摘要
铝（Al）和硼（B）粉由于其能量密度高常被用作固体推进剂的添加剂。然而，在实际应用中，其燃烧性能受到自身特性的限制，如Al粉表面高熔点的致密氧化层阻碍了颗粒内部活性铝的氧化反应，而且在燃烧过程中熔融Al颗粒之间相互粘结并聚集成大尺寸团聚物，降低了其燃烧效率。B的熔点（2076℃）和沸点（3927℃）很高，加之其表面氧化层的存在，使其难于被点燃和燃烧。此外，B颗粒表面氧化层的主要物质是B2O3，其沸点高（1857℃），熔点低（450℃），燃烧过程中很容易液化从而减缓内部B与氧化剂的进一步反应，使其燃烧效率很低。为了解决上述问题，本论文首先采用聚丙烯酰胺（PAM）作为改性材料，通过溶剂—非溶剂法将其分别包覆于Al和B颗粒表面，在大气环境中使用CO2激光点火平台和其他多种实验手段，分别探究了Al@PAM和B@PAM复合物的点火、燃烧和团聚特性。其次，以固定组分的Al粉和B粉为基础，使用不同质量百分比的PAM改性Al颗粒再与B粉混合，从而得到Al@PAM-B,并对其点火燃烧性能进行了研究。在此基础上，针对B粉燃烧过程中的团聚问题，本文还采用ReaxFF分子动力学对无定形纳米硼粒子在不同温度下的团聚机制进行了探究。 本文获得的主要研究成果如下: （1）在加热过程中，PAM与Al之间存在反应，既抑制了Al在点火前期的氧化，也改变了PAM热分解行为。PAM@μAl样品的燃烧过程可以分为爆炸燃烧、过渡燃烧和稳定燃烧三个阶段。随着PAM质量百分比的增加，其燃烧更剧烈，尤其PAM-7@μAl样品。PAM@μAl样品中单颗粒Al在燃烧过程中表现出液态Al2O3的喷出、氧化帽的形成以及运动团聚体的爆炸行为。随着PAM含量增大，在燃面处颗粒的燃烧过程中，团聚体对周围样品的卷吸效果增强，Al颗粒更容易被加热熔融并溢出，团聚体表面氧化层覆盖率降低。PAM改变了Al的燃烧机理，增强了Al颗粒在燃烧过程中的氧化反应，尤其PAM-7@μAl样品点火延迟最短、AlO光谱强度最大和全波段光谱曲线最强。PAM与Al颗粒间的界面反应有效抑制了Al颗粒燃烧过程中的团聚。 （2）B颗粒改变了PAM的热分解行为。随着PAM质量百分比增加，PAM@μB样品初始燃烧温度降低，而且PAM可以促进B颗粒的热释放，其燃烧过程可分为前期火焰迅速生长的爆燃阶段和后期稳定燃烧阶段。燃烧过程中，B粒子气态燃烧产生绿色火焰。PAM与B颗粒或B氧化中间产物的燃烧反应则产生黄色火焰。由于B与PAM之间物理和化学作用，高含量PAM提高了火焰传播速度。PAM浓度不同，对燃烧强度影响不同，其燃烧强度PAM-20@μB＞PAM-10@μB＞PAM-30@μB＞μB。PAM的加入抑制了PAM@μB样品燃烧过程中BO2的产生，提高了B颗粒的燃烧效率，且随着其质量百分比的增大，B颗粒的氧化程度提高。 (3)质量比为1∶1的Al掺杂B样品燃烧性能最佳。PAM@Al/B样品的燃烧过程分为爆炸燃烧和稳定燃烧两个阶段。随着样品中PAM质量百分比的增大，爆炸燃烧阶段样品燃面处喷射的颗粒增多，绿色火焰更加明显。PAM虽然不影响Al/B复合材料的点燃，但可以增强Al和B颗粒氧化性能，尤其PAM-11@Al/B样品，其AlO和BO2光谱强度最大，全波段光谱曲线最强。在含和不含PAM的Al/B样品凝相燃烧产物中均检测到了未反应的B、Al及其最终氧化物B2O3和Al2O3,还检测到了Al2.667O4和Al4B2O9这两种物质。随着PAM质量百分比的增大，Al和B的氧化反应更加剧烈。 (4)高温条件下B粒子表面B、O原子之间的电荷转移更加剧烈，氧化反应增强。在低加热速率下，B纳米粒子间距随着温度的升高而逐渐增大。同时粒子表面生成的氧化层会抑制燃烧阶段粒子间团聚体的生长。而在较高的加热速率下，B粒子团聚现象更加严重，粒子变形幅度更大。B粒子的氧化过程只发生在表面，O原子不会向B粒子的内部区域扩散。温度变化不会影响纳米B团簇燃烧过程中的势垒和能量释放速率。团簇燃烧过程的最终能量释放量则随着体系燃烧温度的提高而增大。高燃烧温度使体系中原子的运动更加混乱和频繁，O更容易与B接触从而发生氧化反应，B粒子燃烧过程中的氧化速率更高，氧化反应更加剧烈。温度越高的体系中B粒子熔化和团聚的程度更高。
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