本發(fā)明涉及燃料添加劑領(lǐng)域。具體地說涉及固沖發(fā)動(dòng)機(jī)含硼固體推進(jìn)劑。

背景技術(shù)：
由于硼具有高質(zhì)量熱值、高體積熱值、兩相流損失小、燃燒分散性好、噴管喉部沉積少、噴射效率高等優(yōu)異性能，使得含硼貧氧推進(jìn)劑成為固體火箭沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的首選燃料。但硼的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)較高，難以熔化和氣化，同時(shí)硼粒子表面包裹著一層難以揮發(fā)的致密氧化膜，阻礙氧氣與硼內(nèi)核接觸，導(dǎo)致硼在實(shí)際應(yīng)用中存在點(diǎn)火困難，點(diǎn)火溫度高，點(diǎn)火延遲時(shí)間長(zhǎng)等問題。因此，尋找促進(jìn)硼粒子點(diǎn)火的方法對(duì)于含硼推進(jìn)劑以及固沖發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用有著重要的意義，而加入合適的添加劑是解決上述問題的有效途徑。目前常用的促進(jìn)硼點(diǎn)火的添加劑有鎂、鋁等金屬和LiF、TMP(三羥甲基丙烷)等化合物。其中鎂、鋁等金屬主要起引燃的作用，可先于硼著火并產(chǎn)生大量熱量，提高周圍環(huán)境溫度，促進(jìn)硼的著火。但為了有效的降低硼粒子著火溫度，需要較多的金屬添加劑(一般不少于硼質(zhì)量的20％)，這樣會(huì)降低整個(gè)含硼推進(jìn)劑的潛在熱值。同時(shí)金屬添加劑會(huì)消耗一定量的氧氣，從而降低含硼貧氧推進(jìn)劑的有效含氧量，不利于推進(jìn)劑的燃盡。LiF、TMP等添加劑可與B2O3發(fā)生反應(yīng)，去除硼粒子表面的氧化膜，促進(jìn)硼粒子的著火。但它們使用時(shí)需要經(jīng)過包覆程序，工藝較復(fù)雜且包覆的均勻性和完整性還有待提高。同時(shí)LiF等一些包覆材料與B2O3反應(yīng)的生成物有一定毒性，會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定污染。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，利用催化理論改變硼點(diǎn)火時(shí)的反應(yīng)途徑，提供一種促進(jìn)硼粒子點(diǎn)火和燃燒用高效環(huán)保添加劑。為解決技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案是：提供一種固沖發(fā)動(dòng)機(jī)含硼固體推進(jìn)劑，該固體推進(jìn)劑由質(zhì)量比為1∶10～100的Bi2O3粉末與硼粉機(jī)械摻混而成；其中，Bi2O3粉末是粒徑為10～500μm的顆粒。作為優(yōu)選的方案，該固體推進(jìn)劑由質(zhì)量比為12∶0的Bi2O3粉末與硼粉機(jī)械摻混而成。Bi2O3摻混比例越高，促進(jìn)含硼推進(jìn)劑點(diǎn)火和燃燒的效果越好。但摻混比例在1:20以后，促進(jìn)效果變緩。因此，推薦摻混比例在1:20，此比例下可使硼粉著火溫度降低15.2％，熱反應(yīng)轉(zhuǎn)化率有所提高。作為優(yōu)選的方案，所述Bi2O3粉末是粒徑為10～75μm的顆粒。粒度變細(xì)有利于含硼推進(jìn)劑著火和燃燒性能的改善，但在75μm以下效果相差不大，當(dāng)粒徑大于75μm時(shí)，改善效果變緩。因此，推薦Bi2O3的粒度在75μm以下為佳。本發(fā)明進(jìn)一步提供了Bi2O3作為促進(jìn)硼粒子點(diǎn)火和燃燒的添加劑的應(yīng)用。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于是：所需添加劑的量較小(僅為硼粉質(zhì)量的1％-10％)，與硼粉的混合方式簡(jiǎn)單，不消耗含硼貧氧推進(jìn)劑中的氧，添加劑本身高效、環(huán)保。附圖說明圖1原始硼粉和硼+Bi2O3樣品的TG-DSC曲線。圖中：曲線1為單純硼粉的熱重曲線；曲線2為單純硼粉的差示掃描量熱曲線；曲線3為單純硼粉的熱重曲線；曲線4為單純硼粉的差示掃描量熱曲線；具體實(shí)施方式1、具體實(shí)施例表1為具體實(shí)施例的數(shù)據(jù)，有關(guān)點(diǎn)火試驗(yàn)在NETZSCHSTA449F3型熱天平(包括TGA和DSC)上進(jìn)行，加熱速率為20℃/min，實(shí)驗(yàn)氣氛為空氣，流量為40ml/min。實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)使用TGA和DSC方法確定樣品的點(diǎn)火溫度。表1添加比例和粒徑對(duì)硼樣品點(diǎn)火和燃燒性能改善實(shí)驗(yàn)從上表中的數(shù)據(jù)可以看出，隨著Bi2O3添加量的增加，含Bi2O3的硼推進(jìn)劑樣品的點(diǎn)火溫度下降，熱反應(yīng)轉(zhuǎn)化率提高，說明了添加Bi2O3是有利于含硼推進(jìn)劑點(diǎn)火和燃燒性能的改善。但改善的效果和添加的比例并不是呈線性增加的，即在1:20之前(如1:50、1:100)改善效果顯著提高，而在1:20之后，如添加比例為1:10時(shí)，雖然也能降低點(diǎn)火溫度，提高熱反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，改善效果沒有不明顯。這是因?yàn)锽i2O3是無(wú)熱量物質(zhì)，隨著添加比例的進(jìn)一步提高，會(huì)使含硼推進(jìn)劑單位熱值下降，不利于其點(diǎn)火和燃燒。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，添加比例在1:20為佳。此外，上表還表明，Bi2O3的粒度變細(xì)有利于含硼推進(jìn)劑樣品點(diǎn)火和燃燒性能的改善，但在75μm以下，效果相差不大，當(dāng)粒徑大于75μm時(shí)，改善效果有較明顯的變差趨勢(shì)。因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，Bi2O3的粒度在75μm以下為佳。對(duì)比例：本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)原理是：金屬氧化物Bi2O3的促進(jìn)硼粒子點(diǎn)火和燃燒的作用原理為氧傳遞機(jī)理。催化反應(yīng)過程中，Bi2O3先溶于硼表面的氧化膜并與硼接觸被還原成單質(zhì)金屬或低價(jià)金屬氧化物，接著又被環(huán)境中的氧氣重新氧化為原先的Bi2O3。所以硼粒子的催化著火機(jī)理歸結(jié)于催化劑生成的中間產(chǎn)物，該物質(zhì)可充當(dāng)氧的載體，促進(jìn)氧傳遞，達(dá)到促進(jìn)硼點(diǎn)火和燃燒的目的。并不是所有金屬氧化物均能降低硼粉的著火溫度，并且可以降低硼粉著火溫度的金屬氧化物的作用效果也各不相同。這與金屬氧化物本身的性質(zhì)有關(guān)，具體與金屬氧化物與硼反應(yīng)的速率和中間產(chǎn)物在B2O3液態(tài)氧化膜中的擴(kuò)散速率有關(guān)。這也是本發(fā)明獨(dú)具特色的技術(shù)創(chuàng)新之處。按Bi2O3和硼粉的質(zhì)量比為1:20稱取硼粉和Bi2O3，Bi2O3和硼粉的粒徑分別為10-30μm和15μm左右。將Bi2O3和硼粉置于研缽中，手動(dòng)研磨10min，使它們均勻混合，即得到含Bi2O3添加劑的高效環(huán)保固沖發(fā)動(dòng)機(jī)含硼推進(jìn)劑樣品。在NETZSCHSTA449F3型熱天平(包括TGA和DSC)上進(jìn)行，加熱速率為20℃/min，實(shí)驗(yàn)氣氛為空氣，流量為40ml/min。實(shí)驗(yàn)中，同時(shí)使用TGA和DSC方法確定樣品的點(diǎn)火溫度。為了對(duì)比和突出Bi2O3促進(jìn)硼點(diǎn)火燃燒的效果，還分別實(shí)驗(yàn)了不加添加劑的原始硼粒子和添加MgO、CeO2、Fe2O3、CuO和Sb2SnO5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)條件和添加Bi2O3時(shí)相同。表2為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表2不同添加劑使用情況下進(jìn)行硼樣品熱重實(shí)驗(yàn)得到的特征參數(shù)從表2中可以看出，原始硼粉在空氣中的點(diǎn)火溫度為778.7℃。硼+MgO、硼+CeO2、硼+CuO四種樣品的點(diǎn)火溫度分別為781.4℃、777.4℃和775.0℃，與原始硼粉的點(diǎn)火溫度相差不大；硼+Fe2O3和硼+Sb2SnO5二種樣品的點(diǎn)火溫度分別為738.8℃和741.2℃，相比于原始硼粉，點(diǎn)火溫度分別下降了5.1％和4.8％。說明Fe2O3和Sb2SnO5這二種金屬氧化物有一定程度的降低硼粒子的點(diǎn)火溫度的效果，而Bi2O3的影響效果非常顯著，硼+Bi2O3的點(diǎn)火溫度只有660.6℃，比原始硼粒子下降15.2％。同時(shí)硼的熱反應(yīng)轉(zhuǎn)化率也是最高的。圖1為原始硼粉和硼+Bi2O3樣品的TG-DSC曲線，從圖中可以看出，相比于原始硼粉的TG-DSC曲線，硼+Bi2O3樣品的TG-DSC曲線發(fā)生突變的起始溫度提前了很多。觀察硼+Bi2O3樣品的TG曲線，發(fā)現(xiàn)樣品在500℃時(shí)就開始增重，在700℃時(shí)，DSC曲線達(dá)到峰值，此時(shí)放熱速率最大。到900℃左右時(shí)，TG曲線趨于平穩(wěn)，這時(shí)樣品熱反應(yīng)已基本結(jié)束。與原始硼粉相比，熱反應(yīng)過程提前約120℃。表明添加Bi2O3能有效地降低硼粉的點(diǎn)火溫度，使熱反應(yīng)過程和點(diǎn)火提前。