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中文摘要
硼因其高能量密度，被认为是一种增强复合推进剂能量输出的理想粉末状金属燃料。然而，由于硼氧化物层的沸点高导致硼粉的点火温度高且燃烧效率低限制了其应用。为了解决这些问题，目前正在进行大量研究，其中一种可能的方法是引入少量金属氧化物添加剂来促进硼的反应。本研究用机械球磨法制备了含有8种纳米金属氧化物添加剂（10 wt%）的富硼燃料，并通过热重分析（TG）、电加热丝装置（T-jump）和激光诱导燃烧实验全面研究了金属氧化物对硼粉热氧化、点火和燃烧性能的影响。5 K/min的TG实验发现，Bi2O3、MoO3、TiO2、Fe2O3和CuO能够促进硼的热氧化。与纯硼相比，起始氧化温度（Tonset）可从569 °C降低至最低449 °C（B/Bi2O3）。T-jump实验中，当加热速率从1000 K/s增加到25000 K/s时，红外温度测量结果显示B/Bi2O3的点火温度最低，甚至低于硼氧化物的熔点。点火图像和产物的SEM分析进一步表明，高加热速率有利于硼粉在单颗粒燃烧状态下的快速反应。将B/Bi2O3、B/MoO3和B/CuO与氧化剂AP混合并用激光点火进行燃烧性能测试，结果显示B/CuO/AP火焰面积最大、BO2特征谱线强度最高且粉末线燃烧速率最大。为结合CuO和Bi2O3的优点，制备了二元金属氧化物（CBO，质量比3:1），结果表明CBO可以显著改善硼的点火和燃烧性能，尤其是B/CBO/AP与含有其他添加剂的所有燃料相比，燃烧速率最高。研究发现，多组分金属氧化物添加剂比单一添加剂更能协同提升硼粉的反应特性。这些发现有助于富硼燃料的开发及其在推进剂中的应用。
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原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.dt.2024.03.005
主要结论
本研究的目的是探索优良的纳米金属氧化物添加剂，以改善硼粉的点火和燃烧性能。用成本低且效率高的球磨法制备了含90wt%硼和10wt%添加剂的富硼燃料。通过TG、T-jump及激光诱导燃烧实验，结合SEM、高速摄影、红外温度测量和光谱分析，全面研究了7种金属氧化物作为添加剂的特性及效果。TG和T-jump实验表明，Bi2O3是改善硼热氧化和点火性能的最有效材料，B/Bi2O3的点火温度甚至低于硼氧化物的熔点，这可能得益于Bi2O3中的丰富氧空位以及与碱性Bi2O3反应可去除酸性氧化硼层。点火图像和SEM显示，高加热速率有利于MICs-富硼燃料在单颗粒燃烧状态下的快速反应。将具有良好氧化和点火性能的燃料（B/Bi2O3、B/MoO3和B/CuO）与氧化剂AP混合进行进一步的激光诱导燃烧实验，结果表明B/CuO/AP的燃烧性能最佳，火焰面积最大，BO2特征光谱强度最高，粉末线燃烧速率最大。为找到一种能够结合CuO和Bi2O3优点且成本低易制备的添加剂，我们用球磨法制备了二元金属氧化物（CBO，质量比3:1）。实验结果显示，CBO可以显著改善硼的点火和燃烧性能，是所有添加剂中燃烧速率最高的。综上所述，通过引入少量纳米金属氧化物添加剂，可以改善硼的点火和燃烧性能。不同的金属氧化物具有不同的影响和改善机制，结合两种或多种金属氧化物组合的多组分混合物可以协同提升硼粉的反应特性，并有望比单一添加剂取得更大的突破。我们的研究结果可为富硼燃料的制备、开发及实际应用提供有意义的参考。
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编辑：陈微，曹文丽
审核：田丽
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简介
《Defence Technology》是由中国兵工学会主办的科技类综合性学术期刊，目前已被SCI、EI、Scopus、中国科技核心期刊数据库、中国引文数据库核心版和瑞典开放获取指南等多家数据库收录，期刊主要发表基础理论、应用科学和工程技术领域高水平原创性学术论文，包括理论研究、数值模拟和实验研究类文章。
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