固体推进剂中铝纳米颗粒的提升效果

在许多研究中已经证明，在固体推进剂中加入铝纳米颗粒，与具有微米尺寸颗粒的同推进剂配方相比，可显著提高推进剂的燃烧速率。Ivanov和Tepper［TEP 96］报道了在推进剂配方中加入铝纳米颗粒，混合物燃烧速率可以提高5～10倍。Chiaverini等［CHI 97b］表明掺杂有20%的铝纳米颗粒的端羟基聚丁二烯（HTPB）基固体推进剂的燃烧速率增加了70%。Armstrong等［ARM 03a］证实，当常规铝粉被纳米铝粉替代时，高氯酸铵（AP）基推进剂燃烧速率增加。当铝颗粒尺寸从10μm降低到100 nm时，燃烧速率从1 mm／s增加到100 mm／s以上。相关研究者在高压密闭容器中对含有15%的常规微米级铝或纳米级铝的固体推进剂在常压和高压条件下进行了比较燃烧。这种趋势已被几种类型推进剂（HTPB／AP，聚叠氮缩水甘油醚（GAP）／AP和GAP／硝酸铵（AN））和不同研究团队证实［SIM 99，PIV 04，MEN 98a］。Mench等［MEN 98a］研究了用铝纳米粉末替换部分铝（50%）的效果，观察到燃烧速率增加了2倍，实现了接近1.8 cm／s的燃速。他们表示铝纳米颗粒是提升固体推进剂和燃料燃烧速率的有效技术手段。

图2.1给出了Armstrong等提出的在垂线所示的压力范围内燃烧速率与铝颗粒直径关系的函数。

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图2.1　在不同压力下燃烧速率与颗粒直径的函数［ARM 03a］（版权2003，美国化学学会）

虽然纳米颗粒的加入可以显著提高燃烧速率和燃烧效率，但是它们的高比表面积仍然会导致一些其他问题，特别是在工艺处理过程中。例如，只含纳米颗粒的推进剂相对于微米和纳米颗粒混合推进剂，燃烧不稳定，这是因为在制造过程中纳米颗粒分布不均匀，引起局部区域浓度较高，所得推进剂也会更脆，导致敏感性增加，容易发生裂纹。为了使这些有害影响最小化，正在研发内含氧化剂和燃料的微米颗粒，包括对颗粒表面的改性，例如钝化表层以避免意外点火，减少因长期储存而发生的老化和避免表面污染。