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一种新型铝合金的制备及其水反应性能研究

金属燃料水冲压发动机是一种新型水下航行器动力系统,它以金属/水反应作为动力源,利用反应热和反应产生的高压气体推动航行体在水下高速航行。该体系的能量密度非常高,因为氧化剂取自环境中的海水而无需携带,且金属燃料本身就具有很高的能量水平。常见的水反应金属有铍、铝、镁和锂等,其中铝的优势最为突出。作为地壳中含量最多的金属元素,铝无毒,与水反应活性适中,体积能量密度为9.75kcal/cm³,是镁的1.8倍,锂的2.4倍,具有3个价电子和高达11.1wt.%的储氢密度(不考虑水用量),是最理想的水冲压发动机燃料。

铝的氧化产物排列致密,会阻碍铝/水反应的启动与进行,只有达到1500℃以上,铝经由熔化和气化,才能与水蒸气持续反应,这对铝应用于水下推进系统带来了极大困难。通过电爆轰等热物理手段可以制备纳米级的超细铝粉,纳米粒子特有的小尺寸效应能够使铝不经气化直接与水蒸气发生反应,降低了启动温度,提高了反应效率。但是大的比表面积造就的超强活性,使这种铝粉对空气的湿度十分敏感,极易发生氧化甚至自燃。

电化学领域发现低熔点的稀有金属能够提高铝/水反应的活性,例如镓可与铝形成类似铝汞齐的结构,穿透氧化膜并破坏其致密性,使铝/水反应在室温下得以启动。铟与镓属同族元素,化学活性相似,因熔点(156.61℃)高于镓(29.8℃),而未受到制氢领域的足够重视。适中的熔点可使铟在活化铝的同时又保持铝在常温下的储存性能,适合被应用到推进剂中。金属镁为表面活性金属,常用来降低金属燃料的点火温度,可以进一步降低铝/水反应的启动条件。

结果与讨论

1)铝铟镁三相合金中的铟含量达到6%时,在常温下与水发生明显的反应,反应过程为溶解-再沉积反应,配方93Al-5In-2Mg单位质量的水反应的产氢量仅为0.029mL/mg,对空气湿度不敏感,可以安全储存;

2)镁的添加量为合金质量的2%时,对合金粉末储存最为有利,相同生产工艺下,高于或低于2%都会影响合金的储藏性能;

3)铝铟镁合金高温下与水蒸气反应分为4个阶段,前两阶段与金属燃烧低温区模型对应,该反应只能在表面进行,因此扩散过程是反应的决速步,减小粉末粒径能够加速反应进程;

4)每增加1%的铟,在450℃前就可以多反应约10%的合金,这对后续点火药和推进剂配方有着指导意义;

5)93Al-5In-2Mg的一次燃烧温度约450℃,二次燃烧温度约1000℃,优于现有铝粉,并在常温下对水呈现惰性,能够代替现有普通铝粉和超细铝粉,用于水冲压发动机。

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