在硼粉表面负载氧化铋和氧化钒等金属氧化物，以制备具有高反应活性的双金属氧化物改性硼燃料。这种改性方法显著提升了硼粉的燃烧性能，相较于未改性硼粉，其激光点火延迟时间最大可提前14-26ms，起始氧化温度最多可提前150-200℃（中国专利，202210462386.2，2022-08-02）。同时，董军等研究者采用研磨混合法，成功制备了一种含铝和聚四氟乙烯的硼基复合材料。这种新型复合材料的引入不仅解决了硼粉的酸性问题，改善了与htpb的工艺性能，还显著提高了含硼pbx炸药的爆热性能（中国专利，202010390866.3，2020-05-11）。张皓等则通过烧结工艺，以硼粉和纳米铝粉为原料制备了硼铝合金粉。该材料主要由铝和二硼化铝(alb2)两相构成，当硼粉与铝粉以2:1摩尔比混合并在800℃下烧结后，制得的硼铝合金粉展现出优异的燃烧性能。实验结果显示，其燃烧热值高达33.3kj/g，燃烧效率达到77.0%，相较于无定形硼粉，燃烧热值提升了139.6%，燃烧效率提高了53.4%（张皓,刘颖,李洪洋,等.硼铝合金粉的制备及其氧化燃烧特性[j].中国有色金属学报,2021,31(4):890-898）。这些方法不仅改变了硼粉的形貌结构和热反应特性，还在一定程度上优化了含硼燃料的燃烧性能。然而，硼粉燃烧性能的潜力尚未得到充分发掘，其燃烧效率、燃烧热值仍存在巨大的提升空间。
技术实现思路
1、针对上述背景技术中存在的不足，本发明主要解决现有技术中硼粉及其改性燃料燃烧效率低、燃烧热值不高的难题，通过使用球磨技术将硼粉与二硼化铝结合形成合金燃料来进一步充分发掘硼粉燃烧性能的潜力，达到更高的燃烧热值，从而将其应用于固体推进剂中，有望提升固体推进剂的点火燃烧性能。
2、本发明提供一种高热值硼铝合金燃料及其制备方法和应用。该方法利用球磨法将纳米级硼粉(nb)与二硼化铝(alb2)粉末按特定比例范围混合，以形成一种新型的高燃烧热合金燃料。此方法特别针对硼在燃烧过程中难以完全燃烧的问题，通过纳米化处理和精确比例混合，显著提高了燃烧热和燃烧效率，从而实现了燃料性能的优化。
3、本发明第一个目的是提供一种高热值硼铝合金燃料的制备方法，包括以下步骤：
4、将硼粉末和二硼化铝粉末按一定比例混合，通过球磨的形式制得硼铝合金燃料。
5、优选的，所述硼粉末和二硼化铝粉末的质量比为1：4~6.4。
6、优选的，所述硼粉末的粒径为160~190nm；所述二硼化铝粉末的粒径为5~15μm。
7、优选的，所述硼粉末的中值粒径为175nm；所述二硼化铝粉末的中值粒径10μm。
8、优选的，球磨时，还加入了过程控制剂，其中，过程控制剂为正己烷；球料的质量比为8~12:1。
9、优选的，球磨过程中，转速为150~250rpm；球磨时间120~160min，其中，正转20~40min，中间停10~20min，再反转20~40min，重复两次。
10、本发明第二个目的是提供一种高热值硼铝合金燃料。
11、本发明第三个目的是提供一种高热值硼铝合金燃料的复合颗粒，包括高热值硼铝合金燃料，以及将其与复配的高氯酸铵和聚偏氟乙烯；
12、其中，高氯酸铵、聚偏氟乙烯以及高热值硼铝合金燃料的质量比为1:1:4~6。
13、本发明第四个目的是提供一种高热值硼铝合金燃料的复合颗粒的制备方法，包括以下步骤：
14、将聚偏氟乙烯和高氯酸铵均匀分散于dmf中，制得透明粘稠的ap/pvdf溶液；
15、向ap/pvdf溶液中加入高热值硼铝合金燃料，混合均匀后，得到前驱液；
16、将前驱液进行喷雾造粒，得到高热值硼铝合金燃料的复合颗粒。
17、本发明第五个目的是提供一种高热值硼铝合金燃料或高热值硼铝合金燃料的复合颗粒在固体推进剂中的应用。
18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19、本发明提供了一种高热值硼铝合金燃料及其制备方法和应用，本发明采用原料纳米硼粉(nb)和二硼化铝(alb2)，通过球磨法制备出硼铝合金燃料，并基于热值优化组分配比（质量比）为5.4:1，质量热值和体积热值分别达到39.7kj·g-1和108.7kj·cm-3；在热值得到提升的同时，其热稳定性相较于nb也得到显著提升。并在此配方基础上，采用喷雾造粒法将alb2/nb与ap/pvdf复合，成功制备了alb2/nb@ap/pvdf复合燃料，有望将其应用于固体推进剂中。
20、本发明提供的制备方法不仅解决了硼的燃烧难题，还通过纳米材料的优异特性，提升了整个合金燃料的燃烧热释放效率。通过这种方法，本发明能够为能源领域带来一种更为高效的燃料解决方案。
21、本发明采用先进的球磨法制备硼铝合金燃料，其热值增幅较大。结合sem图分析，球磨法制备的合金燃料颗粒分布更为均匀，有利于提升alb2对nb促进燃烧的效果，为热值的提升创造了有利条件。此外，nb相较于μb，在提升硼铝合金燃料的热值方面展现出了更为优越的性能。进一步通过dsc分析，发现硼铝合金燃料中的b粉在加热氧化过程中，其性能得到了显著增强。具体来说，当温度达到850℃时，其增重从原先的33.0%大幅提升至190.7%；同时氧化起始温度也从549.2℃提高到了647.8℃，表明其热稳定性的也得到显著提升。
技术特征：
1.一种高热值硼铝合金燃料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的高热值硼铝合金燃料的制备方法，其特征在于，所述硼粉末和二硼化铝粉末的质量比为1：4~6.4。
3.根据权利要求1所述的高热值硼铝合金燃料的制备方法，其特征在于，所述硼粉末的粒径为160~190nm；所述二硼化铝粉末的粒径为5~15μm。
4.根据权利要求3所述的高热值硼铝合金燃料的制备方法，其特征在于，所述硼粉末的中值粒径为175nm；所述二硼化铝粉末的中值粒径10μm。
5.根据权利要求1所述的高热值硼铝合金燃料的制备方法，其特征在于，球磨时，还加入了过程控制剂，其中，过程控制剂为正己烷；球料的质量比为8~12:1。
6.根据权利要求1所述的高热值硼铝合金燃料的制备方法，其特征在于，球磨过程中，转速为150~250rpm；球磨时间120~160min，其中，正转20~40min，中间停10~20min，再反转20~40min，重复两次。
7.一种权利要求1~6任一项所述的方法制得的高热值硼铝合金燃料。
8.一种高热值硼铝合金燃料的复合颗粒，其特征在于，包括权利要求7所述的高热值硼铝合金燃料，以及将其与复配的高氯酸铵和聚偏氟乙烯；
9.一种权利要求8所述的高热值硼铝合金燃料的复合颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.一种权利要求7所述的高热值硼铝合金燃料或权利要求8所述的高热值硼铝合金燃料的复合颗粒在固体推进剂中的应用。
技术总结
本发明公开了一种高热值硼铝合金燃料及其制备方法和应用，涉及金属材料技术领域。所述方法包括将硼粉末和二硼化铝粉末按一定比例混合，通过球磨的形式制得硼铝合金燃料。本发明利用球磨法将纳米级硼粉(nB)与二硼化铝(AlB<subgt;2</subgt;)粉末按特定比例范围混合，以形成一种新型的高燃烧热合金燃料。此方法特别针对硼在燃烧过程中难以完全燃烧的问题，通过纳米化处理和精确比例混合，显著提高了燃烧热和燃烧效率，从而实现了燃料性能的优化。
技术研发人员：严启龙,杨丹锋,薛智华,张云龙
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5