现代设施农业新能源高温固体氧化物燃料电池发展展望

高温固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cells,SOFC)是前沿的清洁能源转换技术之一,也是可为设施农业能源同时提供所需的热、电和二氧化碳气肥理想的能源装置。从现代设施农业能耗和SOFC热电联供特征方面,系统阐明了SOFC能源系统和设施农业耦合的可行性及广泛的应用前景。性能稳定、低成本的SOFC系统可以从根本上解决我国农业大棚的能耗高、热效率低、环境污染等严重问题,同时为SOFC产业提供巨大的市场。

国外固体推进剂研究与开发的趋势

从 4个主要发展方向分别评述了 2 0 10年前固体推进剂研究开发的趋势 ,认为中近期较现实的高能推进剂组合可能是叠氮粘合剂 /ADN/Al或AlH3 ;战术导弹实现低特征信号主要是以损失固体推进剂部分能量为代价 ,而低特征信号推进剂添加CL 2 0和ADN是提高其能量的首选途径 ,高氮化合物、氧化呋咱化合物等也有良好的应用前景 ;采用钝感的粘合剂 (如HTPE)、钝感的硝酸酯和合理调控固体添加剂的化学结构及物理性能是实现固体推进剂钝感的有效途径 ;介绍了用可水解粘合剂 (PEGA)或热塑性弹性体 (TPE)粘合剂制成的新型固体推进剂具有令人瞩目的少污染和可再生使用性能的实例。

3,3′-二硝基-4,4′-氧化偶氮呋咱(DNOAF)的热分解特性

采用热重实验(TG)、差示扫描量热实验(DSC)和气体(固体)原位反应池/快速扫描傅里叶变换红外光谱(RSFTIR)联用技术,研究了3,3′-二硝基-4,4′-氧化偶氮呋咱(DNOAF)的热分解特性。结果表明:DNOAF的热分解特性对压强敏感,随着压强的升高,DNOAF的热分解放热峰温呈降低趋势。其热分解气体中具有红外活性的有CO2,N2O,NO,NO2,CO和DNOAF蒸汽;凝聚相热分解产物主要为碳,其中还含有少量的氰酸酯基-O-C≡N。在实验基础上提出了DNOAF的热分解历程,DNOAF的热分解首先发生在呋咱环间的C-N键,然后是呋咱环的开环分解。

高能固体推进剂研究进展

综述了高能固体推进剂的研究进展,提出了新型含能粘合剂、高能量密度材料、含能增塑剂以及新型燃料添加剂的研究应用是提高固体推进剂能量水平的最重要的技术途径。

镁/铝合金水反应金属燃料推进剂的燃烧性能

通过高能球磨工艺制备了高活性球磨镁/铝合金粉,并制备了两组镁/铝基水反应金属燃料推进剂,用固体推进剂燃速测试系统测定了其燃速。采用氧弹量热仪测定了推进剂的爆热值,并收集推进剂的一次燃烧固相产物,将其放置于水蒸汽高温管式炉中模拟二次燃烧。采用SEM、XRD及化学分析方法表征了水反应金属燃料的一、二次燃烧固相产物。结果表明,高活性球磨镁/铝合金水反应金属燃料推进剂具有更高的燃速和爆热值;二次燃烧产物剩余铝含量更低,二次燃烧产物反应更彻底;高活性球磨镁/铝合金能够改善其水反应金属燃料推进剂的一次燃烧效果,可提高其在二次燃烧中铝的燃烧效率。

硼笼化合物对含铝液固高能燃料点火及燃烧性能的影响

为了探究硼笼化合物对液固凝胶型高能燃料的点火及燃烧性能的影响,采用高密度碳氢燃料MCRI-1、辅助分散剂胶凝剂和纳米铝粉为原料,制备了系列含铝液固凝胶型高能燃料(简称含铝高能燃料),并考察了含铝高能燃料的组成对其分散稳定性(即凝胶成型效果)的影响。在此基础上,考察了三种硼笼化合物对含铝高能燃料的密度、热值、点火及燃烧性能的影响。结果表明,提高胶凝剂含量或固液质量比(Al/MCRI-1)均可提高含铝高能燃料的分散稳定性。含铝高能燃料的密度和体积热值随着硼笼化合物的添加略有降低,但其质量热值在添加硼笼T和硼笼A后分别增加了11.6%和12.4%。硼笼化合物可将含铝高能燃料的燃温峰值提高21.1%~52.9%,点火延迟缩短44.5%~65.2%。硼笼化合物明显改善了含铝高能燃料的点火及燃烧性能。整体上,硼笼A添加效果最佳,且热解及燃烧可产生较多的气体,一定程度上增强了含铝高能燃料的膨胀做工能力。

三氢化铝合成及应用评价技术进展

三氢化铝(AlH_3)含氢量高、燃烧产物分子量小、热分解温度相对较高,部分取代铝粉可显著提高固体推进剂能量水平,是一种理想的高能燃料。然而,AlH_3产品的品质直接关系到固体推进剂的性能、合成方法的选择和优化关系产品批量提供能力,AlH_3易分解,从而影响推进剂的老化与储存,AlH_3与固体推进剂其它组分的相容性也会对配方的安全性有所影响,以上问题都是AlH_3工程应用于固体推进剂急待解决的关键技术。本文对国内外AlH_3合成制备、热分解及稳定性、推进剂中的应用评价等方面的研究进展进行了总结,并对未来重点研究方向给出了展望。相关研究表明,以乙醚法合成作为主要制备途径可解决工程化放大的安全和质量控制问题,采用AlH_3的表面处理或包覆等技术途径,能大幅提高AlH_3在高能固体推进剂的实用化水平。

氢化镁对金属混合物最小点火能的影响

为了研究氢化镁(MgH_2)含量对铝(Al)/硼(B)混合体系点火性能的影响,以Al粉为基质,B粉为高能金属添加剂与金属氢化物MgH_2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 L Hartmann管装置对Al、B、氢化镁(MgH_2)的最小点火能(MIE)进行了测试,并对不同MgH_2含量下的二元金属混合物(Al-MgH_2、B-MgH_2)以及对不同B和MgH_2含量下的三元金属混合物Al-B-MgH_2的MIE进行了对比研究。结果表明,Al、MgH_2的MIE较低,分别为80～100 mJ、5～10 mJ,B的MIE较高,大于1000 mJ;随着混合物中MgH_2含量由10%增加到30%,Al-MgH_2、B-MgH_2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Al-B-MgH_2中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,MgH_2含量的增加,能明显地降低Al-B-MgH_2的MIE;B粉含量降低到10%时,Al-B-MgH_2混合金属粉的MIE保持在20～40 mJ范围内。

Al-FeF3复合燃料的制备及应用性能

针对固体推进剂在改进铝粉燃烧性能方面的迫切需要,以铝粉为基材,FeF3作为添加剂,采用高能球磨法制备Al-FeF3复合燃料。通过研究粉末配比、球磨参数等对铝基复合燃料组织、结构以及热性能等的影响,优化制备工艺,获得平均粒径为微米级的铝基复合燃料。热重-差示扫描量热联用技术(TG-DSC)表明,Al-FeF3复合燃料在氧化过程中,可以实现较低温度下(600~1400℃)的快速氧化。端燃75发动机试车表明,使用Al-FeF3复合燃料全部取代普通球形铝粉后发动机壳体内部无较大铝粉熔融残渣,残渣率从6.151%下降到4.215%。结果表明,Al-FeF3复合燃料有助于解决Al粉在推进剂中不完全燃烧的问题,在降低燃烧残渣率,减少发动机两相流损失方面有着潜在应用价值。

高速冲压推进动能弹自点火工作过程数值模拟研究

为了研究高速冲压推进动能弹在自点火过程中的工作特性,数值模拟了基于聚乙烯为固体燃料的高速冲压推进动能弹自点火过程,分析了自点火过程中的点火延迟时间,喷管出口堵盖打开前燃烧室的流场变化规律,以及堵盖打开火焰稳定后燃烧室流场变化规律和全弹性能。结果表明:高速冲压推进动能弹由于其初始的独特结构(喷管出口堵塞),点火延迟时间短,自点火能够成功进行;堵盖打开前,燃烧室压力发生了剧烈的振荡,并且燃烧室内化学反应增强了振荡效应;堵盖打开并且燃烧室火焰稳定后,高速冲压推进动能弹的额定推力为283 N,净推力为83 N,基于聚乙烯燃料的比冲为9129 m·s-1。