一种网格结构的MgH2/Mg-Al高活性复合金属燃烧剂及其制备方法

本发明属于含能材料领域，具体涉及一种网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂及其制备方法。

背景技术：

1、金属燃烧剂，添加到火炸药和固体推进剂中，燃烧后能释放出大量的热量，从而大幅度提高炸药和推进剂的能量性能。铝粉具有相对较高的理论热值(质量热值31mj/kg，体积热值83.7mj/l)、且原料易得、价格便宜，另外在安全性、稳定性、工艺性及长储性等方面具有良好的综合性能，目前仍广泛应用于各类火炸药和推进剂配方中。但是，铝颗粒燃烧氧化过程中，会在铝颗粒表面生成一层非常致密的al2o3层，并且al2o3的熔点和沸点较高(熔点2054℃，沸点2980℃)，这些导致铝粉在燃烧过程中，点火延迟时间长、燃烧速率低、燃烧不充分、喷管两相流损失(三氧化二铝颗粒粒度增大及形成凝固相)大幅度提升等问题。

2、金属及金属合金氢化物储氢能量密度大，可与液态和固态氢相比拟。氢以极高的浓度存在于金属中，形成金属氢化物将氢气储存起来，再利用金属氢化物相变的可逆性，在必要时就可以把储存的氢释放出来，加以利用。

3、作为单一轻金属氢化物，氢化镁(mgh2)的密度比较高，为1.45g/cm3，其储氢量达到7.6％，远高于镁基储氢合金氢化物和其他金属氢化物。同时，mgh2的释氢温度高达300℃左右，具有较高的热稳定性。另外，mgh2释氢分解出的活性金属mg，其本身沸点低，一次燃烧产物主要以气相存在，一般作为辅助添加剂与其他燃料混合而提高补燃效率。因此，mgh2非常适合作为火炸药和固体推进剂的组分。

4、目前，有关mgh2在火炸药和固体推进剂中的应用研究，大多数采用球磨机械合金化方法，将mgh2嵌入到以al为基体的金属颗粒中，制备成高性能含能复合金属燃烧剂，应用于火炸药和推进剂中，得到较好的能量性能。这种机械合金化制备的含mgh2高能金属燃烧剂，mgh2颗粒弥散分布在al基体颗粒中，在氧化燃烧过程中，释放出氢气，起到了一定的促燃和补燃燃的效果。但是，由于mgh2颗粒弥散分布在al基体中，相当于被al包裹，而al本身表层有一层致密难熔的氧化铝膜，这样导致mgh2的氧化燃烧性能得不到充分发挥。

技术实现思路

1、为了解决以上问题，本发明的目的在于提供一种网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂及其制备方法，用该方法制备的复合金属燃烧剂，低温点火性能优良，氧化燃烧完成率高，可大幅度提高其释能效率。

2、为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

3、一种网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂，以mg-al合金粉体为基础粉，将其放入高温高压的氢气气氛反应釜中，进行充氢反应制得网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂。

4、所述的网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂，mgh2在mg-al合金内部呈网格分布。

5、所述的网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂，按质量百分比计，mg-al合金中，mg含量占5％～30％，其余为al。

6、所述的网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂，mg-al合金为球形颗粒，粒度在200～1250目之间。

7、所述的网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂，mg-al合金粉体的制备方法包含但不限于雾化法，其结构为具有mg偏析的铸态金属组织结构。

8、所述的网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂，充氢所用的氢气为高纯氢，氢纯度≥99.9999％。

9、所述的网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂，mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂中含有mgh2相，mgh2的质量含量为1.7％～27.5％。

10、所述的网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂，mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂中，氢的质量含量为0.13％～2.4％。

11、所述的网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂的制备方法，包括以下步骤：

12、(1)mg-al合金粉体前处理：将mg-al合金粉体在稀盐酸水溶液中进行前处理，以清除表面油渍和杂质；稀盐酸水溶液组成为每500ml蒸馏水中添加2～5滴盐酸，使稀盐酸的浓度为3～7mol/l，每500ml稀盐酸水溶液中添加5～30g mg-al合金粉体，搅拌处理8～15小时，反复洗涤后在真空干燥箱中干燥得到合金粉体；

13、(2)抽真空及粉体预热：将步骤(1)处理后的mg-al合金粉体放入充氢反应釜中，将反应釜装入高温高压充氢系统中；启动充氢系统的真空泵，待充氢系统的真空度达到1×101pa～5×10-1pa时，开启加热将反应釜加热至80～150℃，加热速率为2～10℃/分钟；

14、(3)反应釜氢气置换：关闭充氢系统的真空泵，向充氢系统反应釜内通入高纯氢气，气压控制在0.1～0.5mpa之间，保持2～5分钟；然后关闭充氢阀，启动真空泵，将反应釜真空度抽至1×101pa～5×10-1pa之间，保持2～5分钟，这样反复置换3～5次；

15、(4)高压充氢：向反应釜内通入高纯氢气，气压控制在2～5mpa之间，同时开启加热，将反应釜温度加热到350～450℃，加热速率为2～10℃/分钟，此时氢气将沿mg-al合金的晶界快速渗入到颗粒内部，反应生成mgh2，处理时间为5～16小时；充氢结束后，关闭加热，保持氢气气氛，气压保持在1～5mpa之间，随炉冷却至50℃以下，再关闭充氢阀，取出样品，得到网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂。

16、本发明的设计思想是：

17、雾化法制备mg-al合金粉体过程中，mg原子不能完全以置换固溶的形式存在于晶粒内部。在al熔体凝固的过程中，过饱和的mg以粗大的β相(al3mg2)的形式析出在晶界上，从而形成富镁的网格偏析区域。将这种雾化法制备的mg-al合金粉体置于一定温度、一定压力氢气气氛反应釜中，氢原子将通过mg-al合金颗粒的晶界快速渗入，并与晶界附近富集的mg原子结合成mgh2，从而实现mgh2在合金中的网格分布，制备出网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂。这样一方面有利于mgh2连续燃烧，从而更大程度发挥其低温易点火、燃烧充分的特性。另一方面分布于晶界处的mgh2燃烧过程中释放出大量的氢气，氢气的爆燃将al基体破碎成无数极小的al微粒。不同于需要表面钝化的纳米al金属燃烧剂，这些al微粒活性al的含量非常高，因此大幅度提高al基体的燃烧释能效率。

18、本发明利用mg-al合金中mg原子在颗粒内部的晶界偏析，原位进行mg氢化，制备出mgh2在合金颗粒内部的网格分布含能复合颗粒，主要优点和技术效果有以下几点：

19、1、本发明所制备的复合金属燃烧剂，常压下释氢温度可达350～380℃，具有很高的热稳定性和安全性，这样就有利于提高制药的安全稳定性能、火炸药和推进剂的运输及存储安全性能。

20、2、本发明所制备的网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂在燃烧爆炸过程中，释放出的氢气能起到爆破作用，将较大的金属复合颗粒破碎成非常细小的高活性微粒，从而提高金属燃烧剂的氧化燃烧完成率，从而大幅度提高炸药和推进剂的能量性能。

21、3、本发明所制备的复合金属燃烧剂，颗粒形态呈近球形，流散性较好，易于成药。

22、4、本发明所制备的网格结构的mgh2/mg-al高活性复合金属燃烧剂，内部粉体颗粒密实，堆积密度大，有利于提高药柱的体积热值。