本發(fā)明涉及金屬材料，具體涉及一種高熱值硼鋁合金燃料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、金屬基燃料在提升固體推進劑燃燒熱值方面扮演著關(guān)鍵角色，而鋁粉因其在火箭推進劑中的廣泛應(yīng)用成為研究焦點。然而，含鋁的固體富燃料推進劑在燃燒效率與點火性能上仍面臨顯著挑戰(zhàn)，其理論燃燒熱值的局限性限制了其進一步應(yīng)用。在眾多金屬元素中，硼(b)因其卓越的高質(zhì)量能量密度(58.1kj/g)和最高體積能量密度(136.5kj/cm3)而備受矚目，具有替代鋁粉作為固體推進劑燃料的巨大潛力。然而，硼粉在實際應(yīng)用中面臨著兩大主要問題。首先，硼顆粒在燃燒過程中易于被高沸點(1860℃)的液態(tài)氧化物所包裹，導(dǎo)致燃燒不完全，從而限制了其燃燒效率的提升。其次，硼粉表面容易與外界的氧氣、水蒸氣等發(fā)生反應(yīng)，生成水溶性雜質(zhì)如硼酸(h3bo3)，這些雜質(zhì)與固體推進劑常用粘結(jié)劑端羥基聚丁二烯(htpb)發(fā)生縮合反應(yīng)，生成高粘度端羥基聚丁二烯硼酸酯，進而惡化了固體推進劑的加工性能。

2、為實現(xiàn)上述目的，本領(lǐng)域技術(shù)人員采用了多種方法對硼粉進行改性研究，包括包覆法和合金化等策略。這些方法的目的是提高硼粉顆粒的燃燒效率和燃燒熱值，縮短點火延遲時間，并增強硼粉與htpb的相容性。馮昊等研究人員采用沉淀沉積法，成功實現(xiàn)了極少量鈷化合物在硼粉顆粒表面的均勻沉積。實驗結(jié)果表明，相較于純硼粉，沉積鈷化合物的硼燃料在氧化過程中展現(xiàn)出了更高的反應(yīng)活性，其氧化放熱峰溫提前了39-160℃，激光點火延遲時間也顯著縮短至52-37ms（中國專利，cn202210462388.1，2022-07-28）。此外，馮昊等還探索了采用沉淀沉積-浸漬法和浸漬-沉淀沉積法在硼粉表面負載氧化鉍和氧化釩等金屬氧化物，以制備具有高反應(yīng)活性的雙金屬氧化物改性硼燃料。這種改性方法顯著提升了硼粉的燃燒性能，相較于未改性硼粉，其激光點火延遲時間最大可提前14-26ms，起始氧化溫度最多可提前150-200℃（中國專利，202210462386.2，2022-08-02）。同時，董軍等研究者采用研磨混合法，成功制備了一種含鋁和聚四氟乙烯的硼基復(fù)合材料。這種新型復(fù)合材料的引入不僅解決了硼粉的酸性問題，改善了與htpb的工藝性能，還顯著提高了含硼pbx炸藥的爆熱性能（中國專利，202010390866.3，2020-05-11）。張皓等則通過燒結(jié)工藝，以硼粉和納米鋁粉為原料制備了硼鋁合金粉。該材料主要由鋁和二硼化鋁(alb2)兩相構(gòu)成，當(dāng)硼粉與鋁粉以2:1摩爾比混合并在800℃下燒結(jié)后，制得的硼鋁合金粉展現(xiàn)出優(yōu)異的燃燒性能。實驗結(jié)果顯示，其燃燒熱值高達33.3kj/g，燃燒效率達到77.0%，相較于無定形硼粉，燃燒熱值提升了139.6%，燃燒效率提高了53.4%（張皓,劉穎,李洪洋,等.硼鋁合金粉的制備及其氧化燃燒特性[j].中國有色金屬學(xué)報,2021,31(4):890-898）。這些方法不僅改變了硼粉的形貌結(jié)構(gòu)和熱反應(yīng)特性，還在一定程度上優(yōu)化了含硼燃料的燃燒性能。然而，硼粉燃燒性能的潛力尚未得到充分發(fā)掘，其燃燒效率、燃燒熱值仍存在巨大的提升空間。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述背景技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明主要解決現(xiàn)有技術(shù)中硼粉及其改性燃料燃燒效率低、燃燒熱值不高的難題，通過使用球磨技術(shù)將硼粉與二硼化鋁結(jié)合形成合金燃料來進一步充分發(fā)掘硼粉燃燒性能的潛力，達到更高的燃燒熱值，從而將其應(yīng)用于固體推進劑中，有望提升固體推進劑的點火燃燒性能。

2、本發(fā)明提供一種高熱值硼鋁合金燃料及其制備方法和應(yīng)用。該方法利用球磨法將納米級硼粉(nb)與二硼化鋁(alb2)粉末按特定比例范圍混合，以形成一種新型的高燃燒熱合金燃料。此方法特別針對硼在燃燒過程中難以完全燃燒的問題，通過納米化處理和精確比例混合，顯著提高了燃燒熱和燃燒效率，從而實現(xiàn)了燃料性能的優(yōu)化。

3、本發(fā)明第一個目的是提供一種高熱值硼鋁合金燃料的制備方法，包括以下步驟：

4、將硼粉末和二硼化鋁粉末按一定比例混合，通過球磨的形式制得硼鋁合金燃料。

5、優(yōu)選的，所述硼粉末和二硼化鋁粉末的質(zhì)量比為1：4~6.4。

6、優(yōu)選的，所述硼粉末的粒徑為160~190nm；所述二硼化鋁粉末的粒徑為5~15μm。

7、優(yōu)選的，所述硼粉末的中值粒徑為175nm；所述二硼化鋁粉末的中值粒徑10μm。

8、優(yōu)選的，球磨時，還加入了過程控制劑，其中，過程控制劑為正己烷；球料的質(zhì)量比為8~12:1。

9、優(yōu)選的，球磨過程中，轉(zhuǎn)速為150~250rpm；球磨時間120~160min，其中，正轉(zhuǎn)20~40min，中間停10~20min，再反轉(zhuǎn)20~40min，重復(fù)兩次。

10、本發(fā)明第二個目的是提供一種高熱值硼鋁合金燃料。

11、本發(fā)明第三個目的是提供一種高熱值硼鋁合金燃料的復(fù)合顆粒，包括高熱值硼鋁合金燃料，以及將其與復(fù)配的高氯酸銨和聚偏氟乙烯；

12、其中，高氯酸銨、聚偏氟乙烯以及高熱值硼鋁合金燃料的質(zhì)量比為1:1:4~6。

13、本發(fā)明第四個目的是提供一種高熱值硼鋁合金燃料的復(fù)合顆粒的制備方法，包括以下步驟：

14、將聚偏氟乙烯和高氯酸銨均勻分散于dmf中，制得透明粘稠的ap/pvdf溶液；

15、向ap/pvdf溶液中加入高熱值硼鋁合金燃料，混合均勻后，得到前驅(qū)液；

16、將前驅(qū)液進行噴霧造粒，得到高熱值硼鋁合金燃料的復(fù)合顆粒。

17、本發(fā)明第五個目的是提供一種高熱值硼鋁合金燃料或高熱值硼鋁合金燃料的復(fù)合顆粒在固體推進劑中的應(yīng)用。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

19、本發(fā)明提供了一種高熱值硼鋁合金燃料及其制備方法和應(yīng)用，本發(fā)明采用原料納米硼粉(nb)和二硼化鋁(alb2)，通過球磨法制備出硼鋁合金燃料，并基于熱值優(yōu)化組分配比（質(zhì)量比）為5.4:1，質(zhì)量熱值和體積熱值分別達到39.7kj·g-1和108.7kj·cm-3；在熱值得到提升的同時，其熱穩(wěn)定性相較于nb也得到顯著提升。并在此配方基礎(chǔ)上，采用噴霧造粒法將alb2/nb與ap/pvdf復(fù)合，成功制備了alb2/nb@ap/pvdf復(fù)合燃料，有望將其應(yīng)用于固體推進劑中。

20、本發(fā)明提供的制備方法不僅解決了硼的燃燒難題，還通過納米材料的優(yōu)異特性，提升了整個合金燃料的燃燒熱釋放效率。通過這種方法，本發(fā)明能夠為能源領(lǐng)域帶來一種更為高效的燃料解決方案。

21、本發(fā)明采用先進的球磨法制備硼鋁合金燃料，其熱值增幅較大。結(jié)合sem圖分析，球磨法制備的合金燃料顆粒分布更為均勻，有利于提升alb2對nb促進燃燒的效果，為熱值的提升創(chuàng)造了有利條件。此外，nb相較于μb，在提升硼鋁合金燃料的熱值方面展現(xiàn)出了更為優(yōu)越的性能。進一步通過dsc分析，發(fā)現(xiàn)硼鋁合金燃料中的b粉在加熱氧化過程中，其性能得到了顯著增強。具體來說，當(dāng)溫度達到850℃時，其增重從原先的33.0%大幅提升至190.7%；同時氧化起始溫度也從549.2℃提高到了647.8℃，表明其熱穩(wěn)定性的也得到顯著提升。