面向先进推进剂的多功能超支化大分子平台的构建

Endothermic hydrocarbon fuels (EHFs) are advanced liquid propellants. EHFs offer active cooling effects generated from heat transfer and thermal cracking for hypersonic aircrafts. The thermochemistry processes and status of EHFs are closely associated with some key technologies, such as heat sink release, coke inhibition and combustion acceleration. This project aims to develop a series of functional hyperbranched polymers for the tuning of heat transfer,cracking,coking and combustion. As some "soft nano-particles" and "active substrates nano-packages", hyperbranched initiators and hyperbranched inhibitors can promote the processes of cracking and combustion, and the formation of cokes can also be inhibited. A series of thermochemsitry experiments and calorimetry determinations will be operated under the temperature and pressure conditions of simulating engine. On the basis of the detailed analyses of calorimetry determination and the time-space distribution for the decomposition gaseous/liquid/solid products, the regulation for the processes of cracking, coking and combustion arising from element components, structures, molecular weights and addition amounts of hyperbranched polymers will be systematically summarized. The theoretical thermodynamic and kinetic basis will also be discussed based on the methods from calculational chemistry and combustion dynamics. The achievements from this project will be expected to provide new ideas and methods for developing new systems of advanced liquid propellants.

吸热型碳氢燃料是先进液体推进剂，通过换热、裂解提供主动冷却效果来服务于高超声速飞行器。碳氢燃料面临热沉提高、结焦抑制和燃烧加速等重要技术问题与其经历的热化学过程及状态变化密切相关。面向这些需求，本项目构建功能性超支化大分子平台用于调控燃料“换热-裂解-结焦-燃烧”的过程。作为“软性”的纳米粒子和“活性物质纳米添加包”，超支化引发剂和结焦抑制剂分解产生的活性物质可促进裂解、燃烧的自由基反应，抑制焦炭的生成。在模拟发动机温度、压力等条件下进行热化学与量热学实验，研究超支化大分子的元素组成、结构、相对分子质量及分布和添加量等因素对燃料换热、裂解所产生的量热学测定变化、气体液体产物和焦炭的时间-空间分布的影响，结合燃烧动力学和计算化学的研究方法，系统地研究功能性超支化大分子对碳氢燃料应用过程中的热沉释放、结焦抑制和燃烧促进的调节作用和理论基础，为构建先进液体推进剂新体系提供新的思路和方法。

吸热型碳氢燃料是先进液体推进剂，通过换热、裂解提供主动冷却效果来服务于高超声速飞行器。碳氢燃料面临热沉提高、结焦抑制和燃烧加速等重要技术问题与其经历的热化学过程及状态变化密切相关。面向这些需求，本项目构建功能性超支化大分子平台用于调控燃料“换热-裂解-结焦-燃烧”的过程。超支化引发剂和结焦抑制剂分解产生的活性物质可促进裂解、燃烧的自由基反应，抑制焦炭的生成。在模拟发动机温度、压力等条件下进行热化学与量热学实验，研究超支化大分子的元素组成、结构、相对分子质量及分布和添加量等因素对燃料换热、裂解所产生的量热学测定变化、气体液体产物和焦炭的时间-空间分布的影响，结合燃烧动力学和计算化学的研究方法，系统地研究功能性超支化大分子对碳氢燃料应用过程中的热沉释放、结焦抑制和燃烧促进的调节作用和理论基础。经过实施，获得了以下成果：1、成功开发出对碳氢燃料结焦有抑制作用的含硫油溶性超支化聚合物添加剂，从使用前后的气液产物变化、焦炭形态变化和热沉的变化总结了该结焦抑制剂的作用机理。2、进一步利用热重分析、快速热裂解-气相色谱-质谱联用仪和热重-红外-质谱联用仪，从自由基机理的角度深入研究超支化聚合物在碳氢燃料中的作用过程和机理，诠释了以超支化聚缩水甘油为例的自由基机理的过程。3、以HPG为基础合成了长期稳定在碳氢燃料中的纳米铂粒子，应用于模型碳氢燃料甲基环己烷中，具有明显的裂解促进效果，其转化率、产气率、烯烃选择性以及热沉均有显著的提高。4、基于已研究的超支化引发剂机理，开发在促进石脑油水蒸汽裂解的超支化聚合物助剂，有效提高了石脑油的乙烯、丙烯收率，有效提高了能源利用率。5、开发了新型的超支化聚酯类引发剂，研究了其阶段性效用机理，并从气液产物、热沉提升等方面评估了其深化裂解、提升热沉的作用。项目共支持发表SCI论文6篇，获授权发明专利2项。