金属燃料在不同气氛中的点火温度

秦钊,Christian PARAVAN,Giovanni COLOMOBO,Luigi T.DELUCA,沈瑞琪，叶迎华



金属燃料在不同气氛中的点火温度

秦钊1,2,Christian PARAVAN2,Giovanni COLOMOBO2,Luigi T.DELUCA2,沈瑞琪1，叶迎华1

（1.南京理工大学化工学院，江苏 南京，210094；2.SPLab, Dipartimento di Scienze e Tecnology Aerospaziali, Politechnico di Milano, 20156 Milano, Italy)

利用自行设计的金属燃料点火温度测试系统，测试了常压下分别在空气和氧气中的镁包覆硼粉（包覆度20%）、镁粉及铝合金am-Al的点火温度。结果表明，与在空气中相比，3种金属燃料在氧气中的点火温度均有所降低；镁包覆硼粉有效降低了硼的燃点，促进了硼的点火和燃烧，且镁包覆硼粉在氧气中更易燃烧，其点火温度仅为约195.92℃；am-Al在氧气中可点燃，其点火温度低于镁，且燃烧放出的热量最高。在充足的氧气环境下，镁包覆硼粉及am-Al的点火温度均低于300℃，二者均可用作高热值金属燃料。

金属燃料；点火温度；镁包覆硼；铝合金

金属燃料因具有高的燃烧热及高密度，被广泛地研究应用于炸药、推进剂等含能材料中，如铝、镁、硼等[1]。铝粉燃烧热虽较低，但其耗氧量低、密度高，来源丰富，已获得广泛的应用[2]，超级铝热剂近年来也成为研究热点[3]。镁粉熔点与铝粉接近，二者常组成合金用作高能燃烧剂[4]，镁粉也可用于特种推进系统中[5]。硼具有最大的体积热值、重量热值和燃烧产物洁净等优点，是富燃料推进剂的理想燃烧剂[6]。在硼粒子表面包覆低熔点的易燃金属，可以降低硼的燃点，促进硼的点火和燃烧；文献[7]采用金属镁作为硼粒子包覆层，研究结果表明，在高温下镁可以与B2O3反应生成硼单质，该反应降低了硼粒子的点火时间，提高了燃烧效率；当镁的包覆度低于30％时，随着镁含量的增加，硼粉的燃速也随之增加，当包覆度为20％，燃速增加的幅度最高。同样新型的铝合金作为燃料用于固态燃料中可提高燃料的燃速[8]。

目前，通过在开放体系中加热、观察金属燃料或铝热剂在某一温度下是否被点燃，来测量其点火温度的实验方法[9-10]较简易，但结果偏高，且无法获得在不同气氛及压力下金属燃料的燃烧情况。准确测量金属燃料在不同条件下的点火温度及燃烧情况，可为改善金属燃料的点火及燃烧特性、研究其点火机理提供实验依据。本文设计、加工了能准确测量金属燃料点火温度的系统装置，利用该装置测试常压下空气和氧气中的Mg包覆硼粉、Mg粉及新型铝合金am-Al的点火温度，研究其点火及燃烧特性，并分析其用作高热值金属燃料的可行性。

1 实验样品

1.1 金属颗粒的类型

实验研究的3种不同金属颗粒如表1所示。MgB由美国MACH_I研发提供，它是在B颗粒的表面包覆了一层Mg，实验中采用的Mg20B90颗粒中Mg的含量为20%，B的含量为80%，且B的纯度为90%。am-Al是铝、铁和钇的合金，它们在合金中的质量比分别为70.30%、13.54% 和 16.16%。镁粉为传统的金属燃料，将其与两种新型的金属颗粒进行对比。

表1 金属燃料的基本性能

Tab.1 Character of metal fuel

1.2 金属燃料的粒径分布

粒径对金属燃料的点火和燃烧性能等具有重要的影响[11-12]。利用英国Malvern公司的MASTERSI- ZER2000激光粒度仪对MgB和am-Al进行了粒度测试。每种颗粒均进行5次平行测试，以剩余残渣最少的3次试验的平均值作为最终结果，如图1所示。

结果表明，两种新型金属燃料的尺寸均在微米量级。am-Al的粒径分布较窄，平均直径为83.67μm；MgB的粒径分布较宽，平均直径只有5.17μm。试验用的Mg为325目筛下物，即其粒度小于47μm。

图1 MgB和am-Al的粒径示意图

2 点火温度测试系统

金属颗粒的点火温度直接影响到燃料的点火和燃烧性能。图2为金属颗粒点火温度的测试装置示意图，图3（a）为点火室的实物图。所有的点火试验均在不锈钢点火室中进行。点火室连有3组线缆，一组接电源用于加热桥丝，其它的两组均为同轴电缆，分别将热电偶（TC）和光电探头（PD）连接到示波器上。直径50μm的S型热电偶被用于测量金属颗粒点火过程中的温度变化。直径10mm的Ni-Cr丝被冷加工成相应的形状，一方面用于加热，另一方面用于支撑金属颗粒的平台。Ni-Cr丝的加热速率由通过电源的输出电流来控制。图3（b）所示为样品支撑台，试验时应确保热电偶两种材料的焊接点既要埋在金属颗粒中又不能接触到加热丝。

图2 金属颗粒点火温度测试装置示意图

图3 金属颗粒点火温度测试装置实物图

分别测试了金属燃料在压强为0.1 MPa的空气和氧气中的点火温度，其中桥丝的加热速率均为300 ℃/s。

3 结果与讨论

3.1 金属燃料在空气中的点火燃烧

图4为MgB颗粒点火时的典型测试结果，Mg颗粒点火的结果与其类似。由图4可知，0时刻为接通电源后Ni-Cr桥丝开始加热的时刻，Ni-Cr丝加热后温度逐渐升高，至1时刻桥丝受热变红，光电探头探测的信号逐渐增强；2时刻金属颗粒被点燃，光电探头探测到的信号迅速增强，温度信号的斜率也明显增加，说明金属颗粒燃烧放出大量的热量。2时刻所对应的发生突跃变化的温度T即为金属颗粒的点火温度。3时刻金属颗粒燃烧殆尽，此后温度逐渐降低。2~3间隔较短说明金属颗粒的燃烧很快（<1s）。

图4 MgB金属颗粒在空气中点火的典型结果

表2 金属颗粒在空气中的点火温度

Tab.2 Ignition temperature of metal particles in air

表2所示为金属颗粒在空气中的点火温度。在空气中Mg和MgB均被成功点燃，然而am-Al未被成功点燃，只观测到少量的火花，表明其点火温度最高。金属Mg粉在9次实验中均被点燃，其点火温度最低，只有（383.16 ± 38.10）℃。MgB的点火温度高于镁粉，其值为（600.70 ± 52.23）℃。

硼不仅熔点和沸点非常高（大于2 000 K），而且其表面氧化膜B2O3的汽化热高，导致硼的点火性能差，燃尽困难，燃烧效率低。由于Mg的点火温度低，燃烧热值高，包覆于硼粉时，Mg首先燃烧提供大量的热能，防止硼粒子表面形成低温氧化层，而且Mg与硼生成的金属硼化物的燃点较低，有效降低了硼的燃点，促进了硼的点火和燃烧。

3.2 金属燃料在氧气中的点火燃烧

图5所示为示波器采集到的am-Al在氧气中点燃的典型信号。如图5所示，一旦am-Al金属颗粒被点燃，热电偶丝即被迅速熔断，无法继续测量温度。相比于在空气中，氧气环境中的氧气更为充足，能够使金属颗粒的燃烧更为完全，放出的热量更多。

表3为3种金属颗粒在氧气中的点火温度。由表3可见，3种金属颗粒在氧气中均被成功点燃，且其点火温度相比它们在空气中的点火温度都有所降低。其中Mg的点火温度降低幅度最少，仅为56℃；MgB颗粒在氧气中最易点燃，其点火温度只有（195.92± 19.32）℃，相比其在空气中的点火温度降低了405 ℃。am-Al在氧气中被成功点燃，其点火温度只有（270.49 ± 76.12）℃，低于Mg颗粒。

图5 am-Al金属颗粒在氧气中点火的典型结果

表3 金属颗粒在氧气中的点火温度

Tab.3 Ignition temperature of metal particles in oxygen

图6所示为不同金属颗粒燃烧后的Ni-Cr桥丝情况。am-Al点火后Ni-Cr丝被完全熔断，如图6（a）所示；而Mg粉和MgB粉燃烧后桥丝未被熔断，如图6（b）所示。表明am-Al在氧气中燃烧所放出的热量远远大于MgB和Mg燃烧所放出的热量。

图6 金属颗粒在氧气中燃烧后Ni-Cr桥丝情况

硼燃烧时的耗氧量大，是Mg的3.36倍。因此在空气中燃烧时，MgB粉的点火温度显著高于Mg。但在充足的氧气环境中，B与O2接触的有效面积变大，增加了粒子表面的氧分数，使得其汽化和反应所需的能量相对更少，具体表现为点火温度显著降低。

am-Al在空气中难以点燃，但其在氧气中易燃烧并具有高热量，其点火温度低于300℃，且其耗氧量最低、密度最高，可用作高能金属燃料。因此，后续可研究将am-Al、MgB分别替代Al粉作为金属燃烧剂用于燃料和推进剂中。

4 结论

（1）采用自行设计的实验装置，可准确测量金属颗粒在不同气氛中的点火温度。

（2）Mg包覆硼粉可有效降低硼的燃点，促进了硼的点火和燃烧；与在空气中相比Mg包覆硼粉在氧气中更易燃烧，其点火温度显著降低，仅有195.92℃。

（3）am-Al仅在氧气中可点燃，其点火温度（270.49℃）低于Mg的点火温度，且其燃烧放出的热量最高。

（4）在充足的氧气环境下，Mg包覆硼粉及am-Al的点火温度均低于300℃，其密度和燃烧热值均较高，可用作高热值金属燃料。

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Ignition Temperature of Metal Fuel in Different Atmosphere

QIN Zhao1, 2, Christian PARAVAN2, Giovanni COLOMOBO2, Luigi T. DELUCA2, SHEN Rui-qi1, YE Ying-hua1

（1.School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, 210094；2.SPLab, Dipartimento di Scienze e Tecnology Aerospaziali, Politechnico di Milano, 20156 Milano, Italy)

Ignition temperature of Mg, B coated by Mg (coating rate 20%) and alloy am-Al in air and oxygen at ambient pressure were studied, by use of self-designed experiment system. The result shows, ignition temperature in oxygen of all three metals are lower than that in air, B coated by Mg can significantly lower ignition point of B, and accelerate ignition and burning of B. Meanwhile, it is much easier for B coated by Mg to burn in oxygen, and the ignition temperature is only 195.92℃. Alloy am-Al can be ignited in oxygen, and the ignition temperature is lower than that of Mg. Among these three metal, alloy am-Al release much more heat during combustion compared with other two powders, ignition temperature of B coated by Mg and alloy am-Al are lower than 300 ℃, thus, both of them can be used as high calorific value metal fuel.

Metal fuel；Ignition temperature；B coated by Mg；Alloy Al

TQ560.4

A

1003-1480（2014）04-0024-04

2014-04-30

秦钊（1987-），男，博士研究生，从事混合推进用燃料的设计和应用研究。