高活性鋁粉燃燒熱測試及其影響因素分析

姜菡雨，趙鳳起，孫志華，徐司雨，姚二崗，裴 慶

(西安近代化學研究所，西安 710065)

0 引言

物質的燃燒熱代表了其所具有的化學潛能[1]。高活性鋁粉由于具有較高的燃燒熱值，不僅作為高能金屬燃燒劑來提高火箭推進劑的燃速與比沖，同時還成為新型高能炸藥配方中的重要組分，使得制備出的含鋁炸藥具有密度高、爆熱高的特點，被廣泛應用在水中兵器、對空武器等裝藥方面[2-5]。鋁粉在空氣中極易被氧化而形成Al2O3，表面被氧化的鋁粉，其化學潛能(燃燒熱)也會不同程度地降低，且不同粒徑、形狀及制備工藝得到的鋁粉燃燒熱之間也存在差異，如果僅使用統一的理論數值往往會存在較大誤差，這也給含鋁推進劑及炸藥的熱力學計算及配方設計帶來了較大困難。因此，使用鋁粉之前對其燃燒熱值進行測定是很有必要的。

當前量熱系統主要以氧彈式量熱計為主，直接取測試樣品在氧彈中燃燒獲得燃燒熱[6-7]。但用這種傳統的量熱系統測試方法測試高活性鋁粉燃燒熱時存在諸多問題：(1)高活性鋁粉的燃燒過程極容易發生團聚、聚積、凝結等現象，直接點燃就會出現燃燒不完全，從而導致測試結果不穩定、重復性差；(2)高活性鋁粉由于其呈現細粒徑粉末形態，使之不同于普通的樣品，點火瞬間易發生爆燃現象，使得氧彈內部的壓力和溫度瞬間升高，造成燒蝕現象，以至于無法得到有效數據，甚至會對實驗儀器部件造成損壞。

本文利用熱力學第一定律，在絕熱恒容反應器內，使用含能粘合劑聚疊氮縮水甘油醚(GAP)作為助劑，對高活性鋁粉的燃燒熱進行測試研究，以期為含高活性鋁固體推進劑及炸藥的熱力學計算及配方設計提供現實依據。

1 實驗

1.1 測試原理

本文利用氧彈式量熱儀對高活性鋁粉進行燃燒熱值的測量研究，該系統基于能量守恒的原理設計，其原理結構示意圖見圖1。

測試過程中，取一定量的金屬粉試樣，置于量熱彈中，試樣所有的熱值均用來加熱一個熱容量已知的系統，通過測量系統的溫升值來計算樣品所釋放的熱值。計算式如式(1)：

(1)

式中q為單位質量燃料試樣的發熱量，J/g；E為量熱體系的熱容量，J/K或J/℃；Tn為量熱體系在試樣燃燒完畢且熱量釋放完全，系統所達到的最高溫度的數值，K或℃；T0為量熱體系在試樣開始燃燒時的溫度的數值，K或℃；m為燃料試樣的質量，g。

在實驗過程中，系統溫度變化主要取決于試樣燃燒放熱、內筒攪拌器產生的攪拌熱、內外環境溫差帶來熱交換及內筒水蒸發吸熱4個因素。考慮以上因素引起的溫度變化，對燃燒熱值計算式進行校正：

(2)

式中C為溫度校正值。

為了改善高活性鋁粉燃燒時團聚、不穩定燃爆現象，加入助劑進行燃燒熱值測試實驗，并對式(2)進行修正，總熱值Q中包括了金屬粉釋放的熱值Q1和助劑釋放的熱值Q2，得到：

Q1+Q2=E(Tn-T0+C)

(3)

Q1=q1×m1

(4)

Q2=q2×m2

(5)

式中q1、q2分別為單位質量鋁粉和助劑的發熱量；m1、m2分別為鋁粉和助劑的質量。

整理式(3)～式(5)，得到：

(6)

1.2 實驗原材料與儀器

測試樣品為電爆炸法制備得到的高活性鋁粉，有效鋁含量約為82%，計算得到理論燃燒熱值為25 446 J/g。聚疊氮縮水甘油醚(GAP)，相對分子質量為3749，羥值19.9 mg (KOH)/g。

選用GR-3500型氧彈熱量計進行試驗。在測試待測鋁粉試樣之前，需要對量熱體系的熱容量進行標定，即發熱量測定過程中能吸取試樣燃燒熱的所有部件，包括浸沒量熱彈的水、量熱彈、攪拌器在水中部分，溫度計在水中部分和盛水用的內筒等全部體系溫度每升高1 K所吸收的熱量。

依據國際上通用標準，本文使用標準物質苯甲酸對量熱體系進行標定，取極差不超過40 J/K的5次試驗結果的平均值作為實驗系統的熱容量，得到E=14 511.2 J/K。

2 結果與分析

2.1 測試理論依據

由于金屬粉呈單顆粒分布，自然堆積密度較小，在該狀態下點火后，金屬粉燃燒產生的熱量很難持續燃燒，加之在空間中熱損失嚴重，導致金屬粉燃燒不完全，即使被點燃燃燒的金屬粉間也會由于熔融作用而發生明顯的團聚現象。

基于上述問題，本研究引入助劑與鋁粉進行一定比例均勻混合后再燃燒，避免金屬粉團聚問題，從而間接獲得鋁粉的燃燒熱。該方法基于對測試過程進行如下假設：

(1)整個氧彈體系為恒容絕熱環境，滿足恒容非體積功為零，燃燒釋放的熱量全部被反應后的混合氣體吸收；

(2)試樣為完全燃燒，除Al2O3外無其他固體產物；

(3)體系內氣體滿足理想氣體狀態方程；

(4)助劑熱值穩定，燃燒充分。

鑒于以上假設，根據熱力學第一定律，則有

2.2 助劑的選擇

為更加有效體現高活性鋁在推進劑實際工況中的燃燒過程，選擇了推進劑中幾種常用材料作為基體，開展了鋁粉的燃燒熱測定研究，結果如表1所示。

表1 不同助劑對鋁粉燃燒熱值測試的影響

由表1可見，干粉狀硝化棉燃燒劇烈且對金屬粉分散效果較差；液態酒精不僅自身燃燒溫度低使得金屬粉不能完全引燃，且其易揮發性也嚴重影響測試結果；液態航空煤油和凝膠狀HTPB，均由于燃速較慢而使金屬粉燃燒時發生明顯團聚而產生結塊。故而上述四種基體均不適合作為鋁粉燃燒熱測試的助劑。相比之下，采用凝膠狀GAP作為燃燒基體時，燃燒更為完全，殘渣呈現白色粉末狀，實驗效果較好。這主要是因為GAP本身的高分子網狀結構可作為很好的分散立體支撐骨架，且燃燒熱值高、燃速快，點燃后自身迅速燃盡，放出的熱量可將金屬粉點燃，有效地防止了燃燒團聚現象發生，從而保證實驗安全順利的進行。

2.3 氣氛條件對測試的影響

燃料組分的能量釋放效率，即燃料燃燒過程前后熱焓的變化值，隨著環境條件和實驗測試條件的改變有較大的差異。為測試試樣在不同環境中能量的釋放效率，分別在氧氣、空氣和氬氣環境中進行實驗。結果見表2。

表2 氣氛條件對鋁粉燃燒熱值的影響

不同氣氛環境下金屬粉的燃燒釋能有著很大差別，從表2可看出，在Ar氣氛中燃燒劑基體帶有的氧不能將金屬粉點燃；在空氣氣氛中金屬粉釋放出的熱量遠小于其本身理論值，這是因為除了鋁粉未燃燒完全外，可能還有部分鋁粉在高溫環境下與氮氣反應生成了氮化鋁，進而對實驗結果造成了較大影響；在O2氣氛中金屬粉可充分自持燃燒，且燃燒后呈分散的白色粉末，幾乎無團聚發生，燃燒熱值較高。試樣在氧氣環境中點火，混合燃料中的C完全燃燒生成CO2、H燃燒生成H2O、N燃燒生成N2、對實驗后固體殘渣進行XRD分析，表明Al燃燒后全部生成Al2O3，很好地證實了前文的完全燃燒假設。

根據表2中數據對比發現，壓力與燃燒熱值并非呈現正相關趨勢，而是在1.5 MPa時出現了拐點，即在1.5 MPa的O2氣氛下，測試得到的鋁粉燃燒熱值與理論值最接近。這是因為，隨著壓力增大，體系內氧含量增高，有利于氧化反應進行，但壓力也并非越高越好，過高的充氣壓力會加速鋁粉的燃燒，使得瞬間燃溫過高反而不利于數據測量。事實上，根據理想氣體方程計算，在1.5 MPa的充壓下，實際氧氣含量遠遠大于理論耗氧量，已完全能滿足充分燃燒所需氧氣條件。同時與理論燃燒熱相比，試樣在充分的氧環境下測試的放熱值依然較低，這主要是因為Al2O3鈍化層的存在使得有效鋁單質含量有所減少，鈍化層越厚，有效鋁含量則越低，其燃燒后釋放的能量就越少。因此，該方法也可被用來對鋁粉中有效金屬含量進行初步評價。

2.4 助劑含量對測試的影響

本研究探討了不同助劑加入比例(質量比)對測試結果的影響，測試結果見表3。試驗過程中，當混合試樣中助劑比例較高時，由于GAP黏度較大，樣品極難混合均勻，往往需要配合加熱或溶劑等輔助手段制樣，殘留的溶劑會對試驗結果產生一定的影響，而當GAP含量較低時則不能很好的起到分散鋁粉的作用，因此選擇合適的質量比對測試結果也是十分重要的。

表3 助燃劑比例對鋁粉燃燒熱值的影響

2.5 幾種不同粒徑的金屬鋁粉燃燒熱的測試

采用本研究測試方法對不同粒度鋁粉進行了燃燒熱值測定，測試結果見表4。數據表明隨著粒度的增大，其燃燒熱值減小。理論上，鋁粉形狀、顆粒度、表面氧化層厚度都對其能量釋放效率和能量釋放速率有直接的影響。從熱傳導理論來說，鋁粉的顆粒度越小、比表面積越大，在燃燒初期鋁粉獲得的熱量越快、越多，越有利于鋁粉的汽化和熔化，在進一步與氧反應過程中釋放的能量就更快更充分，所以鋁粉的顆粒度越小，其燃燒釋放的能量越大。但在實際應用中，鋁粉顆粒度越細，被氧化的可能性越大，并隨著儲存時間的延長，產品的活性逐步減弱，能量效率降低。因此，在推進劑及含鋁炸藥應用當中往往要求鋁粉具備適當的顆粒形狀和適當的顆粒度級配來滿足不同配方設計要求。

表4 不同粒度鋁粉的燃燒熱值

綜上所述，添加GAP作為助劑測量高活性鋁粉的燃燒熱是一種有效可行的辦法，在含高活性鋁固體推進劑研制領域及有效鋁含量評價體系中有較高的使用價值，并對其他高活性金屬粉的熱值測試也具有一定的借鑒意義。

3 結論

(1)針對鋁粉自持燃燒過程及燃燒過程中嚴重團聚的問題，基于熱力學第一定律，引入助劑實現高活性鋁粉的燃燒熱數據的準確測量，且對實驗后殘渣進行XRD分析，證實Al燃燒后全部生成Al2O3。

(2)研究了不同助劑種類及比例、燃燒氣氛等實驗條件對測試結果的影響，確定最佳測試條件，即使用GAP作為助劑，選擇1∶4(質量比)混合制樣，在O2氣氛充氣壓力1.5 MPa條件下，獲得的試驗數據較好，高活性鋁粉具有最高的燃燒效率。

(3)測定了幾種不同粒度高活性鋁粉的燃燒熱值，數據表明對于活性含量相同的鋁粉，隨著粒度的增大，其燃燒熱值減小，燃燒效率降低。

(4)本文雖然探究了添加助劑對于高活性鋁粉燃燒熱值測量的可行性及各因素對測試結果的影響，但未對實驗中可能存在的誤差來源進行全面分析，在測量誤差及不確定度分析方面還有待進一步深入研究。

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