硼在推进剂中的燃烧表现一直是研究人员关注的重点。美国弗吉尼亚理工大学研究了硼、硼化物以及硼与镁或钛组成的复合含能材料对HTPB推进剂燃烧特性的影响。利用直连式固体燃料冲压式喷气燃烧器,考察了添加硼、硼化物以及硼与镁或钛复合材料HTPB推进剂的燃烧特性。研究结果发现,含硼或二硼化铝(AlB2)推进剂的退移速率与无添加时HTPB 推进剂的退移速率近似,而含钛或二硼化镁(MgB2)推进剂的退移速率则明显高于无添加时的HTPB推进剂的退移速率。同时,发现含有镁和硼的复合材料的退移速率最高,比无添加HTPB推进剂的退移速率高 75%。对燃料和纯粉末的热重分析发现,退移速率提高的原因可能是由于固体燃料晶粒表面附近边界层中的颗粒与水蒸汽发生反应。所有燃料都表现出相对较高的燃烧效率(>85%),其中含镁燃料的燃烧效率通常最高。
源自:Chase Leuchtmann, Dominic F. Gallegos, Gregory Young,et al.Combustion of solid fuels containing boron, borides, and boron based composites in a solid fuel ramjet[J]. Fuel,2024, 371: 132101.https://doi.org/10.1016/j.fuel.2024.132101
印度MVJ工程学院研究了添加硼(B)和氟橡胶对HTPB基固体燃料的点火和燃烧性能的影响,探索了添加B和氟橡胶的HTPB基固体燃料的点火、燃烧性能和退移速率。研究的燃料复合材料包括纯 HTPB、含质量分数10%和15%B的HTPB(分别为H-B10和H-B15)以及含10%和15%B@Viton的HTPB复合含能材料(分别为H-B10V10和H-B15V10)。分析了其在HTPB基体中的氧化行为。研究结果表明,氟橡胶的加入改变了B的氧化动力学,导致分解和气化速度加快。样品H-B10V10与纯HTPB相比,在氧化剂质量通量为74kg/(m2瘙簚s)时,衰减率提高了52%。
韩国忠南大学提出利用乙二醇(EG)和二氧化钛(TiO2)颗粒对硼(B)颗粒进行改性增强其点火和燃烧性能的方法。这项研究的重点是去除B颗粒外壳表面上的无效羟基(B-OH),用EG对其进行改性,通过添加四异丙醇钛(TTIP)前驱体,将TiO2颗粒包覆到硼表面。研究结果表明,室温合成的TiO2包覆B粒子(点火延迟时间为181μs,燃烧热为17.3kJ/g)优于原始B粒子(点火延迟时间为284μs,燃烧热为13.2kJ/g)。这种性能的提升归功于硼表面羟基的去除、表面改性、极小TiO2颗粒的均匀包覆和TiO2对氧扩散的催化作用以及核心硼的有效氧化。
源自:Sri NithyaMahottamananda, Yash PalNarendra Yadav, DjalalTrache, et al. Combustion of HTPB-based solid fuels containing Viton-coated boron forhybrid rocket applications[J].FirePhysChem.https://doi.org/10.1016/j.fpc.2024.12.004
源自:JayantaMondal, Sumit Kumar Singh, WeonGyu Shin.Enhanced ignition and combustion performance of boron-based energetic materials through surface modification and titanium dioxides coating[J].Chemical Engineering Science,2024,50:16598-16614. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.02.150
硼具有较高的热值,但表面氧化物阻碍了燃烧过程中氧气的扩散,导致点火困难和不完全燃烧。天津大学报道了8种过渡金属对纳米硼粉(nB)点火和燃烧的影响。采用8种过渡金属(Mo、Bi、Fe、Co、Ni、Cu、Ag和W)催化促进纳米硼粉(nB)的点火和燃烧,其中Mo性能最好。与nB相比,Mo/nB的燃烧热增加了19.80MJ/kg,初始氧化温度降低了186.3℃。最后,提出了Mo/nB的燃烧机理:Mo/nB点燃后形成了三层结构。Mo氧化产生的三氧化钼作为催化剂,作为氧转运载体,释放被吸附的O2,促进nB的氧化。此外,O2在热作用下的膨胀破坏了致密的表面氧化层,为中间层的(BO)n打开了一个输氧通道,延长了稳定的燃烧时间,而nB的能量被充分释放。该研究为提高纳米硼粉的点火和燃烧性能提供了研究思路。
源自:Chongjun Li,Zaizheng Li, Kang Xue, et al. Promoted ignition and combustion of nano-boron powder by transition metals catalysis[J].Chemical Engineering Science, 2025, 305: 121129. https://doi.org/10.1016/j.ces.2024.121129
硼(B)粉末具有很高的质量热值和体积热值,使其在能源材料领域具有很大的应用前景。然而,硼表面的氧化层是充分发挥其燃料潜力的最大障碍。常州大学提出了一种利用硅烷偶联剂在纳米B粉(nB)表面包覆铝(Al)形成B@Al复合颗粒增强其燃烧性能的方法。通过实验和分子动力学模拟方法研究了不同铝含量的铝改性B粉的燃烧特性,揭示了改性B颗粒界面层的双向扩散机理。少量的铝粉可以在很大程度上降低B粉的初始氧化温度,提高最高火焰温度,并增强热量的释放; 但过量的铝粉会改变燃烧行为,恶化B粉燃烧,从而抑制B粉在燃烧过程中的聚集。此外,B@Al样品燃烧过程中发生的结合反应和氧化还原反应不仅缩短了B粉的燃烧时间,还加快了火焰的膨胀速度,提高了B的燃烧效率。
源自:Tianyu Yang, Xiaoyan Qian, Jinyu Dai, et al. Combustion performance of aluminum modified boron nanoparticles coated with silane coupling agent[J].Combustion and Flame, 2024, 264: 113442.
https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2024.113442为了提升硼粉的点火燃烧性能,西北工业大学采用高能球磨与喷雾干燥相结合的技术制备了μBHHc、μBHCe、nBHHc和nBHCe4种微纳米B-Fe-Bi2O3@AP/PVDF 复合物,考察了不同复合物的能量性能和燃烧性能。结果表明,μBHHc和μBHCe复合物在氩气中最大热值达9.7kJ/g,最高燃烧效率达66.2%; 在氧气中最大热值达14.6kJ/g,最高燃烧效率达93.3%,空气中氧化峰温在750～760℃之间。nBHHc和nBHCe复合物在氩气中的最大热值达9.9kJ/g,最高燃烧效率达68.9%; 在氧气中的最大热值达14.8kJ/g,最高燃烧效率达97.2%,空气中氧化峰温在595～600℃之间。其中nBHHc复合物的点火延迟时间最短(26ms),且质量燃速最高(1.84g/s); μBHCe复合物的点火延迟时间最长(39ms),质量燃速也最低(0.80g/s)。
源自:刘睿,杨丹锋,张云龙,等.高燃烧效率含卤氧化剂包覆硼粉的制备及性能[J].含能材料,2024,32(10):1068-1079.https://doi.org/10.11943/CJEM2024062
硼(B)粒子表面的硼酸和其他杂质会与HTPB发生反应,降低硼基固体火箭推进剂的力学性能和能量释放效率。中北大学考察了硬脂酸(SA)包覆对B粒子燃烧性能和HTPB基复合材料力学性能的影响。通过溶剂蒸发诱导自组装方法在B粒子表面包覆SA,制备了SA@B复合粒子,考察了SA包覆对硼粒子燃烧性能和HTPB基复合材料力学性能的影响。结果表明,SA的包覆提高了B粒子在空气中的氧化效率,SA@B复合材料粒子的燃烧热为30.29MJ/g,比B粒子的燃烧热高50%。当拉伸速度为100mm/min时,SA@B/HTPB复合材料的拉伸强度高于B/HTPB复合材料。此外,当SA@B复合粒子的质量分数达到50%时,SA@B/HTPB复合材料的拉伸强度为2.46MPa。该研究表明,用SA活化硼粒子表面可显著提高其与HTPB的相容性,这对硼基固体火箭推进剂的稳定贮存至关重要。
源自:Jiaxin Lu, Chong Chen, Bobo Zhang, et al.Combustion and mechanical properties enhancement strategy based on stearic acid surface activated boron powders[J].Scientific Reports, 2024, 14:21979.https://doi.org/10.1038/s41598-024-71246-0
西安近代化学研究所李锐霄、庞维强 供稿
