铝锂合金燃料及其应用研究新进展

铝粉用于含能材料已有近百年的历史,如何提高铝粉在含能材料中的燃烧效率一直是一个世界性的难题。锂是一种极为活泼的金属,理论热值达到铝的1.5倍,氧化反应速率也远远高于铝。将特定含量的锂与铝复合而制得的铝锂复合燃料,在理论上具有比铝粉更高的热值和反应活性,有望在炸药、固体推进剂和烟火药等含能材料中燃烧更快、更完全。美国东哈特福德联合航空公司研究实验室在1961年研究了铝锂合金粉在空气中的燃烧现象,发现由于锂的熔沸点远小于铝,合金粉中的铝在燃烧过程中更容易破碎,颗粒变小,从而提高了合金粉的燃烧效率。

铝锂合金燃料对固体推进剂的燃烧效应研究

美国普渡大学Steven团队于2016年将烧结法制备的锂质量分数20%的铝锂合金燃料(全部为LiAl金属间化合物)用于固体推进剂,通过计算得出该铝锂合金燃料相比于铝粉能提高约7秒的理论比冲量,并通过实验证明了锂能显著降低含氯氧化剂体系燃烧产物中氯化氢(HCl)的含量。2017年,该团队对比了铝粉和铝锂合金粉在固体推进剂中的燃烧现象,结果表明铝锂合金粉在燃烧过程中形成熔融液滴后会发生微爆炸现象,如图1(a)所示,且微爆炸现象随压力的增加更加剧烈,同时燃速也得以提高。该团队在2021年采用激光吸收光谱测试了分别以铝粉和铝锂合金粉为燃料的固体推进剂的燃烧火焰,与含铝粉的推进剂相比,含铝锂合金粉的推进剂燃烧火焰温度高出80～200℃,燃烧反应更加完全,如图1(b)所示。

气雾化铝锂合金球形粉对高氯酸铵热分解特性研究

华中科技大学蔡水洲团队于2019年采用紧耦合气雾化法成功制备出球形度良好、成分均匀的微米尺度铝锂合金粉(见图2),并研究了铝锂合金粉对高氯酸铵(AP)热分解的影响。结果表明铝锂合金粉对AP的低温分解起到抑制作用,而对高温分解起促进作用,并且这些作用随锂含量增加而增强。当锂质量分数为10%时,AP的高温分解峰温降低80℃,活化能降低62.9kJ/mol。通过研究该铝锂合金粉的热分解反应:在低温阶段,铝锂合金粉中的AlLi化合物会限制AP离解产物的升华,从而抑制了AP的低温分解;在高温阶段,AP分解产生的氧化性气体与高活性的AlLi发生反应,产生更多热量,显著加速分解过程。此外,通过燃烧产物分析发现,锂的存在还能有效减少燃烧过程中HCl的排放。

图2 气雾化铝锂合金球形粉的SEM形貌源自:广州化工, 2019, 47(8):5.

离心雾化铝锂合金球形粉的结构特性与燃烧性能研究

北京理工大学焦清介团队在2020年利用高速离心雾化法设计制备了锂质量分数在1%～10%的铝锂合金球形粉。铝锂合金粉的微观形貌(见图3)显示出颗粒具有高球形度,表面由清晰的“板块”和“沟道”组成,且随着锂含量增加,沟道变得更为致密。金相分析显示铝锂合金粉内部呈树枝晶,晶粒分布均匀,没有严重成分偏析。随着锂含量的增加,铝锂合金粉形成的枝晶变得更细。铝锂合金的主要物相为αAl、AlLi和Al3Li。燃烧热测试结果表明,铝锂合金粉的热值高于同粒径铝粉,同时能量释放效率也更高。热分析和非等温氧化动力学结果表明,铝锂合金粉的氧化反应速率明显高于铝粉,剧烈氧化阶段的活化能低于同粒径铝粉,并随锂含量增加呈下降趋势。铝锂合金/高氯酸钾复合材料的燃烧行为如图4所示。

图3 高速离心雾化铝锂合金球形粉的SEM形貌源自:Fuel, 2022, 323: 124393.

图4 铝锂合金/高氯酸钾复合材料的燃烧现象及微爆作用示意图源自:Fuel, 2022, 323: 124393.

研究表明,锂的加入可以显著缩短点火延迟,同时改善含铝锂含能材料的反应性能,包括火焰传播速率和火焰温度。此外,通过燃烧产物分析研究了铝锂合金粉发生的微爆炸现象对燃烧行为的影响,发现微爆效应使燃料颗粒变小,燃烧速率更高。

铝锂合金球形粉对推进剂的燃烧性能研究

华中科技大学曾大文团队在2023年将锂质量分数为2.5%的气雾化铝锂合金粉用于丁羟(HTPB)固体推进剂,通过激光点火、冷凝燃烧产物收集和模拟75mm试验固体火箭发动机等,分析了铝锂合金粉对HTPB推进剂燃烧性能的影响。相比铝粉配方,铝锂合金粉配方减少了HTPB推进剂燃烧过程中的颗粒团聚(见图5),提高了燃料的燃烧效率,减少了冷凝燃烧产物的形成。这是由于铝锂合金粉比铝粉的反应活性更高,在500～600℃能迅速反应,从而在靠近燃烧表面的位置发生氧化放热、点火和燃烧,增加了热反馈。研究还发现,随着配方中铝锂合金粉含量的增加,推进剂燃烧压力指数和燃烧速率也进一步上升,燃烧残渣的团聚程度和残渣中的活性铝含量降低。

图5 推进剂在5MPa压力下的燃烧现象:(a)铝粉配方;(b)铝锂合金粉配方源自:Aerospace, 2023, 10(3): 222.

综上所述,铝锂合金燃料是迄今反应速率最快、燃烧效率最高的金属合金燃料,在炸药、固体推进剂和烟火药等多种含能材料中具有很高的应用价值。而雾化法制造的铝锂合金粉球形度高,能够实现铝和锂在微纳米尺度上组装,具有优良的氧化反应动力学特性和显著的微爆燃烧效应。