纳米铝热剂的制备及在微管中燃烧规律的研究(2)
致 谢 33
参 考 文 献 34
1 引言
1.1 论文研究背景及意义
微小卫星由于质量体积小，成本相对低，可控性强，更容易进行组网等优点，越来越受到各国研究者的重视。由于传统的推进系统体积和质量都很大，不适用于微型卫星，所以对微推进系统提出了越来越迫切的要求。小型化固体化学推进器可在微型航天技术（微卫星和智能弹药）上作为推力系统使用，目前微型推进系统有电推进系统和微化学推进系统两种。装置小型化成为国际上的一个发展趋势，这也使得研究方向逐渐从大尺度范围内的宏观器件和常规器件转向小尺度的微型器件，尤其是将MEMS（Micro Electro Mechanical Systems，全称微机电系统）技术应用于微卫星推进系统，可以使其结构紧凑，获得可靠性高的微推进系统[1]，相应地，微推进器中的推进剂以及其在微尺度下的燃烧机理及特性成为研究的热点[2]。
由于纳米复合含能材料具有能量密度高、点火延迟时间较短、能量释放速率快等优点而被广泛应用，其中纳米铝热剂作为纳米复合含能材料代表更是因其制备方法简单等优点，成为多领域关注的焦点[3]。纳米铝热剂通常被认为是纳米级规模的无机氧化物（比如氧化铜( )、三氧化二铁（ )等）和金属燃料（Al、B、Li等）的复合物。最近的研究表明:对于小型化推进器而言，纳米铝热剂是固体推进剂的理想选择材料。纳米铝热剂与MEMS的结合则极大的提升了其功能多样性，实现了点火、产气、微推冲等功能[1]。不同铝热剂的生成焓和反应速率的不同导致其在放热量、燃烧速率及敏感度方面存在差异。通过选取高放热量、高燃速的铝热剂与MEMS技术相融合，MEMS含能芯片领域的应用前景必然十分开阔[4]。通过研究纳米铝热剂的制备过程，可以更好地提高纳米铝热剂组分混合的均匀性，获得较佳的燃烧性能。研究纳米铝热剂在微管中的装药方式及燃烧规律可以为实现微推进系统中纳米铝热剂稳定燃烧提供一定指导。在Web of Science数据库中搜索有关纳米铝热剂的关键词，由每年相关文献出版数目及被引用数目逐年增加的柱状图能看出该研究方向受到越来越多的关注，也证实了纳米铝热剂相关的研究价值。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 纳米铝热剂
1.3 本论文研究工作
目前国内外在纳米铝热剂的制备和标准方面研究较多，但是对于微管中固体燃烧规律研究不多，本课题的研究内容主要有以下几个方面：
（1）纳米铝热剂制备及表征
采用超声混合法制备纳米铝热剂，通过分析纳米铝热剂的性能，选择综合效果好的纳米铝热剂制备最佳工艺参数。
（2）纳米铝热剂微尺度燃烧特性研究
初步采用干法装药，将制备的纳米铝热剂压入三种不同内径的石英玻璃管中，采用激光点火方式点燃装药，用高速摄影仪记录微管中的燃烧过程。研究不同NC含量，不同氧化铜粒径以及不同微管内径对微尺度装药点火的影响规律。
（3）微管中燃烧传热过程模拟
利用ANSYS有限元分析元件建立纳米铝热剂在微管中燃烧传热的数学模型，初步研究微管热传导、热扩散的规律，探索微尺度燃烧机理。
2 纳米铝热剂微尺度燃烧特性研究
由于尺度效应的影响，使得微尺度下的燃烧特性和燃烧机理等与传统意义上的燃烧很不一样。国内外在微尺度下的气体燃烧规律的研究已经有了较为成熟的理论体系。固体燃料与气体燃料相比具有更高的稳定性和能效性，在微尺度推进剂中的应用也很广泛，但由于微尺度下的固体装药较为困难等原因，国内外在微尺度下固体装药燃烧性能的研究报道较少，为此研究微尺度下固体装药燃烧规律具有重大的意义。本章主要针对纳米铝热剂的制备工艺及其在微管中装药工艺的研究，并且对微管中装药进行点火性能研究。