硼粉的硝铵包覆与性能研究(4)
硼虽然是非金属元素，但在燃料领域研究中习惯把它归入金属燃料一类。硼分为无定型态与结晶态两种：无定形态硼为棕黄色粉末，化学性质活泼；结晶态为灰色有光泽晶体，性质较为稳定。结晶态硼的莫氏硬度高达9.3，难以制成较细的颗粒[10]。
虽然硼在理论上具有相当突出的能量特性，但在实际应用中，仍然还存在一系列的使用问题，如点火性能较差、燃烧效率不高、制药工艺复杂困难等。导致硼粉的燃烧效率不高的主要原因，在于硼粉粒子表面因燃烧而生成的的氧化膜阻碍了其进一步燃烧。
以目前的技术而言，改善硼粉燃烧性能的途径主要有以下几种方法：硼粒子表面包覆；在推进剂中添加低燃点的金属(Mg、Al、Zr等)或硼与金属合金；预先将超细硼粉加人有机高分子材料中进行造粒，再按常规进行制药；改进发动机的结构等等。
据相关研究资料表明[11][12]，对硼粒子表面进行高能量化合物的包覆是能够有效改善硼粉燃烧性能的主要方法之一。因此本项目将针对在硼粉表面包覆HMX、RDX以及CL-20的方式对硼粉的燃烧性能进行改善与研究。
1.4 硼粉的燃烧机理
含硼燃料蕴藏有很高的能量。相较于比现在广泛使用的碳氢燃料，含硼燃料是一种潜在的高能贫氧推进剂。而含硼贫氧推进剂的主要应用问题，在于硼粉难以进行点火、燃烧。原因在于硼粉本身的点燃温度很高(一般认为约1950K)，硼粉在燃烧的过程中会被产生的硼氧化物(B2O3)所包裹，而B2O3具有很强的粘性，会附着在其的表面使得硼粉的点火、燃烧难以继续进行。
硼粒子燃烧分为两个阶段。首先，当硼粒子的温度达到1800~2000K时，开始发光，稍后会变暗；当周围环境温度达到足够高的温度时，硼粒子将再次燃烧，发出明亮的羽状火焰[13]。此阶段主要是硼粒子的表面氧化过程，氧化硼薄膜层逐渐增厚，B2O3的熔点低(460℃)，但沸点很高(1860℃)[14]，这导致液态B2O3很难挥发，紧密地附着在硼粒子表面，对氧气的渗透扩散形成了很大阻力。然而当环境温度继续升高时，将导致表层的液态氧化物B2O3(l)的粘度下降，开始加速挥发，氧气的扩散阻力下降，发生第二阶段的完全羽状燃烧。
对硼粒子的表面进行包覆，可有效地降低硼的燃点。为表征包覆的实际效果，将会对硼粉的一系列理化性质进行对比分析。
1.5 包覆剂理化性质简介
本项目所采用的包覆剂为以下三种：RDX、HMX、以及CL-20。
黑索金(RDX)与奥克托今(HMX)，二者互为同系物，是硝胺类炸药的主要代表。它们有正生成焓、能量高的优点，可以让在燃烧时所产生的大量低分子量气体使推进剂的比冲以及发射药的能量得到显著的提高。而且含有很高能量的同时，化学性质也较为稳定，热安定性良好。这些优势，可以让RDX与HMX能够几乎完美地替代AP(高氯酸铵)，成为固体贫氧推进剂中较为实用的一类氧化剂。
而CL-20，吹冰硝基吹冰氮杂异伍兹烷，其性能要优于当今所使用的威力最强的炸药，奥克托今[15]。由钽板加速实验以及圆筒实验所测得的能量数据来看，HNIW的能量输出可以超过HMX的14%[16]。因此，自从A.T.Nielsen于1987年合成HNIW以来，它便成为了在此方向以及相近学科的研究热点。
1.5.1 RDX
黑索金，另一种译名为海扫更，是英文Hexogeon的音译，缩写为RDX。化学名称为环三亚甲基三硝胺，是一种广泛应用于化学、军用领域的高能炸药。
黑索金又被称为旋风炸药，化学式为(CH2NNO2)3，常温下的性状为无色晶体，密度为1.816g/cm3。最初黑索金被计划用于医药领域，然而后来因威力巨大，而被发展到用作炸药用途（RDX含能比硝化甘油高，大约是TNT的158%）。爆速在密度为1.7g/cm3时可达到8350m/s，而且起爆简易便捷，是综合性极佳的炸药。此外，还可以用作毒鼠药。1899年德国在发表的专利中首次提及制造黑索金的流程。然而当时并没有提出作为炸药，而是推荐作为一种医用药物，在后来的发表的专利中才提出了可用于制造无烟发射药[17]。