金屬燃料水沖壓發(fā)動機是一種新型水下航行器動力系統(tǒng),它以金屬/水反應(yīng)作為動力源,利用反應(yīng)熱和反應(yīng)產(chǎn)生的高壓氣體推動航行體在水下高速航行。該體系的能量密度非常高,因為氧化劑取自環(huán)境中的海水而無需攜帶,且金屬燃料本身就具有很高的能量水平。常見的水反應(yīng)金屬有鈹、鋁、鎂和鋰等,其中鋁的優(yōu)勢最為突出。作為地殼中含量最多的金屬元素,鋁無毒,與水反應(yīng)活性適中,體積能量密度為9.75kcal/cm³,是鎂的1.8倍,鋰的2.4倍,具有3個價電子和高達11.1wt.%的儲氫密度(不考慮水用量),是最理想的水沖壓發(fā)動機燃料。
鋁的氧化產(chǎn)物排列致密,會阻礙鋁/水反應(yīng)的啟動與進行,只有達到1500℃以上,鋁經(jīng)由熔化和氣化,才能與水蒸氣持續(xù)反應(yīng),這對鋁應(yīng)用于水下推進系統(tǒng)帶來了極大困難。通過電爆轟等熱物理手段可以制備納米級的超細鋁粉,納米粒子特有的小尺寸效應(yīng)能夠使鋁不經(jīng)氣化直接與水蒸氣發(fā)生反應(yīng),降低了啟動溫度,提高了反應(yīng)效率。但是大的比表面積造就的超強活性,使這種鋁粉對空氣的濕度十分敏感,極易發(fā)生氧化甚至自燃。
電化學(xué)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)低熔點的稀有金屬能夠提高鋁/水反應(yīng)的活性,例如鎵可與鋁形成類似鋁汞齊的結(jié)構(gòu),穿透氧化膜并破壞其致密性,使鋁/水反應(yīng)在室溫下得以啟動。銦與鎵屬同族元素,化學(xué)活性相似,因熔點(156.61℃)高于鎵(29.8℃),而未受到制氫領(lǐng)域的足夠重視。適中的熔點可使銦在活化鋁的同時又保持鋁在常溫下的儲存性能,適合被應(yīng)用到推進劑中。金屬鎂為表面活性金屬,常用來降低金屬燃料的點火溫度,可以進一步降低鋁/水反應(yīng)的啟動條件。
結(jié)果與討論
1)鋁銦鎂三相合金中的銦含量達到6%時,在常溫下與水發(fā)生明顯的反應(yīng),反應(yīng)過程為溶解-再沉積反應(yīng),配方93Al-5In-2Mg單位質(zhì)量的水反應(yīng)的產(chǎn)氫量僅為0.029mL/mg,對空氣濕度不敏感,可以安全儲存;
2)鎂的添加量為合金質(zhì)量的2%時,對合金粉末儲存最為有利,相同生產(chǎn)工藝下,高于或低于2%都會影響合金的儲藏性能;
3)鋁銦鎂合金高溫下與水蒸氣反應(yīng)分為4個階段,前兩階段與金屬燃燒低溫區(qū)模型對應(yīng),該反應(yīng)只能在表面進行,因此擴散過程是反應(yīng)的決速步,減小粉末粒徑能夠加速反應(yīng)進程;
4)每增加1%的銦,在450℃前就可以多反應(yīng)約10%的合金,這對后續(xù)點火藥和推進劑配方有著指導(dǎo)意義;
5)93Al-5In-2Mg的一次燃燒溫度約450℃,二次燃燒溫度約1000℃,優(yōu)于現(xiàn)有鋁粉,并在常溫下對水呈現(xiàn)惰性,能夠代替現(xiàn)有普通鋁粉和超細鋁粉,用于水沖壓發(fā)動機。