鋁鋰合金燃料及其應用研究新進展

鋁粉用于含能材料已有近百年的歷史,如何提高鋁粉在含能材料中的燃燒效率一直是一個世界性的難題。鋰是一種極為活潑的金屬,理論熱值達到鋁的1.5倍,氧化反應速率也遠遠高于鋁。將特定含量的鋰與鋁復合而制得的鋁鋰復合燃料,在理論上具有比鋁粉更高的熱值和反應活性,有望在炸藥、固體推進劑和煙火藥等含能材料中燃燒更快、更完全。美國東哈特福德聯合航空公司研究實驗室在1961年研究了鋁鋰合金粉在空氣中的燃燒現象,發現由于鋰的熔沸點遠小于鋁,合金粉中的鋁在燃燒過程中更容易破碎,顆粒變小,從而提高了合金粉的燃燒效率。

鋁鋰合金燃料對固體推進劑的燃燒效應研究

美國普渡大學Steven團隊于2016年將燒結法制備的鋰質量分數20%的鋁鋰合金燃料(全部為LiAl金屬間化合物)用于固體推進劑,通過計算得出該鋁鋰合金燃料相比于鋁粉能提高約7秒的理論比沖量,并通過實驗證明了鋰能顯著降低含氯氧化劑體系燃燒產物中氯化氫(HCl)的含量。2017年,該團隊對比了鋁粉和鋁鋰合金粉在固體推進劑中的燃燒現象,結果表明鋁鋰合金粉在燃燒過程中形成熔融液滴后會發生微爆炸現象,如圖1(a)所示,且微爆炸現象隨壓力的增加更加劇烈,同時燃速也得以提高。該團隊在2021年采用激光吸收光譜測試了分別以鋁粉和鋁鋰合金粉為燃料的固體推進劑的燃燒火焰,與含鋁粉的推進劑相比,含鋁鋰合金粉的推進劑燃燒火焰溫度高出80～200℃,燃燒反應更加完全,如圖1(b)所示。

氣霧化鋁鋰合金球形粉對高氯酸銨熱分解特性研究

華中科技大學蔡水洲團隊于2019年采用緊耦合氣霧化法成功制備出球形度良好、成分均勻的微米尺度鋁鋰合金粉(見圖2),并研究了鋁鋰合金粉對高氯酸銨(AP)熱分解的影響。結果表明鋁鋰合金粉對AP的低溫分解起到抑制作用,而對高溫分解起促進作用,并且這些作用隨鋰含量增加而增強。當鋰質量分數為10%時,AP的高溫分解峰溫降低80℃,活化能降低62.9kJ/mol。通過研究該鋁鋰合金粉的熱分解反應:在低溫階段,鋁鋰合金粉中的AlLi化合物會限制AP離解產物的升華,從而抑制了AP的低溫分解;在高溫階段,AP分解產生的氧化性氣體與高活性的AlLi發生反應,產生更多熱量,顯著加速分解過程。此外,通過燃燒產物分析發現,鋰的存在還能有效減少燃燒過程中HCl的排放。

圖2 氣霧化鋁鋰合金球形粉的SEM形貌源自:廣州化工, 2019, 47(8):5.

離心霧化鋁鋰合金球形粉的結構特性與燃燒性能研究

北京理工大學焦清介團隊在2020年利用高速離心霧化法設計制備了鋰質量分數在1%～10%的鋁鋰合金球形粉。鋁鋰合金粉的微觀形貌(見圖3)顯示出顆粒具有高球形度,表面由清晰的“板塊”和“溝道”組成,且隨著鋰含量增加,溝道變得更為致密。金相分析顯示鋁鋰合金粉內部呈樹枝晶,晶粒分布均勻,沒有嚴重成分偏析。隨著鋰含量的增加,鋁鋰合金粉形成的枝晶變得更細。鋁鋰合金的主要物相為αAl、AlLi和Al3Li。燃燒熱測試結果表明,鋁鋰合金粉的熱值高于同粒徑鋁粉,同時能量釋放效率也更高。熱分析和非等溫氧化動力學結果表明,鋁鋰合金粉的氧化反應速率明顯高于鋁粉,劇烈氧化階段的活化能低于同粒徑鋁粉,并隨鋰含量增加呈下降趨勢。鋁鋰合金/高氯酸鉀復合材料的燃燒行為如圖4所示。

圖3 高速離心霧化鋁鋰合金球形粉的SEM形貌源自:Fuel, 2022, 323: 124393.

圖4 鋁鋰合金/高氯酸鉀復合材料的燃燒現象及微爆作用示意圖源自:Fuel, 2022, 323: 124393.

研究表明,鋰的加入可以顯著縮短點火延遲,同時改善含鋁鋰含能材料的反應性能,包括火焰傳播速率和火焰溫度。此外,通過燃燒產物分析研究了鋁鋰合金粉發生的微爆炸現象對燃燒行為的影響,發現微爆效應使燃料顆粒變小,燃燒速率更高。

鋁鋰合金球形粉對推進劑的燃燒性能研究

華中科技大學曾大文團隊在2023年將鋰質量分數為2.5%的氣霧化鋁鋰合金粉用于丁羥(HTPB)固體推進劑,通過激光點火、冷凝燃燒產物收集和模擬75mm試驗固體火箭發動機等,分析了鋁鋰合金粉對HTPB推進劑燃燒性能的影響。相比鋁粉配方,鋁鋰合金粉配方減少了HTPB推進劑燃燒過程中的顆粒團聚(見圖5),提高了燃料的燃燒效率,減少了冷凝燃燒產物的形成。這是由于鋁鋰合金粉比鋁粉的反應活性更高,在500～600℃能迅速反應,從而在靠近燃燒表面的位置發生氧化放熱、點火和燃燒,增加了熱反饋。研究還發現,隨著配方中鋁鋰合金粉含量的增加,推進劑燃燒壓力指數和燃燒速率也進一步上升,燃燒殘渣的團聚程度和殘渣中的活性鋁含量降低。

圖5 推進劑在5MPa壓力下的燃燒現象:(a)鋁粉配方;(b)鋁鋰合金粉配方源自:Aerospace, 2023, 10(3): 222.

綜上所述,鋁鋰合金燃料是迄今反應速率最快、燃燒效率最高的金屬合金燃料,在炸藥、固體推進劑和煙火藥等多種含能材料中具有很高的應用價值。而霧化法制造的鋁鋰合金粉球形度高,能夠實現鋁和鋰在微納米尺度上組裝,具有優良的氧化反應動力學特性和顯著的微爆燃燒效應。