基于亲油性纳米颗粒的高密度悬浮燃料研究

摘要

液体碳氢燃料是为各种航空航天发动机提供动力保障的关键，在推进剂领域占有重要地位。燃料性能（尤其是能量和密度）是决定飞行性能（包括航程、航速和有效载荷等）的关键之一。新型高性能飞行器的发展对燃料推进能力提出了更高的要求，采用化学方法人工合成的高密度液体碳氢燃料除具有一般液体碳氢燃料的优点外，还具有更大的质量密度和体积热值，但其冰点和粘度随着密度的增加而急剧增加，因此，采用化学合成进一步提升燃料密度和体积热值已十分困难，需要新的途径来制备密度更高的液体燃料。
　　本文采用制备亲油性硼、碳、铝等高能纳米颗粒、然后分散到高密度液体燃料中，制备出一类新型悬浮燃料，并运用多种技术手段对表面改性的纳米颗粒进行了表征，以及对新型燃料的各项性能进行了测试，证实了采用这种新途径提升燃料密度和体积热值的可行性。
　　为了使高能纳米颗粒与液体碳氢燃料兼容，本文采用一种简单、温和、高效的溶剂加热回流或超声分散的方法，尝试多种保护剂，对纳米硼、碳管、铝颗粒表面进行改性，发现三正辛基氧膦对纳米硼颗粒改性效果最好，油胺对碳纳米管改性效果最好，油酸对纳米铝改性效果最好。将亲油性颗粒分散到高密度燃料HD-03或HD-01燃料中静置存放6周后，仍有约15 wt％的纳米颗粒稳定分散在液体燃料中。
　　进一步分别对含10 wt%、20 wt%、30 wt%高能颗粒的HD-01和HD-03两种悬浮燃料的密度、粘度、流动性、热值进行了测试与计算，发现悬浮燃料的密度和热值均随着硼、碳、铝纳米颗粒含量的增加而增加，其中当纳米颗粒含量为30 wt%时，悬浮燃料的密度最高达到1.23 g/mL（Al/HD-03），体积热值最高达到58.1 MJ/L（B/HD-03），已超过目前密度和体积热值最高的RJ-5燃料。在室温下，悬浮燃料仍然保持较好的液体流动状态，具有良好的低温粘度。而且，硼、碳、铝纳米颗粒能缩短四环庚烷/发烟硝酸和四环庚烷/N2O4自燃点火延迟期，且添加纳米硼颗粒的效果最佳。在发动机点火实验中，悬浮燃料没有颗粒堵塞管路的现象发生，纳米颗粒可以完全燃烧。

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第一章 文献综述

1.1航天推进剂的研究意义

1.2高密度燃料的合成及应用研究

1.3高密度液体碳氢燃料

1.4添加高能纳米颗粒的新型高密度燃料

1.5含有高能颗粒燃料性能测试

1.6本论文的主要研究内容

第二章 亲油性非金属纳米颗粒的制备

2.1引言

2.2实验过程及表征方法

2.3结果与讨论

2.4小结

第三章 亲油性金属纳米颗粒的制备

3.1引言

3.2实验过程及表征方法

3.3结果与讨论

3.4小结

第四章 含有高能纳米颗粒悬浮燃料的基本性能

4.1引言

4.2实验过程及表征方法

4.3悬浮燃料基本物理化学性质

4.4纳米颗粒促进燃料点火性能

4.5悬浮燃料发动机燃烧实验的固体物质分析

4.6结论

第五章 结论与展望

5.1主要结论

5.2本工作创新点

5.3展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢