摘要
水反应金属燃料是水冲压发动机的高能推进剂，推进剂以镁金属粉末为主，能与水反应放出大量氢气和热量，镁金属燃料含量越高，水冲压发动机在能量和速度的优势越显著。由于镁金属药柱中镁金属的化学性质活泼，在运输和存贮过程中极易与空气中氧气和水蒸气发生反应，导致其综合性能降低。因此，研究其在不同的温度和湿度环境下的释氢性能对于药柱的运输和存贮具有重要的指导意义。 本论文建立了湿空气环境下镁金属药柱和水蒸气反应的缩芯物理模型，湿气体中水蒸气首先与药柱表面的镁金属进行反应，生成的产物构成产物层，然后逐步向内进行扩散反应，固体中未反应的区域逐渐缩小，直到反应停止。通过缩芯模型进行假设，分别以气膜扩散控制、产物层扩散控制和表面化学反应控制为控制步骤进行简化处理，确定模型参数并求解，模拟获得不同温度和湿度下的释氢量。模拟结果表明：在气膜扩散控制和表面化学反应控制过程中，当温度越高，湿度越大时，镁金属药柱的释氢量在极短的时间内不断变大；在产物层扩散控制过程中，当湿度越大，温度越高时，镁金属药柱的释氢量随着时间的增加，初始阶段不断增大，之后逐渐趋于稳定，而镁金属药柱的最终释氢量随着温度的升高不断增大，反应程度也越来越大。在不同湿度下，镁金属药柱的释氢量相差不大。升高温度比增加湿度对镁金属药柱释氢量的影响更为明显。 为了验证缩芯物理模型，搭建了药柱热氧化性能分析装置，考察了镁金属药柱在不同温度和湿度条件下的释氢规律，实验结果表明：湿度越大，燃料药柱释放氢气的速度越快；温度越高，燃料药柱释放氢气的浓度越大。当温度为20 ℃，相对湿度为60%时，药柱反应达到平衡的时间约为5500 min，稳定态时氢气的浓度为1.5 mg·m-3；当温度为50 ℃，相对湿度为60%时，药柱反应达到平衡的时间为4500 min，稳定态时氢气的浓度约为2.0 mg·m-3。达到稳定态后，继续将温度从50 ℃调高至70 ℃，药柱继续释放氢气，7000 min时达到平衡，氢气浓度约为2.45 mg·m-3。试验前后镁金属药柱的热导率均良好，XRD衍射峰与氢氧化镁标准衍射峰吻合，热重曲线变化结果符合实验规律，证明镁金属与空气中的水蒸气发生反应生成了氢氧化镁。 模拟与实验的对比表明，缩芯模型中的产物层扩散控制为控制步骤进行简化处理更符合实验结果，反应温度比气体湿度更显著影响镁金属药柱释氢量，反应温度越高，药柱水反应释放氢气的速率越快，氢气浓度趋于稳定所需时间越短，在相同湿度下随着温度的不断升高反应达平衡的释氢量相差较大。相对湿度越高，镁金属药柱水反应释放氢气的速率越快，达到平衡所需的时间也越短，在相同温度下随着湿度的增大反应达平衡的释氢量相差不大。
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