AlH3表面特性与释氢机理的研究
AlH3是一种亚稳态的晶体,由于其能量高和释氢速度快,被用于炸药、还原剂、固体火箭推进剂和储氢材料.将AlH3应用于固体推进剂中不仅可以降低燃烧室温度还能提高推进剂的能量性能,但是亦存在推进剂感度高、安全性能差等问题.本文致力于研究AlH3的表面特性及其释氢动力学,探讨AlH3表面特性对推进剂安全性能的影响,为AlH3在推进剂中的应用提供理论支撑.采用元素分析、等离子发射光谱(ICP)、扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(IR)、X射线光电子能谱(XPS)等技术,研究了AlH3样品中杂质信息和表面特性.结果表明,(1)AlH3样品是由许多细小的晶粒堆积而成,而大颗粒样品又是由一些小颗粒样品堆积而成的;AlH3样品表面被一层致密的Al2O3氧化膜所包覆,样品中存在着三种形貌的颗粒(针棒,立方体以及绒球状),其中针棒状(γ-AlH3)的氧化层更厚,且样品表面越粗糙其氧化层越厚.(2)细粒径AlH3表面较规整、光滑、杂晶含量较低,粗粒径AlH3表面粗糙、缺陷较多,且杂晶含量较高.(3)AlH3存在酸性位点,但其酸量较低,约为10-22 mmol/g;湿法合成的AlH3的酸含量更高,但经过包覆处理可以降低其酸量.(4)AlH3样品表面杂质除Al2O3外,还残留有少量的Li、Cl和C元素,且样品表面的Cl元素含量大于样品内部;其中Li主要为未反应的LiAlH4.采用X射线粉末衍射仪(XRD)研究了AlH3样品的晶型结构,AlH3样品中除α-AlH3外,还存在着极少量的γ-AlH3,α′-AlH3;以硅粉为内标物,建立了XRD内标法定量测定AlH3样品中的α-AlH3的含量方法,方法的相对标准偏差小于2%.采用TG-DSC热分析技术,研究了AlH3热分解行为,建立了AlH3恒温热分解动力学方程.结果表明,(1)AlH3的恒温热分解符合Avrami-Erofeev方程,加速期和衰退期的Avrami指数n分别为3和2,Al核的生长在初期由三维生长控制,进入到衰退期逐渐变为由平面生长控制.(2)研究得到了AlH3分解反应动力学方程,并获得了其恒温热分解的反应活化能(其值在95.27-107.0kJ/mol范围内),通过与实际测试AlH3在135℃下的分解曲线的对比,验证了动力学方程的可靠性.探讨了AlH3表面特性对推进剂安全性能的影响,结果表明:AlH3的粒径越小,推进剂的安全性能越好;AlH3表面越粗糙,推进剂的安全性能越差;α-AlH3含量越高,推进剂的安全性能越好.表面粗糙、缺陷较多以及杂晶较多的AlH3反应活性位点多,安全热点多,因此使推进剂安全性能变差.
- 作者：
- 吴磊
- 学位授予单位：
- 航天动力技术研究院
- 专业名称：
- 化学工程与技术
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2018年
- 导师姓名：
- 马新刚
- 中图分类号：
- V512
- 关键词：
- AlH3；表面特性；α晶型纯度；恒温动力学；安全性能
- Aluminum hydride; Surface properties; Content of α-crystal; Isothermal kinetic; Safety performance;