鋁基合金燃料的研究及其在固體推進劑中的應用進展

張建侃，趙鳳起，秦 釗，李 輝

(西安近代化學研究所 燃燒與爆炸技術重點實驗室，陜西 西安 710065)

引 言

固體推進劑利用燃燒化學反應釋放出的能量推動火箭武器的前進，是固體導彈發動機的動力源，其能量水平和燃燒性能與武器系統的作戰使用效能密切相關。金屬燃料的添加是提高推進劑能量水平的主要途徑之一。金屬燃料具有很高的質量熱值和體積熱值，其氧化反應的熱值可達到TNT爆熱的6～10倍；同時，金屬燃料的加入會降低推進劑配方的氧平衡，一定程度上降低燃氣平均相對分子質量。因此，向推進劑配方中引入金屬燃料可以提高配方能量、增加爆熱和改善做功能力。另一方面，金屬燃料的添加還會改變推進劑的燃燒性能，金屬燃料的相變熱對推進劑燃燒表面產生惰性熱稀釋[1]，金屬燃料燃燒釋能對燃面進行熱反饋[2]，或金屬燃料以單質或氧化態形式影響推進劑燃燒化學反應，上述因素會造成推進劑燃燒區物理化學環境的變化，從而導致推進劑的燃速發生改變。

金屬燃料的理化性質由其微觀結構和宏觀形態決定，單質金屬具有特定的元素組成和晶體結構，僅僅通過粒度分布和形貌等宏觀形態的改變，對金屬燃料性能調控的效果有限。近年來，武器裝備技術的發展對固體推進劑的性能提出了多樣化的要求，新型金屬燃料的研發可以為獲得更高能量密度、更高燃燒效率或更高燃速的推進劑奠定基礎，從而滿足不同應用背景的固體推進劑的性能需求。

合金燃料是將其他金屬或非金屬元素引入單質金屬燃料中形成的多元金屬燃料，其相組成可能是單相，也可能是包括固溶體合金和金屬間化合物等多相的復合物，可以通過改變合金元素種類和添加量、制備工藝及參數，調控其相組成和相空間分布，使合金燃料具有可調的相變點、密度以及化學性質，進而在一定范圍內優化合金燃料的點火和燃燒性能，例如鋁基合金燃料取代鋁粉后，可以改善鋁粉點火延遲時間高的問題。合金燃料組成和理化性質多樣化的特點，為固體推進劑的材料選擇和性能調控提供了新的維度，是一種具有應用潛力的新型金屬燃料。

本研究對幾種不同類型鋁基合金燃料的燃燒特性進行了系統梳理，分析比較了合金元素類型和相組成對其燃燒性能的影響規律，并從能量提升和燃速調控兩方面綜述了合金燃料在固體推進劑中的應用研究現狀。

1 鋁基合金燃料的本征特性研究進展

固體推進劑的燃燒由黏合劑、氧化劑和金屬燃料等單一組分的燃燒及其相互作用組成[3]，金屬燃料在推進劑組分及其分解產物提供的化學環境中發生點火燃燒的同時，為氧化劑和黏合劑骨架的分解、氧化反應提供熱環境以及催化作用[4]。因此，金屬燃料的燃燒是推進劑燃燒反應的重要一環，其本征特性與推進劑性能密切相關。

鋁元素是鋁基合金燃料的重要成分，鋁粉的α-Al相和Al2O3氧化膜也是多種鋁基合金燃料的主要相組成，為了比較鋁粉和鋁基合金燃料的理化特征和燃燒特性，本節從鋁粉的點火和燃燒出發，具體介紹了鋁粉和鋁基合金燃料的研究概況，分析了合金元素的添加對鋁基合金燃料燃燒特性的影響，并總結不同類型合金燃料提高燃燒效率的機制和途徑。

1.1 鋁粉的點火和燃燒

鋁粉具有較高的體積熱值和質量熱值、耗氧量低、產物抑制不穩定燃燒和制取成本低等優勢，是目前固體推進劑中應用最廣泛的金屬燃料；然而其點火性能差、燃燒效率低和鋁凝團加劇燒蝕等缺點限制了推進劑性能的進一步提升。鋁粉燃燒效率偏低是由多方面因素導致的，由于鋁具有較高的反應活性，在室溫下就會形成一層無定型氧化膜，隨著溫度升高，無定型氧化膜最終轉變為致密的α-Al2O3，阻礙了鋁粉與氧化劑之間的反應，導致了鋁粉點火溫度高和點火延遲時間高[5]；進一步地，由于鋁粉的點火溫度高于推進劑的燃面溫度和鋁的熔點，在含鋁固體推進劑燃燒過程中，鋁粉首先在燃面上發生熔融和團聚，隨著燃面的退移，團聚鋁顆粒逸出到燃燒區并發生點火[6]，在此過程中，活性鋁被團聚物包裹導致的不完全燃燒[7]、鋁顆粒團聚長大造成的二相流損失[8]是造成推進劑能量性能降低的重要原因。此外，金屬燃料在燃燒室中停留時間有限，鋁粉較高的點火延遲會減少其反應時間，進一步降低能量釋放的完全性和燃燒效率。

研究已經證實，鋁粉的點火性能提升往往伴隨著團聚程度的減輕和燃燒效率的提升[9-10]。點火的發生需要突破氧化層對氧化的阻礙作用，研究人員通過擴散反應機理解釋了鋁粉與不同氧化劑反應時[11]、鋁粉不同氧化層厚度時[12]氧化劑遷移速率不同導致的點火燃燒性能差異，通過熔散反應機理[13-14]解釋了高升溫速率下納米鋁極高的燃燒速率[15]。雖然上述機理受限于適用范圍，但相關研究對應的實驗均證實了鋁核的熔點、蒸氣壓及氧化膜厚度、結構、晶型等物化性質與鋁粉的點火、燃燒性能密切相關。

針對鋁粉的點火和燃燒性能提升的需求，國內外對納米化、片狀化和多孔化等宏觀形態的改性方式開展了大量研究。俄羅斯和美國先后使用電爆炸法制備的納米鋁粉具有更低的點火延遲和點火溫度[16-17]，片狀化鋁粉具有比納米鋁更低的點火溫度和更高的反應活性[18]，多孔鋁粉可以降低點火延遲從而減小團聚物尺寸[10]。然而，納米鋁粉和片狀鋁粉在活性提升的同時也伴隨著活性鋁含量的降低、在藥漿中難以分散、流變性差[19-20]、推進劑成型后力學性能降低[21-22]等問題，多孔鋁則會導致推進劑密度的下降。包覆和表面改性在一定程度上改善納米鋁粉的氧化以及分散性、流變性問題，但是包覆或改性材料的加入會造成活性鋁含量的降低；片狀鋁粉在氣流中的聚集使其燃燒性能下降，燃燒完全程度和火焰傳播速度均低于球形鋁粉[23]。

1.2 鋁基合金燃料的種類及研究進展

合金化是除粒度與形貌控制以外對鋁粉燃料進行活化的另一種有效方法。鋁的合金化可以降低空化壓力，使氧化殼的破裂和熔散反應更容易發生，從而改善燃料的點火性能[13]。根據燃燒波溫度判斷的固體推進劑燃面上的暗區溫度可達1500℃，發光火焰區可達到的溫度為2000℃以上[24]，根據金屬燃料在燃面上是否發生氣化，可將金屬單質分為低沸點金屬(沸點低于1500℃，Low-Boiling point Metal,MLB)和高沸點金屬；根據金屬燃料在發光火焰區是否熔化，可將金屬單質分為高沸點低熔點金屬(沸點高于1500℃且熔點低于2000℃)和高沸點高熔點金屬(熔點高于2000℃)，文中分別將其簡稱為低熔點金屬(Low-Melting point Metal,MLM)和高熔點金屬(High-Melting point Metal,MHM)(見表1)。3類金屬在鋁基合金燃料的燃燒過程中作用機制有明顯區別，以下分別對Al-MLB合金、Al-MLM合金和Al-MHM合金3類鋁基合金的研究現狀進行介紹。

表1 不同類型金屬的物理性質和熱值Table 1 Physical properties and combustion heat of different metals

1.2.1 Al-MLB合金

將低沸點的金屬與鋁形成合金燃料，一方面金屬在燃燒過程中發生氣相氧化，阻礙氧化膜的形成；另一方面如Li和Mg等低沸點金屬的氧化物致密度低，孔隙率較高[25]，即使形成氧化物殼層也難以阻礙氧化劑的傳輸與燃燒反應的深入，因此具有比鋁更低的點火溫度和更快的燃燒速率；此外Zn或Bi的氧化物可以降低含能化合物熱分解的活化能[26-27]，可以賦予鋁基合金燃料一定的催化活性。

(1)Al-Li合金

雖然Li的化學性質非常活潑，但是Al-Li合金鋰含量較低時，鋰會以固溶的形式溶解在鋁的內部，不會改變鋁本身的相結構和致密氧化膜的形成，具有較高的抗氧化能力；而鋰含量的增加會導致Al-Li中間合金相的析出，提高對于水、氧的敏感性[28]。

Terry等[29]將Al-Li合金作為綠色推進劑的燃料進行了探索，利用Li的高反應性對推進劑尾氣中的Cl-進行吸附，可以降低排氣尾流中HCl含量及其對發射平臺和臭氧層的破壞程度，以及減少不利于制導和隱蔽的二次煙的形成，但未對推進劑的組分相容性、存儲性能和安全性進行說明。此外，研究人員還觀察發現Al-Li合金在推進劑燃燒表面的微爆(Microexplosions)和分散沸騰現象(Dispersive boiling)(見圖1)，該現象可以有效避免Al-Li合金在燃面上的團聚并提高燃燒效率[30]。Jiao等[31]采用離心霧化法獲得了不同Li含量的Al-Li合金，研究合金的微觀結構發現顆粒內部由于制備過程中的高速降溫形成了均勻的枝晶結構，顆粒表面則由α-Al/Al-Li金屬間化合物組成的網狀結構和填充在內的α-Al板片組成，網狀結構中Al和Li之間較大的沸點差異使Al-Li合金具有微爆燃燒特性和更高的熱氧化放熱率，同時可以顯著提高與高氯酸鉀的反應活性和點火性能。

圖1 Al-Li合金的微爆(a～e)和分散沸騰(f～j)現象Fig.1 Microexplosion (a—e) and dispersive boiling (f—j) of Al-Li alloy

(2)Al-Mg合金

Mg的質量熱值比Al低約20%，單位質量耗氧量比Al低約25%，在與單位質量的氧元素反應時，Mg的放熱量甚至高于Al，可以提升推進劑的理論爆熱，使Al-Mg合金成為了固體推進劑中最重要的活性合金燃料之一。

Dreizin團隊的Shoshin、Umbrajkar和Schoenitz等[32-36]系統研究了Al-Mg機械化合金的微觀結構及其對點火和燃燒性能的影響，并探索了Al-Mg合金燃燒的可能機理。研究人員通過機械合金化法制備了Mg質量分數為10%～50%的Al-Mg合金，主要由Mg溶解在α-Al相的固溶體和γ-Al12Mg17相組成，其中的亞穩相在退火過程中形成β相和新的γ相[32]，氧化過程具有比Al更低的反應溫度[33]。當Mg質量分數僅為10%時，合金燃料的點火溫度就從純鋁的2300K降低到了1170K，隨著Mg質量分數的增大，點火溫度持續下降，但是合金的密度也有所降低；當Mg質量分數達到30%時，合金燃料懸浮顆粒的火焰傳播速率比純鋁高3倍，并且其火焰溫度和火焰強度均高于原料Al粉，出現了明顯的爆炸式點火(Explosive ignition)。此外，Al-Mg合金的燃燒效率亦高于純鋁，其燃燒產物中只含有鋁與鎂的氧化物和氮氧化物，而純鋁粉燃燒后仍有未反應的單質鋁[34]。除機械化合金外，熔煉-氣霧化也是一種鋁基合金燃料的重要制備方法，相對于平衡凝固過程，氣霧化具有較高的冷卻速度，更容易形成亞穩相合金。通過熔煉-霧化法制備Al-Mg合金時，隨著Mg質量分數的提高，Al-Mg合金的相組成由α-Al向β-Al3Mg2和γ-Al12Mg17轉變，同時熱氧化溫度提前、氧化反應速率和反應熱增加；Mg質量分數提升至50%時具有最低的點火延遲時間，而且燃燒模式由微爆向氣相燃燒轉變[37](見圖2和圖3)。

圖2 Al-Mg合金在推進劑燃面的微爆現象Fig.2 Microscopic images of microexplosion of Al-Mg alloy on the burning surface of the propellant

圖3 Al-Mg合金與AP混合物的氣相燃燒現象 Fig.3 Vapor combustion of mixtures of Al-Mg alloys and AP powders

Feng等[38]開展了Al-Mg氣霧化合金在預混平面火焰燃燒器中的燃燒行為和性能研究。研究人員觀測到了微爆過程的3種典型現象：根據火焰光譜分析，微爆發生后，合金顆粒周圍的氣態火焰為鎂蒸汽火焰，鎂蒸汽均勻地向各個方向突破氧化膜向外噴射時，出現典型的微爆現象；鎂蒸汽從合金顆粒表面徑向噴射或切向噴射時，合金顆粒改變其軌跡或旋轉的現象分別稱為金屬蒸汽噴發(Metal vapor erupting)和合金粒子旋轉(Alloy particle rotating)(見圖4)。

圖4 燃燒過程的3種典型微爆現象Fig.4 Three typical microexplosion phenomena for the Al-Mg alloy particles were ignited

此外研究人員考察了燃燒環境溫度、燃燒氣氛氧含量和Al-Mg合金粒徑對點火和燃燒時間特性的影響規律[38]。點火延遲時間、燃燒持續時間和總時間(文中定義為點火延遲時間與燃燒持續時間之和)均隨顆粒直徑呈線性增加。由于氧化膜對氧化劑傳輸和熱量傳遞的阻隔作用，在氧化性較強的環境中，合金顆粒的點火延遲時間延長；相反地，點火發生后，更高的氧化劑含量使Al-Mg合金燃燒溫度更高，燃燒速率也更快，燃燒持續時間更短。燃燒環境溫度對微爆的發生有重要影響，因此對點火延遲時間和總時間影響較大，但對燃燒持續時間影響較小。對比相同粒徑Al粉點火和燃燒性能，Al-Mg合金的燃燒持續時間降低為Al粉的20%～25%，但是點火延遲時間基本沒有變化。該結果與電熱絲點火實驗[34]以及熱分析實驗[33]的現象存在明顯區別，說明合金燃料的點火行為受到多方面參數的影響，包括升溫速率、環境壓力和溫度、氧化劑的組成或燃燒組織形式等，因此在不同類型的點火或燃燒實驗中可能表現出不同的燃燒反應特性。

除元素組成和燃燒條件以外，合金燃料的相組成以及制備工藝也是燃燒性能的重要影響因素。使用機械合金化方法制備的合金，其各組元在相接觸的位置上形成接近原子級均勻的復合物；隨著球磨時間的延長，各組元通過晶粒細化、固態擴散或固態反應的方式形成原子間結合的固溶體合金或中間合金[39]。相對于熔煉法獲得的固溶體相，機械合金化可以誘導固溶度擴展，并形成偏離平衡相圖的過飽和固溶體[40]；同時由于多數鋁基金屬間化合物的生成焓為負值，過飽和固溶體會在較低溫度下先發生合金化反應(形成金屬間化合物)，伴隨著大量的熱量釋放，利于點火和燃燒的發生。

Hatem等[35]對比研究了Al-Mg機械化合金(MA，不含中間合金相)與Al-Mg金屬間化合物(Mag，只含中間合金相)的點火和燃燒性能(見圖5)。

圖5 (a)Al-Mg熔煉-氣霧化合金和機械化合金的EDS元素分析圖像;(b)Al-Mg熔煉-氣霧化合金和機械化合金的點火圖像Fig.5 (a) EDS Mapping images of magnalium and mechanically activated Al-Mg;(b) Ignition images of magnalium and mechanically activated Al-Mg

研究發現Al-Mg金屬間化合物的點火延遲是Al-Mg機械化合金的近5倍，同時推進劑燃燒殘渣的分析表明Al-Mg機械化合金燃燒殘渣比Al-Mg金屬間化合物燃燒殘渣粒徑更小，佐證了低溫合金化反應對于Al-Mg合金點火和燃燒的促進作用；對于僅有中間合金相的含Mg鋁基合金燃料而言，即使無法通過低溫合金化反應促進點火燃燒，Mg蒸汽產生的應力同樣有助于氧化膜的破裂和氧化反應的進行，含Mg鋁基合金燃料釋能特性依然優于鋁粉。在恒壓燃燒實驗中，Al-Mg合金中的亞穩相在點火燃燒過程中首先發生合金化反應，形成中間合金Al12M16并快速放熱，同時合金相轉變過程中產生的裂縫造成初始微粒破碎，增大燃燒面積，使Al-Mg合金在非常窄的預熱區內升至點火溫度，其懸浮顆粒的火焰前端比純鋁粉火焰邊緣更銳利[36]，該實驗證實合金化反應的放熱有利于點火的發生。

(3)Al-Zn合金

西北工業大學的Ao等[41]對包括Al-Zn合金(Zn質量分數為10%)在內的鋁基合金燃料進行了燃燒性能研究。研究發現Al-Zn合金可以降低鋁的氧化溫度和點火性能，但是在Al-AP-RDX-HTPB推進劑中燃燒時未觀測到微爆現象，且團聚現象比鋁更嚴重。研究人員認為Al-Zn合金具有更低熔點的同時，并沒有提高推進劑的燃速，延長了熔融的合金燃料在燃面上的停留時間，導致了熔融團聚程度的增大。北京理工大學的Jiao等[42]也研究了Al-Zn合金的點火和燃燒性能，其中Zn質量分數為20%，此時Al-Zn合金由α-Al相和η-Zn相組成，在不同激光功率密度下的點火延遲均比純鋁降低約50%，同時含Al-Zn合金的Al-AP-RDX-HTPB推進劑的燃燒中可觀測到微爆現象(見圖6)。

圖6 HTPB推進劑中Al-Mg和Al-Zn合金的微爆現象Fig.6 Microexplosion phenomenon of Al-Mg and Al-Zn alloys on the combustion surface of HTPB based solid propellants

將燃燒殘渣收集分析后發現純鋁推進劑的凝聚相產物團聚尺寸高達300μm，而Al-Zn合金推進劑的凝聚相產物團聚程度明顯減輕，SEM圖像顯示其粒徑主要分布在100μm以下。在燃燒過程中，隨著溫度上升，Zn開始蒸發，燃料液滴內外Zn的濃度梯度使液滴表面附近形成擴散層。燃料液滴核心溫度超過Zn的沸點時，誘發了均勻的顆粒內蒸汽成核，直到擴散層的表面張力與外部壓力的總和不能再維持應力，燃料液滴破碎并發生微爆。因此，Zn含量的上升使液滴內外Zn的濃度梯度和應力增大，微爆更容易發生；而燃燒環境壓力的上升則使液滴破碎所需應力增大，微爆更難以發生。上述研究使用的推進劑配方組分相似(分別為13%HTPB/17%Al-Zn/60%AP/10%RDX[41]和14%HTPB/16%Al-Zn/60%AP/ 10%RDX[42])。材料本征性質(Zn濃度)變化和可能的實驗工況變化，使燃料顆粒的微爆現象、團聚情況和推進劑凝相產物粒度出現了顯著差異。

綜上所述，低沸點金屬在燃燒時可以通過微爆和分散沸騰現象降低燃料的熔融團聚程度，即在較低的溫度下達到低沸點組分的過熱極限，通過顆粒內蒸汽成核，利用蒸汽濃度梯度產生的應力突破氧化膜對氧傳遞的擴散阻礙，因此具有比鋁粉更優異的點火和燃燒性能。目前作為燃料常用的低沸點金屬多為反應活性高的堿金屬或堿土金屬，在空氣中容易氧化導致活性降低；其中堿金屬是還原性最高的金屬種類，形成合金后與推進劑中的氧化組分可能存在相容性問題，需要通過包覆等手段進行穩定化處理以滿足應用需求。此外，低密度堿金屬或堿土金屬的添加還會造成合金燃料密度的降低，在對密度有要求的推進劑中需結合高密度金屬燃料使用。

1.2.2 Al-MLM合金

在低熔點金屬中，Si的燃燒熱為32.4kJ/g，是一種高熱值固體燃料，Ti和Zr雖然質量熱值較低，但是由于具有較高的密度，其體積燃燒熱均與Al相當，結合其良好的點火性能，在對密度比沖有所要求的推進劑中具有一定應用前景[43]。此外，在高燃溫固體推進劑中，凝聚相的Al2O3更容易汽化，加劇發動機燃燒室的不穩定燃燒，需要沸點更高的凝聚相產物來抑制不穩定燃燒，因此，部分鋁-低熔點金屬合金還是一種具有應用潛力的燃燒穩定劑。

(1)Al-Si合金

采用霧化法制得的Al-Si合金燃料由α-Al和β-Si相組成。Si質量分數為12%時，合金燃料經鹽酸腐蝕后表面呈現出枝狀Si和少量片狀Si組成的多孔結構(見圖7)；Si的質量分數提升至20%時，兩種相的空間分布具有核殼結構特征：粉體的殼層由片狀初晶Si和無定型Al2O3組成，核心部分由低熔點共晶形成的網狀骨架以及填充在內的α-Al組成。由于核心部分共晶的熔點低于鋁，熔化膨脹后與氧化劑接觸，使得Al-Si熱氧化反應的第一階段比Al提前；隨著溫度升高，殼層中Si不斷被液態Al-Si溶解并形成氧化通道，α-Al的氧化反應逐層深入產生晶須Al2O3結構，并發生劇烈熔脹噴發，使Al-Si合金氧化反應第二階段增重大幅提高；而β-Si活性相對α-Al更低，直到800℃才會發生氧化反應，因此Al-20Si(Si質量分數為20%)最終反應程度相對Al-12Si(Si質量分數為12%)較低。Al-Si合金的燃燒熱遵循與熱氧化同樣的規律，Al-12Si的實測熱值為29.285kJ/g，高于Al和Al-20Si的實測熱值[44]。電爆炸法獲得的合金相較于霧化法制得的Al-Si合金具有類似的核殼結構，其核心部分的低熔點共晶呈現從球心向外輻射的納米棒形態，其熱氧化反應特征同樣類似于霧化法Al-Si合金，相對于同粒度鋁粉熱氧化反應溫度提前，且氧化反應增重大幅提高[45]。

圖7 Al-Si合金經鹽酸腐蝕后的形貌Fig.7 Morphologies of Al-Si alloy fuels after corrosion

(2)Al-Zr合金和Al-Ti合金

Ti和Zr的沸點遠高于推進劑燃燒溫度，燃燒時無法通過金屬蒸汽的應力突破氧化膜的阻礙，但是它們的氧化物可以溶解在金屬單質中，不會形成阻礙氧擴散的氧化膜。將高密度的Ti和Zr添加到Al或鋁基合金燃料中，可以形成兼具優良能量性能和燃燒性能的合金燃料。例如Al-Mg二元合金的密度隨著Mg含量提高而降低，密度提升與點火性能提升的需求之間存在矛盾。李林福等[46]將高密度的Zr引入Al-Mg二元合金，使用氣霧化法獲得了Zr質量分數為2%的Al-Mg-Zr三元合金燃料，該方法所制合金主要由Al和金屬間化合物Al3Mg2、Al12Mg17和Al3Zr組成，其反應機理與機械合金化得到的二元合金有所不同，在氧化過程中不易發生促進點火的合金化反應，然而實驗發現，隨著Mg含量的提高，Al-Mg-Zr合金由多步氧化放熱變為單步集中放熱。針對該現象，研究人員提出了類似于鋁粉熔散反應機理的Al-Mg-Zr合金的氧化機制：隨著溫度的升高，顆粒內部低熔點的Al3Mg2、Al12Mg17形成Al-Mg熔體和Mg蒸汽，當Mg含量及其產生的應力足夠高時導致氧化層的破裂，在內外壓力差的影響下，Al-Mg熔體逸散成小液滴后與氧發生反應并劇烈放熱，導致Al3Zr相大顆粒爆裂成超細顆粒(見圖8)。Al-Mg熔體小液滴和Al3Zr超細顆粒的劇烈氧化反應導致了Al-Mg-Zr合金單步集中放熱現象的出現。

圖8 Al-Mg-Zr合金的氧化和顆粒細化機制示意圖Fig.8 Schematic diagram of mechanism of oxidation and cracking of Al-Mg-Zr alloy powders

Dreizin團隊亦對Al-Ti機械合金燃料進行過較為系統的研究。Shoshin等[47]制備了不同Ti含量的Al-Ti合金，當Ti質量分數為10%時，合金燃料的點火溫度從純鋁的2150K降低到了1326K，隨著Ti質量分數的增大，點火溫度和顆粒燃燒時間進一步降低。此外，在對Al-Ti合金的DSC熱分析實驗中觀察到了Al3Ti亞穩合金相之間轉變的放熱峰，說明Al-Ti合金在點火燃燒過程中也存在合金化反應放熱的現象，其中L12相Al3Ti生成時的放熱有助于點火的發生[48]。對Al-Ti、Al-Zr合金在層流火焰燃燒的研究中，觀察到了比鋁更快的火焰傳播速度[49]。在此基礎上，Badiola[50]利用冷凍球磨降低Al-Ti合金的延展性，得到了平均粒度相對更低的Al-Ti固溶體合金，燃料粉塵的密閉爆發實驗結果說明冷凍球磨所得的Al-Ti固溶體合金點火延遲明顯低于非冷凍球磨得到的Al-Ti合金。

合金化反應促進燃燒的現象在鋁-過渡金屬(Transition Metal)的合金燃料(Al-TM)中廣泛存在。Alexander等[51]使用電爆炸法制備了Al-Cu合金和Al-Ni二元合金燃料，Al-Cu合金熱氧化溫度(升溫速率β=2～7℃/min)提前且反應完全率提高，兩種合金的實測燃燒熱均提高，點火溫度降低(升溫速率β=10～30℃/min)，研究人員認為這是固溶體系的合金化反應放熱提前造成的。

(3)Al-稀土合金

除上述p區元素和d區金屬外，f區的稀土元素由于原子核對外層電子的束縛較弱，也是一類反應活性很高的金屬元素，大多數稀土在200℃以下的空氣中即可自燃。高化學活性、低點火溫度和高燃燒熱使稀土元素作為鋁基合金燃料的添加劑具有明顯優勢，同時Eu和Ce等高活性稀土也屬于低熔點金屬。Fu[52]在Eu質量分數1%～5%的Al-Eu合金中未檢測到Eu氧化物的衍射峰，說明Al-Eu合金在室溫下的穩定性。當溫度提升至1065℃時，鋁粉和Al-Eu合金都出現了一個氧化放熱峰，Al-Eu合金的放熱峰峰形更為尖銳，氧化反應后的增重達到61.1%，明顯高于純鋁粉27.9%的增重，說明Al-Eu合金的氧化過程更劇烈、反應更完全。研究人員認為Al-Eu合金優良的氧化反應特性取決于其Al4Eu相的氧化通道作用：從相組成上看，Al-Eu合金的由Al和Al4Eu組成；從相組成的空間分布看，狹長的納米尺寸Al4Eu相將粉末內部的Al隔離成亞微米尺寸的晶粒。在氧化過程中，Al4Eu相首先被完全氧化為Eu2O3和Al2O3，這種混合氧化物不如純Al2O3一樣致密，在后續Al單質的氧化過程中提供了氧擴散的通道[見圖9(a)和(b)]。從Al-Eu合金粉末氧化后的顆粒截面中可以發現，由于Al4Eu氧化通道的存在，粉末內部從晶界處已經開始氧化，同時粉末有沿著晶面爆裂的趨勢，提高了顆粒與氧接觸比表面積的同時縮小了燃燒半徑，使得Al-Eu合金氧化放熱速率和反應完全程度較單質Al粉更高[見圖9(c)]。

圖9 (a) Al-Eu合金顆粒截面SEM圖像;(b)EDS圖譜;(c)氧化后的Al-Eu合金粉末顆粒截面SEM圖像Fig.9 (a) SEM image and (b) EDS elemental spectrums of the particle cross-section of the Al-Eu alloy powder(c) SEM images of the particle cross-sections of oxidized Al-Eu alloy powders

上述研究表明，Al-MLM合金具有多種提高燃燒效率的途徑：MLM是過渡元素且與鋁形成過飽和固溶體時，兩種元素之間的緊密復合使其相互擴散的能壘大幅降低，可以在較低的溫度下發生合金化，電子雜化和化學勢的差異使Al-過渡金屬(TM)的金屬間化合物具有負的生成焓，因此燃燒過程中發生的Al-TM合金化過程是放熱反應，額外的熱量釋放可以促進合金燃料的點火和燃燒；MLM與鋁形成金屬間化合物時，可能通過熔散反應機制使燃料發生崩裂和細化，這種機制發生在熔融鋁在限制氧化殼的膨脹所產生的高壓下。當氧化殼破裂時，內部和外部壓力之間的不平衡產生了一個高于鋁的空化壓力的卸載波，這導致鋁液滴被分散并最終噴出。與純鋁相比，Al-Ni等熔融態合金具有更高的體積膨脹率和較低的空化壓力，更有可能被卸荷波散射出去。合金化降低了熔散反應機制的啟動條件，促進了熔體分散現象，使合金燃料的能量釋放更為集中；MLM是高活性的稀土元素時，其氧化物可作為氧化通道，提升傳質的同時增大與氧接觸的面積，使燃燒化學反應更為劇烈和完全。

1.2.3 Al-MHM合金

(1)Al-B合金

硼(B)是目前富燃料推進劑中最常用的燃料，作為同時擁有最高質量熱值和最高體積熱值的單質，將B添加至鋁基燃料中，有望提高合金燃料的燃燒熱。然而，在硼燃燒時，熔點低、沸點高的氧化硼以液態的形式包覆在燃料外層，這層氧化膜難以破裂，阻礙燃燒的繼續進行[53]。因此，含硼鋁基合金燃料應用的關鍵在于如何提高含B燃料的燃燒效率，充分發揮其理論熱值高的優勢。為獲得高熱值合金燃料，Wang等[54]將B元素引入Al-Eu體系中形成Al-B-Eu三元合金粉末，Al-B-Eu三元合金氧化過程增重53.66%，實測質量燃燒熱為33.324kJ/g。研究表明，在Al-B-Eu三元合金燃燒過程中，被氧化的B元素以Al8B2O15和EuB2O4的形式存在，避免了液態B2O3對氧化反應的阻斷作用，使得Al-B-Eu三元合金釋能更完全。

(2)Al-W合金

由于鎢(W)的熔點高達3410℃，高于鋁的沸點，Al-W屬于難互溶體系，無法用熔煉法制備?？蒲腥藛T使用鋁熱還原-氣霧化制備了不同質量分數的Al-W合金，其中W質量分數20%的Al-W合金粉末具有最高的體積熱值[55]，Al-W(W質量分數30%)合金粉末內部含有Al-W非晶合金相和亞穩相Al-W金屬間化合物，這些亞穩合金相在合金粉末退火過程中晶化或轉變形成Al12W并放熱。隨著溫度的進一步升高，Al12W在600～750℃和750～900℃兩段溫度范圍內先后吸熱轉變為另外兩種穩定相Al4W和Al5W，直至900℃開始劇烈氧化，生成Al2O3和Al2(WO4)3并大量放熱，溫度升高至1100～1300℃時，Al2(WO4)3吸熱分解為WO3并完全揮發，固體產物中最終只剩下Al2O3[56]。

2 鋁基合金燃料在固體推進劑中的應用進展

鋁基燃料高熱值、高密度的特點，使其成為固體推進劑重要的能量組分。從能量的角度來看，合金燃料的燃燒效率提升使鋁的反應更完全，避免不完全燃燒造成的釋能減少和能量損失；同時燃燒效率提升有助于減小凝聚相產物的尺寸[2]，削弱兩相流損失對比沖的負面影響。此外，推進劑能量的實際效用還與密度有關，高密度合金燃料的添加可以提升推進劑的密度，在有限的發動機體積內裝填更高質量推進劑，實現火箭武器射程的提升或有效載荷的增大。

另一方面，從固體推進劑的燃燒性能角度而言，合金燃料與鋁粉在燃燒過程中具有不同的吸放熱特性，各種金屬元素還會不同程度地影響氣相或凝聚相中的燃燒化學反應動力學，這意味著合金燃料可以調控固體推進劑的燃燒性能。本節從能量提升和燃速調控兩方面具體介紹合金燃料在固體推進劑中的應用研究概況。

2.1 鋁基合金燃料在能量性能提升中的應用

鋁基合金燃料根據其組成、結構以及自身物化特性，通過不同方式在推進劑中能量性能提升方面表現出了較好的應用效果。根據理論比沖與推進劑各項參數之間的關系[29]：

提升固體推進劑理論比沖的途徑基于熱力學控制：提高燃燒溫度，降低燃氣平均相對分子質量。在理論比沖的基礎上，通過提升能量釋放效率，降低能量損耗等動力學控制手段可以獲得更高的實測比沖。此外，密度比沖的提升則有利于在有限容積的發動機內產生更大推力。

2.1.1 理論比沖提升

對于大部分推進劑配方，鋁達到了燃燒熱值、耗氧量和密度的良好平衡。因此，以15Al-70AP-15HTPB推進劑為例，除鋁以外大部分金屬加到推進劑中都會使理論比沖下降(見圖10)。而Al-Li合金的加入可以提高固體推進劑的理論比沖(見圖11)。

圖10 二元金屬對固體推進劑理論比沖的影響Fig.10 Effect of bi-metallic fuels on the theoretical specific impulse of 15Al-70AP-15HTPB propellants

圖11 含Al和含Al-Li合金固體推進劑的理論比沖Fig.11 Ideal specific impulse for fuel additive/AP/HTPB propellants,fuel additive Al and Al-Li alloy

根據推進劑能量計算的自由能最低原則，在含Al固體推進劑中，通過氧化劑種類的選擇、燃料元素的分配和氧燃比的調整進行能量優化后，H元素傾向于生成H2以獲得更低的燃氣平均相對分子質量，O元素傾向于生成Al2O3以獲得更高的能量釋放和燃氣溫度。Al-Li合金加入后，在Li元素的作用下，相同分子量的HCl轉變為H2和LiCl，燃氣平均相對分子質量降低，導致了理論比沖的上升[29]。

然而，Al-Li合金的活性很高，化學相容性、工藝安全性和儲存穩定性是其在推進劑中應用亟需解決的問題。針對Al-Li合金活性過高導致氧化失活的問題，研究人員對Al-Li合金活性保護方法進行了探索，使用液相化學沉積法在Al-Li合金外包覆了一層質量分數約為7%的Fe單質納米顆粒，經過60天的室溫儲存后，Fe@Al3Li僅損失了1.2%的熱值，而未包覆的Al3Li的質量燃燒熱下降了4.3%[57]；采用原位聚合法對Al-Li合金包覆了苯乙烯(St)，當苯乙烯添加量m(St)∶m(Al-Li)=1∶1時具有相對最佳的活性保護效果，考察Al-Li合金燃料14天老化后的熱氧化性能，熱增重衰減由包覆前的25.5%降低至包覆后的6.5%[58]。上述研究說明了采用金屬單質或聚合物包覆的方法在改善高活性合金燃料的活性保護方面具有一定效果，但同時也導致了活性金屬含量降低問題的出現。

2.1.2 燃燒效率提升和二相流損失降低

Al-Li合金可以提高推進劑理論比沖的同時，對于燃燒效率提升以及推進劑二相流損失降低也具有正面效果：微爆的發生使凝聚相產物中的Al2O3粒徑減小，而Li的燃燒產物LiCl在燃燒火焰溫度下以氣相形式存在，取代了純Al推進劑中凝聚相的鋁化合物，對于二相流損失的降低也具有促進效果[29]。

Huang等[59]分別將Al-Mg中間合金(AM)和Al-Mg機械化合金(b-AM)作為燃料以相同的元素比例取代Al-AP-HTPB中的鋁、鎂單質金屬燃料，制備得到金屬/水反應推進劑，研究了不同燃料在推進劑中的燃燒效率。其中鋁在b-AM和AM在高溫水蒸汽中的反應效率分別為90.6%和83.8%，而鋁粉的反應效率僅為25.1%，上述兩種Al-Mg合金燃料具有遠高于鋁粉的反應完全性。在推進劑中經過一次燃燒和二次燃燒后，根據二次燃燒固產物中的活性鋁含量計算燃燒效率，研究發現AM和b-AM中的鎂均完全燃燒，合金中的鋁燃燒效率分別93.6%和90.2%，優于鋁粉的燃燒效率(67.3%)和鋁粉/鎂粉混合物的燃燒效率(86.3%)。對固相燃燒產物的分析發現，AM和b-AM中鋁的反應產物主要為Al2MgO4，而鋁粉的反應產物為Al2O3，疏松多孔的Al2MgO4難以阻礙氧化反應和燃燒的深入，因此Al-Mg合金在推進劑中具有比鋁粉更高的燃燒效率。除上述Al-Mg中間合金和機械化固溶體合金外，研究發現機械合金化制備得到的Al-Mg中間合金(ba-AM)具有更高的燃燒效率，含有ba-AM的推進劑具有比含AM的推進劑更高的爆熱和二次燃燒效率[60]。研究人員認為機械合金化提高燃燒效率的原因是球磨過程破壞了氧化膜的完整性，同時機械力導致的形變使燃料獲得了更大的比表面積。

Hatem等[35]發現Al/Zr和Al/Mg等多種合金燃料可以通過燃燒過程的特殊現象減小燃燒凝聚相產物尺寸，合金燃料的燃燒現象與其相組成和元素組成密切相關。對于不同相組成的Al/Mg合金燃料而言，推進劑燃燒圖像上可以觀察到Al/Mg中間合金的微爆現象和Al/Mg機械化合金的顆粒破碎現象，使得含上述兩種Al/Mg合金的HTPB-AP推進劑燃燒后，凝聚相產物粒徑相對于以鋁粉為燃料更小。此外，合金中鎂的含量、燃料粒度分布和燃燒室壓力均會影響燃燒凝聚相產物的粒徑分布。除Al/Mg外，研究人員還發現Al/Zr機械化合金可以使燃燒凝聚相產物中小粒徑的產物比例增大，對于Al/Zr而言，即使在凝聚相產物粒徑分布相同的情況下，ZrO2由于具有較小的比熱容，其造成的二相流損失相對于Al2O3低了2.7倍[61]。

上述合金燃料的燃燒特性使其具有更高燃燒效率和更低的二相流損失，可以通過自身的高效燃燒以提升固體推進劑比沖效率，對于實測比沖的提高具有積極作用。

2.1.3 密度比沖提升

Zr、Ti、Ta和Mn等[62]金屬的高密度使其具有與鋁相近甚至高于鋁的體積熱值，這些高密度金屬燃料的添加可以提高推進劑的密度。根據Tsiolkovskii公式，推進劑的有效載荷與推進劑的比沖、推進劑的密度均為正相關。研究發現[63]，當推進劑體積和發動機空重的比值為0.27L/kg時，使用Zr替代鋁粉的推進劑配方雖然比沖有所降低，但是可以大幅提高多種復合固體推進劑的密度，等效比沖可以提高30.4s，有效載荷質量也隨之提高。把高密度的金屬與鋁結合可以得到高密度鋁基合金，這種高密度鋁基合金燃料也可有效提高推進劑的密度。Mark等[64]的研究發現，使用球磨法獲得的Al/Zr(質量分數25%/75%)密度高達4.82g/cm3，比鋁粉的密度提高了78.5%；將Al/Zr和鋁粉分別制得推進劑，所得Al-AP-HTPB/IDP和Al/Zr-AP-HTPB/IDP推進劑密度分別為1.90和2.84g/cm3，Al/Zr的添加使推進劑密度提升49.4%。對比Al-AP-HTPB/IDP和Al/Zr-AP-HTPB/IDP復合推進劑的能量性能，Al/Zr使推進劑的質量比沖由263s降低為248s，而體積比沖由499.7s提升至706.0s。Al/Zr合金燃料在有效提高推進劑密度的同時，還可提升推進劑的制備工藝安全性，這是由于Zr粉具有自燃的特性，在推進劑中直接使用存在安全風險，而延性良好的Al在球磨過程中覆蓋在Zr的表面，形成的合金燃料對其中的Zr具有穩定化作用，降低其對靜電的敏感性，相較于直接使用Al/Zr物理混合燃料更為安全。

2.2 鋁基合金燃料在燃速調節中的應用

在利用合金燃料提高能量的同時，需要綜合考慮合金燃料對固體推進劑燃速的影響。或利用合金燃料的催化作用進一步提高推進劑的燃速，或使用不影響燃速或降低燃速的合金燃料將推進劑的燃速控制在一定的范圍，以滿足不同的使用需求。因此，探索合金燃料對固體推進劑的燃速調節作用具有重要意義。

通過物理過程調控推進劑的燃速方面，合金燃料對推進劑燃速的調控主要與燃燒過程的熱量變化有關，例如通過較低的點火延遲時間和能量釋放，改變推進劑的燃燒波溫度分布，提高推進劑的燃面溫度，使凝聚相的熱分解速率加快，從而提高燃面退移速率；同時，金屬相對于有機黏合劑更高的熱導率使熱量加速向凝聚相傳導，從而加快凝聚相的熱分解速率。通過對燃燒化學反應的催化作用調控推進劑的燃速方面，由于鋁的還原性和火焰區環境的氧化性，鋁基燃料中的合金元素會存在單質和氧化物的不同狀態[16]。因此，除中間合金相外，燃燒過程中可能出現的金屬單質及其氧化物同樣可以作用于推進劑組分的熱分解過程，進而影響推進劑的燃燒性能[65]。

雙基系推進劑主要的黏合劑骨架/基體是硝化纖維素，復合推進劑的黏合劑骨架類型有聚丁二烯、聚氨酯和聚醚等，不同組成的合金燃料對凝聚相內不同組成的黏合劑熱分解行為具有差異；此外，對于不同配方組成的推進劑而言，其氣相火焰區的化學組成和空間分布有明顯區別，不同組成的合金燃料對氣相化學反應的催化作用具有差異。因此，合金燃料對于不同的黏合劑體系具有不同的燃速調控效果?；诓煌墓腆w推進劑黏合劑種類，分別整理了鋁基合金燃料的燃速調節作用，討論了黏合劑種類、氧化劑組成和合金燃料對固體推進劑燃速的影響。

2.2.1 在改性雙基推進劑中的燃速調節作用

合金燃料對改性雙基推進劑燃速調節的研究方面，李軍強等[66]研究了質量分數5%鋁粉、硼粉或Al-Mg合金粉的添加對NC/TMETM/FOX-7低感度改性雙基推進劑燃燒性能的影響(見表2)。結果表明鋁粉和Al-Mg合金燃料的添加均提高了NC/TMETM/FOX-7改性雙基推進劑的燃速，其中Al-Mg合金燃料對燃速提升的幅度最大，6MPa下的燃速由15.21mm/s提升至17.11mm/s，增幅為12.5%；16MPa下的燃速由21.58mm/s提升至27.74mm/s，增幅為28.5%。相對而言，推進劑的高壓燃速比低壓燃速提升幅度更高，因此Al-Mg合金對NC/TMETM/FOX-7改性雙基推進劑的燃速壓強指數影響較大，在12～14MPa下的壓強指數從0.21提高至0.48。

表2 Al-Mg合金燃料的NC/TMETM/FOX-7改性雙基推進劑燃速的影響Table 2 Effect of Al-Mg alloy fuel on the burning rate of NC/TMETM/FOX-7 CMDB propellant

2.2.2 在丁羥復合推進劑中的燃速調節作用

除雙基系推進劑外，復合推進劑中添加Al-Mg合金也可以有效調控其燃燒性能。Hatem等[67]對比研究了相同金屬比例的Al-Mg機械化合金和Al-Mg金屬間化合物(添加量均為15%)替代純Al后對HTPB-AP推進劑燃速的影響，發現兩種不同結構的合金均可提高推進劑燃速，其中點火溫度更低的機械化合金對燃速的提升幅度更大。Francesco[68]的研究發現，對于HTPB-ADN推進劑而言，Al-Mg合金的燃速調控效果與改性雙基推進劑及HTPB-AP推進劑正好相反，含質量分數16%Al-Mg機械化合金使HTPB-ADN推進劑在4～13MPa壓力范圍內的燃速均低于含純Al粉的配方。對于高燃速GAP-ADN推進劑而言，Al-Mg合金的燃速調控效果再次改變，含質量分數17%Al-Mg機械化合金使推進劑的燃速相對于含Al配方有明顯提升。結合Al-Mg合金燃料對不同配方體系推進劑的燃速影響規律，上述研究工作說明了當推進劑配方中的氧化劑、黏合劑成分發生變化時，合金燃料的燃速調控作用也隨之改變，推進劑的燃速是配方各組分相互作用的結果。

研究人員認為金屬燃料粒度的降低使推進劑的燃燒由擴散控制轉變為了動力學控制，從而導致燃速和壓強指數的上升。Terry[69]考察了Al-Si合金燃料及其粒度對HTPB推進劑燃速的影響規律，結果表明Al-Si合金完全取代鋁粉后，推進劑的燃速和壓強指數均下降，其中細粒度的Al-Si合金具有相對更高的燃速和壓強指數。Byoung等[70]的研究同樣證實了Al-Zr對HTPB推進劑燃速的提升作用，以及Zr粒度的降低可以進一步提升推進劑燃速。

此外，研究人員發現壓力的提高會降低液態Al液滴中Li蒸汽氣泡的增長速度，從而抑制Al-Li合金微爆現象及其細化燃料的作用。燃面附近淬滅的凝聚相產物分析表明了壓力提升會降低燃面附近Al-Li合金完全燃燒程度和熱反饋作用，這可能是Al-Li合金在HTPB推進劑中產生燃速平臺的原因[71]。

2.2.3 在富燃料推進劑中的燃速調節作用

由于固體沖壓發動機對于流量調節的需求，與常規固體推進劑有所不同的是，富燃料推進劑對燃速壓強指數有更高的要求。Al-Mg合金在多種推進劑中表現出了對壓強指數的提升效果，其加入可使富燃料推進劑滿足高燃速壓強指數的需求。毛根旺等[72]研究了Al-Mg合金對含硼富燃料推進劑燃燒性能的影響，結果表明推進劑的燃速和壓強指數隨Al-Mg合金燃料添加量增多而提高，Al-Mg合金的質量分數在3%～10%范圍內時，Al-Mg合金每取代1%HTPB，推進劑的燃速平均上升31%，燃速壓強指數平均提高0.02，研究人員把燃速提高的原因歸結為金屬較高的導熱率對熱反饋的提升作用。Liu等[73]考察了Al-Li合金對B/PTFE富燃料推進劑燃速的影響規律，研究發現推進劑的燃速隨著Al-Li合金取代B的含量增加而提升，研究人員認為Al-Li燃燒放熱以及燃燒產物中的LiF對于B的燃燒具有促進作用，從而提高了推進劑的燃速。

O.G.Glotov等[74-75]研究了Al-B合金燃料對不同推進劑的燃速影響規律。在Al-AP-HTPB推進劑中，Al-B合金燃料的粒徑是影響燃速的主要因素，當合金燃料的粒徑與Al接近時，Al-B合金取代Al粉使推進劑的燃速在0.1MPa和4.2MPa下分別提升28.5%和94.2%；而其他機械合金化參數獲得的Al-B合金燃料粒徑均為Al粉的3倍以上，在0.1MPa和4.2MPa下對推進劑燃速的提升效果均小于36.2%[74]。對于Al-AP-HMX -HTPB四組元推進劑，Al-B合金燃料取代Al粉使推進劑在2.0～8.0MPa范圍內燃速上升、壓強指數下降[74]。在聚甲基乙烯四唑為黏合劑的含B推進劑中對比研究了AlB2金屬間化合物和Al-B機械化合金對燃速的影響規律，結果表明在約1.2MPa和2.5MPa壓力下使用Al-B機械化合金取代B粉可以提升該推進劑的燃速，而AlB2金屬間化合物則會降低燃速[75]。在固體推進劑配方中用Al-B合金代替Al時，由于B的燃燒耗氧量遠大于Al，B與每單位氧化劑反應的放熱量低于Al，需要增加高氧平衡(通常生成焓較低)氧化劑的含量以維持燃氧比，導致比沖的不升反降。從提升理論比沖以及燃燒效率的角度看，與其他合金燃料相比，Al-B合金更適用于富燃料推進劑。因此，目前Al-B合金在非富燃料推進劑的應用研究主要集中在對推進劑燃速的影響規律方面。

3 結束語

鋁基燃料中引入合金元素可以形成不同組成和相結構的合金燃料，理化性質的差異使合金燃料具有與單質燃料不同的本征特性和燃燒反應機制。耗氧量、水/氧穩定性、組分的相容性等理化性質以及點火和燃燒性能是評價合金燃料在推進劑中應用潛力的重要指標。特定元素和相組成的鋁基合金燃料可通過微爆、合金化反應放熱、形成氧化通道等機制增加自身燃燒性能；部分高活性的金屬元素如鋰、稀土對水和氧敏感，在實際應用中會有工藝安全性問題和長期儲存過程中的反應活性降低問題。鋁基合金燃料應用在固體推進劑中，可以通過提升理論比沖、提升能量釋放效率、降低能量損耗、增加密度等方式提高能量性能，還能調控不同配方類型的推進劑的燃速和燃速壓強指數。在上述結論和分析的基礎上，合金燃料的重點研究方向為：

(1)研究鋁基合金燃料的制備方法與參數對組成和結構的影響規律，輸入能量的種類及制備過程經歷的相圖路徑等因素決定了鋁基合金燃料的相組成和空間分布，完整“制備工藝-結構-性能”關系的獲得是應用和設計技術的保障。

(2)針對工藝安全性和長期儲存活性降低問題，對高反應活性合金燃料進行包覆等改性處理以提高其水/氧穩定性以及與推進劑組分之間的相容性。

(3)解析鋁基合金燃料對固體推進劑的燃速調節機制。目前相關研究主要從宏觀物理過程對金屬或合金燃料的燃速調節作用進行分析，需要深入研究金屬元素類型、氧化態以及合金相在燃速調控中的微觀化學機制。

(4)完善鋁基合金燃料的燃燒機理研究方法。研究人員已通過多種熱分析、激光點火、平面燃燒器和推進劑燃燒等方式獲得了合金燃料在相應條件下的點火燃燒機理，但是各種方法之間從傳質(燃燒環境組成和燃燒組織方式)、傳熱(點火能量提供方式、燃燒環境溫度、單顆粒/顆粒堆的熱環境區別)、傳動(靜態或動態燃燒、燃燒流場)方面存在較大差異，其反應機理和釋能方式普適性受限。需要考察熱氧化反應與燃燒反應的機理差異、激光/電熱等不同點火方式與燃料的相互作用差異、單顆粒/顆粒堆/燃氣流場/固體推進劑燃燒等燃燒組織形式中鋁基合金燃料的反應釋能機理差異。