氢化镁对金属混合物最小点火能的影响

文章编号：1006-9941 (2018)05-0422-04

赵金钢，李玉艳，刘大斌，徐森，潘峰

氢化镁对金属混合物最小点火能的影响

赵金钢

1

李玉艳

1

刘大斌

1

徐森

12

,

潘峰

1

,

(1.南京理工大学化工学院，江苏南京210094; 2.国家民用爆破器材质量监督检验中心，江苏南京210094)

：为了研究氢化镁（MgH2)含量对铝（AI)/硼（B)混合体系点火性能的影响，以AI粉为基质，B粉为高能金属添加剂与金属 氢化物MgH2为活性金属添加剂，采用机械混合方式，制备了一种新型三元高能含氢金属燃料。采用1.2 LHartmann管装置对 AI、B、氢化镁（MgH2)的最小点火能（MIE)进行了测试，并对不同MgH2含量下的二元金属混合物（AI-MgH2、B-MgH2)以及对不同 B和MgH2含量下的三元金属混合物AI-B-MgH2的MIE进行了对比研究。结果表明，AI、MgH2的MIE较低，分别为80~100 mj、 5~1 mj，B的MIE较高，大于100 mj;随着混合物中MgH2含量由1%增加到30%，AI-MgH2、B-MgH2的MIE分别由50~70 mj、 大于1000 mj，降低到10~20 mj、480 ~ 500 mj。随着三元混合物AI-B-MgH2 } B含量由25%减少到10%，其MIE也由 700~800 mj降到20~30 mj，并且B含量一定时，MgH2含量的增加，能明显地降低AI-B-MgH2的MIE; B粉含量降低到10%。时， AI-B-MgH2混合金属粉的MIE保持在20~40mj范围内。关键词：高能含氢固体燃料；金属混合物；1. L Hartmann管装置；最小点火能（MIE)中图分类号：Tj55; TQ56 文献标志码：A DOI： 10. 11943/j. issn. 1006-9941.2018.05.008

摘要

火能，进而提高固体推进剂的燃烧效率、增加其比冲，

1引言

金属粉具有较高的燃

， 高、燃 学者对A

为高能固

高、成以

i

B粉中添加一定量的、高活性的助燃剂[5]。

[16]. B粉中添加镁粉 高B的燃烧和金属燃

，提高

体推进剂和各种含能金属添加剂[1_5]。AI粉作为常见 的含能金属粉之一，具有燃 低 及火

点， 剂之中。

国

用于烟火、固体推进剂、火

I

，但效果有限。在一些火 料中添加MgH2可以

高

、乳化

的

混合物的燃烧效率，降低其点火能量[7]。KhaliI YF[18] 对一些金属氢化物NaAlH4、AlH3、LiBH4、MgH2的最 小点火能进行了测试。Chen 丫等[19]对新型含氢合金 的粉 能_ 物组分的

性进行了研究，结果表明MgH2的添加低合金的最小点火能。

金属混合对不同组

分析MgH2含量对金属混合物的最小点

粉的燃

性进行了 是

B

研究[6_1°]。的1.9倍，

以点燃的特性却影响了

curngG

与AI粉相比，粉贿更高的质量雖(58810 j • )，

AI

粉

粉 进剂中的应用[1]。Y等[12]认为

B

B

颗

/

粒表面的氧化层影响了 B粉颗粒的燃烧，并对

进行了研究分析。Ulas A等[13]

CH4

粉燃

F3

火能的影响的研究 ，

/N

金属混合物的最小点火能进行测试，分析不同

MgH2含量对金属混合物的最小点火能的影响。

〇2/乂等气体的存在下对

究。F

oelshe

B

粉的燃烧机理进行了研

B

R

O

等[14]分析了不同压力下

。

高

粉的点

本研究利用1 2 LHartmann管系统测试了 AI 粉、B粉、MgH2及其混合物的最小点火能，分析了

MgH2 含量对 AI-MgH2、B-MgH2 及 AI-B-MgH2 金属

火温度、点火延时和燃

，

B

粉的燃烧效率，降低其最小点

混合物的最小点火能的影响 合燃料的配方研究提供参考。

，为高能含氢金属混

收稿日期：2017-06-19;修回日期：2017-08-11

基金项目：国家自然科学基金项目（ 1 1572329)，国家自然科学基金青 年项目（1 1602238,1 1702265)

作者简介：赵金钢（1992-)，男，硕士研究生，主要从事粉尘爆炸方面的 研究。e-maiI: 1 354510295@qq.com

通信联系人：潘峰（1971-)，男，副教授，博士，主要从事含能材料和应 用化学的研究。e-mail: 863153828@qq.com

2实验部分

2.1 试验样品

AI粉、B粉、MgH2粉均购于天元化工，含水量均

Chinese Journal of Energetic Materials，Vol. 26， No. 5，2018 (422-425)

含能材料

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氢化镁对金属混合物最小点火能的影响

423

称取一定量的样品放在Hartmann管底部的喷嘴 周围，然后 高 流将样品吹起，形成均匀的粉尘云，最后通过Hartmann管中下部的电极释放出电火 花将粉尘云点燃。粉尘云的最小点火能fmin位于连 续10次试验均未点燃的最大能量值^和连续10次 试验中至少有一次点燃的最小能量值f2之间，即：

厂1 <^min〈石2

低于1%。用Malvern Mastersizer 2000激光粒度分 仪对AI粉、B粉、Mgh进行了粒度分析，结果如图

1所示。根据

分析结果可知，AI、B、MgH2三种金直径均在0~10 pm，中位径分别为

属粉的大部分

5. 762，1.670,3. 250 ^m。

本试验在在环境温度为（23±1) °C，湿度为30%〇、 点火延时为60 ms、喷粉压力为0. 7 MPa，电极两端充 电电压为8 kV，电极间隙为6 mm的条件下，对AI粉、

B粉、氢化镁及三者不同比例的金属混合物进行最小

点火能的测试。

3

图1

Fig. 1

AI、B、MgH2粉尘的粒径分布图

Particle size distribution of dusts particles of AI, B,

结果与讨论

3.1 Al、B、MgH2的最小点火能

MgH2 powders

对Al、B、MgH2的最小点火能进行试验，其结果 见表1。由表1可以看出，MgH2的最小点火能最小，

B粉的最小点火能最大，AI粉的最小点火能介于二者

对AI、B、MgH2三种金属粉采用机械混合的方式进 行处理，按照不同的组分比例将三种金属粉进行混合形 成AI-MgH2、B-MgH2二元金属混合物以及B-AI-Mgh三元金属混合物，对其进行最小点火能的测试。

2.2 Hartmann管最小点火能测试装置

之间。

表1

Al、B、MgH2金属粉的最小点火能

The MIE of AI, B and MgH2 powders

^m,n/m)80—00

>1000

Table 1 sampleAIBMgH2

利用MIKE 3型Hartmann管最小点火能测试装 置，根据ASTM:E2019标准对AI粉、B粉、MgH2及其 混合物进行最小点火能的测试[20]。实验装置如图2 所示，由一个体积为1.2 L的竖直燃烧管、高压分散系 统、点火系统、控制系统组成。

5—0

金属粉的最小点火能量与其燃烧机理息息相关， 反应活性越高，越易于点燃，其最小点火能也越低[21]。

MgH2在燃 中，释放出的叱与 发生反应，而气体反应的速度、温度均要高于固体粉

，进

一步加快了整体的反应速度，最终形成火焰，并传播下 去。MgH的燃烧效率最高，因此其最小点火能最小。

AI粉

表面有一层Al〇3的薄膜覆盖，电极两

将AI2〇3

化，与 的

化，氧气

反应

化膜与AI粉

进行反应；随着

，加速了粉尘

端产生的电火花释放热量

以

图2

Hartmann管最小点火能测试装置

的升高，Al〇3薄膜、AI I 火焰，进一步提高了反 的分解，促进了火焰的传播,相对较低。

1 一燃烧管，2—点火电极，3—喷嘴，4一粉尘喷射阀，5—储气罐，Fig. 2

6

—进气阀

AI粉的最小点火能

Hartmann tube apparatus for measuring the minimum

ignition energy(MIE)

1

B粉燃烧的过程可以分为两个阶段[22]:第一个

2

一combustion tube, 一ignition electrodes, 3一nozzle,

6

阶段B粉 依靠热对流与热辐射进行加热，直至氧

4一powder injection valve, 5—gas tank, 一air inlet valve

化层由固态转化为液态并蒸发为气体；第二个阶段则

含能材料

2018年第26卷第5期 （422-425)

CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS

424

是裸露的B粒子直接与氧化物进行反应。但B粉因 表面的B2〇3氧化薄膜和B粉

较高的气化

温度，分别为2043 °C和3658 °C;同时HB〇2的生 成，降低了燃烧过程所释放的能量[23]，因此B粉无法 点燃，故其最小点火能最大。

AI

赵金钢，李玉艳，刘大斌，徐森，潘峰

粉颗粒燃烧所形成的热点之中，氢气发生爆炸并产

以及释放 的热量，

B ，极大 进了 B粉

低。

辐射和热

的燃烧，

高的

对流传

点火能量也随

表3

3. 2 Al-MgH2与B-MgH2二元混合金属粉的最小点火能

Al-Mgh

Al-B-Mgh三元混合金属粉的最小点火能

与B-Mgh二元混合金属粉的最小点

Table 3

B /%The MIE of ternary metaI powder mixture AI-B-MgH:

AI /%70

MgH2/°%5

火能测试结果见表2。

表

AI-MgH2与B-MgH2二元混合金属粉的最小点火能

Emin/mj

>1000>1000

700-80090-10060-7050-6050-6040-5030-4020-30

25

2

655575

1020

5

Table 2 The MIE of binary metal

Emm/mjAl-MgH250-7020-30

powder mixtures AI-MgH。

20

and

B-MgH27060

102010

15

mAI(mB) ,mMgH290： 1080 ： 2070: 30

B-MgH2

15

75708075

>1000>1000

480-500

10

10

15

10-20

由表2可知，随着MgH2含量的增加，两种混合金 属粉的最小点火能均有不同 属混合物点火能的影响机

AI、B 发生燃烧反应的 过程中释放的氢气进 ，产生的高 放出 量。

的降低。MgH2对金能为：在点火

随时间

中，高，

4结论(1) AI粉和M

gH2

的燃烧效率要远高于B粉，最以点燃，其最小点火能大于

gH2

小点火能较低，分别为80~100mj、10~20 mj;而硼 粉

表面的氧化

1000 mj。-M

gH2

进而形成一个高温区域，即为热点[24]。MgH2在反应

点之后，

极限即发

高了粉 的反应速率，释

MgH2与AI、B之间的 用

与B-Mgh

混合金属

(2) 随着金属混合物中M

AI

含量的增加，

、B-M

gH2

二元混合金属粉的最小点火能均

gH

在不同程度上降低了 Al-Mgh

有不同 的降低，分别由M含量为10%时的50

粉的最小点火能。

由此可见，MgH2作为金属添加剂对AI粉、B粉 的点燃均有促进作用，能降低其点火能量，但MgH2含 量对B粉最小点火能量的影响要大于AI粉。

~70mj、大于 1000 mj，降低到 30%时的 10~20mj、 480-500 mj。

(3)

AI

-B-M

gH

2三元混合金属粉的最低点火能随

着金属混合物中硼含量的降低而降低，由硼含量为25%。 时的700~800 mj减少到10°%时的20-30 mj;并且硼 含量一定时，M

gH2

3. 3 Al-B-Mg^三元混合金属粉的最小点火能

AI-B-MgH2三元混合金属粉的最小点火能测试

含量越高，最小点火能量越低。

结果见表3。由表3可知，三种金属的比例不同，相对 的最小点火能量

^大。三元混合金属粉中B

参考文献：

[

含量较高时，其最小点火能较大。 为金属粉颗

与 反应释放出的热量被周围的B粉 ，最终 混合金属粉的最小点火能量较高，甚至于无法点燃。而随着混合物中B粉含量的降低，电极放电 时所释放的能量能

AI粉

MgH2所吸

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，因此三元混合金属粉的点火能量也随 低。

在相同的B含量下，随着AI含量的 以及

MgH2含量的增加，三元混合金属粉的最小点火能也

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, PAN Feng12

(1. School of Chemical Engineering Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 2A 0094，Chinax

2 1 0094， ChinajignaN)

; 2. National Supervision and Inspection Center for

Abstract： To study the effect of magnesium hydride (MgH2) on the ignition performance of Al and B mixed system, a new high energy hydrogen-containing ternary metal fuel was prepared by mechanical mixing method using aluminum powder as matrix, boron powder as high energy metal additive，and magnesium hydride (MgH2) as active metal additive The minimum ignition en­ergy (MIE) of Al， B and MgH2 was determined by a1. 2 L Hartmann tube apparatus and the MIE of binary metal mixtures (AMgH2，B-MgH2) under the conditions of different MgH2 contents and ternary metal mixture A

I-

IIMgH content in the mixture from 10% to 30%，the MIE of AI-M4gH and B-MgH reduces from 50-70 mJ and more than 1000 mJto 10-20 mJ and 480-500 mJ，respectively. With decreasing the boron content in the ternary mixture AI-B-MgH from 25% to 1 0%，whose MIE also reduces from 700-800 mJ to 20-30 mJ and when the boron content is certain value，the increase of MgHcontent can significantly decrease the MIE of AI-B-MgH metal mixture. When the content of boron powMIE of AI-B-MgH metal mixture powder can be maintained in the range of 20-40 mJ.

of ME are 80-1 00 mJ，5-10 mJ，respectively，the ME of B is higher，whose ME is more than 1 000 mJ. With the increase of

2

2

2

2

2

2

2

of different boron and MgH2 contents was compared and studied. Results show that the ME of Al and MgH2 is lower, their values

I

I

I-B-MgH under the conditions

2

Key words： high energy hydrogen-containing solid fuel； metal mixture； 1.2L Hartmann tube apparatus； the minimum ignition energy CLC number： TJ55； TQ56

Document code： A

DOI： 10. 11943/j. issn. 1006-9941.2018.05.008

CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS

含能材料

201 8 年第 26 卷第 5 期（422-425)