超细硼颗粒点火及燃烧特性研究

As a high-energy fuel with high quality and calorific value, boron can substantially increase the energy level of propellant, explosive and bio-fuels when it was used as additives for the high energy fuel. Recently, the applications of boron particles in the areas mentioned above are limited due to its ignition and combustion process is not thoroughly understood. This project will study the ignition and combustion characteristics of micro and nano-scale superfine boron particles whose size are under 10 microns by thermal analysis and shock tube experiments. The influencing factors to ignition and combustion characteristics of boron will also be explored, such as the particle size, environmental temperature, pressure, oxidant species, oxidant concentration, oxide layer thickness and surface modification characteristics. A set of relatively complete data about the ignition and combustion characteristics of superfine boron particles will be obtained by these experiments. Based on the experiments, numerical simulation is conducted to verify and improve the physical model for the ignition and combustion of boron particles, mainly aiming to verify, improve and simplify the combustion kinetic model of boron particles. The final models be used in engineering field, and also enhance our understanding on the ignition and combustion of superfine boron particles. The achievement of this research can provide important basis to widen the use of boron particles in the above areas.

作为一种具有高质量热值和体积热值的高能燃料，硼在推进剂、火炸药以及生物燃料领域均可作为高能添加剂而大幅提高推进剂、火炸药及生物燃料的能量水平。目前由于对硼颗粒点火和燃烧详细过程了解不够深入而限制了它在上述领域中的应用。本项申请拟选取10 μm以下微米和纳米级超细硼颗粒为研究对象，对硼颗粒点火和燃烧特性进行热分析和激波管实验研究，系统考察粒径、环境温度、压力、氧化剂种类、氧化剂浓度、颗粒表面氧化层厚度以及表面改性情况对硼颗粒点火和燃烧特性的影响，获得一套比较完整的超细硼颗粒点火和燃烧特性数据。在此基础上，以本项目中热分析和激波管实验结果为基础数据，通过数值模拟验证和改进硼颗粒点火及燃烧物理模型，并重点对硼颗粒燃烧化学动力学模型进行验证、改进及简化，最后获得工程上可实用的模型，以此达到对超细硼颗粒点火和燃烧特性的深刻认识。本项研究成果可为硼颗粒在上述领域中广泛应用奠定重要基础。

作为一种具有高质量热值和体积热值的高能燃料，硼在推进剂、火炸药以及生物燃料领域均可作为高能添加剂而大幅提高推进剂、火炸药及生物燃料的能量水平。目前由于对硼颗粒点火和燃烧详细过程了解不够深入而限制了它在上述领域中的应用。本项目以10μm以下微米和纳米级超细硼颗粒为研究对象，利用TG-DSC同步联用技术对硼颗粒的热氧化过程进行了详细研究，并对硼颗粒的热氧化过程进行了动力学计算，获得了粒径、升温速率、气体流量、氧气的含量、氧化膜厚度等多重因素对硼颗粒热氧化过程的影响规律。结果显示，随着粒径的减小，硼颗粒更容易被点燃，而且氧化反应更加完全，但氧化剧烈程度却随粒径的增加而变大。升温速率将会对硼颗粒的热氧化过程产生很大的影响，当升温速率逐渐减小时，硼颗粒的着火温度也会变小，点火过程就会变得比较容易进行，同时，反应的时间也会越来越长，这样放热过程就持续时间越长，放热量就会越多，反应就会更加完整，热氧化过程就会变得越稳定。氧气浓度的变大不仅仅是会使硼颗粒提前发生着火，同时也会提前整个硼颗粒的热氧化过程。硼颗粒表面的氧化膜将会对硼的热氧化反应起到阻碍的作用，当氧化膜的厚度变大时，硼颗粒的着火温度会变高。当将纳米和微米级两种粒径硼混合后，比例较多的一方占整个热氧化反应的主导地位，进而样品的特性都与所占比例大的硼的特性一致。其次，对激波管实验系统进行了改造升级，使其功能更加完善，具备了进行宽压力范围（0.1-10 MPa）气体、液体和固体燃料裂解、点火及燃烧实验研究的能力。在此基础上，利用升级后的激波管实验系统对两种粒径超细硼颗粒的点火和燃烧特性进行了实验研究，系统考察并获得了粒径、环境温度、压力、氧化剂种类、氧化剂浓度、颗粒表面氧化层厚度对硼颗粒点火和燃烧特性的影响规律，获得一套比较完整的超细硼颗粒点火和燃烧特性数据。通过本项目研究成果实现了对超细硼颗粒点火和燃烧特性的初步认识。本项研究成果可为硼颗粒在上述领域中广泛应用奠定重要基础。