一种新型碳氢燃料及其制备方法与应用与流程

本发明具体涉及的是一种新型碳氢燃料及其制备方法与应用，属于飞行器燃料领域。

技术背景

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(能量、密度和热沉等)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性能提出了更高的要求，发展具有“更高能量、更高密度、更高热沉值、快速组织燃烧”等更高性能要求的碳氢燃料，以实现“更快、更高、更远”的终极目标迫在眉睫。采用化学方法人工合成的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，需要新的途径来制备性能更高的碳氢燃料。

借鉴凝胶推进剂的方法，添加高能金属颗粒及其化合物来进一步提高燃料性能是碳氢燃料研制的新途径。与普通碳氢燃料相比，添加含能粒子的燃料不仅拥有更大的密度和燃烧热值，还能提高热沉和燃烧效率、有更好的抗凝聚性能和点火性能等优点。但是，向液体碳氢燃料中添加高能颗粒仍面临着巨大挑战：必须使密度很大的固体颗粒分散在液体燃料中，保证一定时间内不聚集不沉降，形成稳定的悬浮液。

目前，主要使用表面修饰剂对含能粒子表面进行改性，表面修饰剂的两性基团可以把含能粒子“锚定”在燃料中，使含能粒子具有较好的油溶性，可稳定分散于燃料中。如天津大学鄂秀天凤等在甲苯中采用三正辛基氧磷对铝进行表面改性，大大提高了铝颗粒的稳定分散性能。然而这些表面改性过程较复杂，操作步骤繁琐，而且需要高温和大量有机溶剂。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种新型碳氢燃料及其制备方法与应用，克服了含能粒子在碳氢燃料中不能均匀、稳定地分散的缺点，提供一种步骤简易、操作简单的含高能粒子的碳氢燃料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种新型碳氢燃料，包含碳氢燃料、氧化石墨烯和含能粒子，所述氧化石墨烯和含能粒子悬浮在所述碳氢燃料中。

在一可选实施例中，所述氧化石墨烯在所述新型碳氢燃料中的浓度为0.1～3mg/ml，所述氧化石墨烯与含能粒子的质量比为(0.1～3)：100。

在一可选实施例中，所述氧化石墨烯中c/o质量比为(2～6)：1。

在一可选实施例中，所述含能粒子为粒径为50～500nm的al粉、lih粉中的至少一种。

在一可选实施例中，所述碳氢燃料为石油精馏产品或人工合成烃类中的至少一种。

在一可选实施例中，所述石油精馏产品为rp-1、rp-2、rp-3、rp-4或rp-5喷气碳氢燃料中的至少一种；所述人工合成烃类为挂式四氢双环戊二烯。

一种新型碳氢燃料的制备方法，包括：

将氧化石墨烯分散到碳氢燃料中，得到第一分散液；

将含能粒子加入所述第一分散液中，搅拌，直至所述氧化石墨烯和含能粒子悬浮在所述碳氢燃料中，得到新型碳氢燃料。

在一可选实施例中，通过超声将氧化石墨烯分散到碳氢燃料中，超声功率为400～1000w，超声时间为2～6h。

在一可选实施例中，将含能粒子加入所述第一分散液中，以300rpm-600rpm转速搅拌1h～4h。

在一可选实施例中，所述氧化石墨烯在所述新型碳氢燃料中的浓度为0.1～3mg/ml，所述氧化石墨烯与含能粒子的质量比为(0.1～3)：100。

在一可选实施例中，所述氧化石墨烯中c/o质量比为(2～6)：1。

在一可选实施例中，所述含能粒子为粒径为50～500nm的al粉、lih粉中的至少一种。

在一可选实施例中，所述碳氢燃料为石油精馏产品或人工合成烃类中的至少一种。

在一可选实施例中，所述石油精馏产品为rp-1、rp-2、rp-3、rp-4或rp-5喷气碳氢燃料中的至少一种；所述人工合成烃类为挂式四氢双环戊二烯。

上述新型碳氢燃料在亚/超声速飞行器中的应用。

本发明与现有技术相比优点在于：

本发明提供的新型碳氢燃料，通过在碳氢燃料中添加氧化石墨烯和含能粒子，使含能粒子与氧化石墨烯中的含氧官能团结合，吸附在氧化石墨烯上得到均匀、稳定地分散有含能粒子的新型碳氢燃料，该燃料在静置7天后无沉淀及团聚发生，稳定性极强；同时，该燃料密度、热值或热沉能得到有效提高，满足快速发展的航天器的使用要求。

附图说明

图1为本发明实施例3提供的新型碳氢燃料放置一周后的状态示意图；

图2为实施例3所用氧化石墨烯在rp-3燃料中分散状态示意图；

图3为实施例3所用铝粉在rp-3燃料中分散状态示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明一种含含能粒子的碳氢燃料的制备方法进行详细说明，但保护范围并不局限于该些说明性的实施方法和实施例，而是应包括权利要求叙述的全部内容以及其它方式，而且通过以下的几个实施例，本领域技术人员完全能够实施本发明权利要求的全部内容。

本发明实施例提供了一种新型碳氢燃料，包含碳氢燃料、氧化石墨烯和含能粒子，所述氧化石墨烯和含能粒子悬浮在所述碳氢燃料中。

本发明提供的新型碳氢燃料，通过在碳氢燃料中添加氧化石墨烯和含能粒子，使含能粒子与氧化石墨烯中的含氧官能团结合，吸附在氧化石墨烯上得到均匀、稳定地分散有含能粒子的新型碳氢燃料，该燃料在静置7天后无沉淀及团聚发生，稳定性极强；同时，该燃料密度、热值或热沉能得到有效提高，满足快速发展的航天器的使用要求。

在一可选实施例中，所述氧化石墨烯在所述新型碳氢燃料中的浓度为0.1～3mg/ml，所述氧化石墨烯与含能粒子的质量比为(0.1～3)：100，其中，所述含能粒子优选粒径为50～500nm的al粉、lih粉中的至少一种和氧化石墨烯按照质量比为(0.1～3)：100的比例混合。在该浓度配比下，既能保证含能粒子分散均匀，又能避免发生聚集沉淀。

具体地，所述氧化石墨烯优选c/o质量比为2～6、表面接有少量含氧官能团，如羧基、羟基、环氧基等的高活性氧化石墨烯；所述含能粒子优选粒径为50～500nm的al粉、lih粉中的至少一种；所述碳氢燃料优选石油精馏产品或人工合成烃类中的至少一种，所述石油精馏产品主要为烷烃、环烷烃组成的混合物，其中芳烃含量≤5％，优选rp-1、rp-2、rp-3、rp-4或rp-5喷气碳氢燃料中的至少一种；所述人工合成烃类为挂式四氢双环戊二烯jp-10。

本发明实施例还提供了一种新型碳氢燃料的制备方法，包括以下步骤：

将氧化石墨烯分散到碳氢燃料中，得到第一分散液；

将含能粒子加入所述第一分散液中，搅拌，直至所述氧化石墨烯和含能粒子悬浮在所述碳氢燃料中，得到新型碳氢燃料。

在一可选实施例中，通过超声将氧化石墨烯分散到碳氢燃料中，超声功率为400～1000w，超声时间为2～6h。

在一可选实施例中，将含能粒子加入所述第一分散液中，以300rpm-600rpm转速搅拌1h～4h。

在一可选实施例中，所述氧化石墨烯在所述新型碳氢燃料中的浓度为0.1～3mg/ml，所述氧化石墨烯与含能粒子的质量比为(0.1～3)：100。

具体地，所述氧化石墨烯优选c/o质量比为2～6，表面接有少量的含氧官能团，如羧基、羟基、环氧基等的高活性氧化石墨烯；所述含能粒子优选粒径为50～500nm的al粉、lih粉中的至少一种；所述碳氢燃料优选石油精馏产品或人工合成烃类中的至少一种，所述石油精馏产品主要为烷烃、环烷烃组成的混合物，其中芳烃含量≤5％，优选rp-1、rp-2、rp-3、rp-4或rp-5喷气碳氢燃料中的至少一种；所述人工合成烃类为挂式四氢双环戊二烯jp-10。

本发明还提供了上述新型碳氢燃料在亚/超声速飞行器中的应用。

以下为本发明的几个具体实施例：

各实施例所用原料均为市售产品。

实施例1

本实施例提供一种新型碳氢燃料，其制备方法包括：

将0.01g氧化石墨烯(c/o质量比为3)加入到100mlrp-3燃料中后超声分散，超声功率为400w，超声6h后得分散液a。惰性气体保护下，将10gal粉(60nm)加入到分散液a中，搅拌1h，搅拌速度为600rpm，制得含含能粒子的碳氢燃料。本实施例提供的新型碳氢燃料密度为1.00g/cm³，体积热值38.5mj/l。

实施例2

本实施例提供一种新型碳氢燃料，其制备方法包括：

将0.05g氧化石墨烯(c/o质量比为2)加入到100mljp-10燃料中后超声分散，超声功率为600w，超声4h后得分散液a。惰性气体保护下，将10gal(100nm)加入到分散液a中，搅拌2h，搅拌速度为500rpm，制得含含能粒子的碳氢燃料。本实施例提供的新型碳氢燃料密度为1.1g/cm³，体积热值42.9mj/l。

实施例3

本实施例提供一种新型碳氢燃料，其制备方法包括：将0.2g氧化石墨烯(c/o质量比为6)加入到100mlrp-3燃料中后超声分散，超声功率为800w，超声5h后得分散液a。惰性气体保护下，将10glih粉(300nm)加入到分散液a中，搅拌3h，搅拌速度为400rpm，制得含含能粒子的碳氢燃料。本实施例提供的新型碳氢燃料密度为0.79g/cm³，体积热值34.1mj/l。

实施例4

本实施例提供一种新型碳氢燃料，其制备方法包括：将0.3g氧化石墨烯(c/o质量比为4)加入到100mljp-10燃料中后超声分散，超声功率为1000w，超声2h后得分散液a。惰性气体保护下，将10glih粉(450nm)加入到分散液a中，搅拌4h，搅拌速度为300rpm，制得含含能粒子的碳氢燃料。本实施例提供的新型碳氢燃料密度为0.92g/cm³，体积热值38.8mj/l。

对比例

氮气气氛中，将10g铝粉(100nm)、1g三正辛基氧膦和300ml甲苯加入到烧瓶中，在110℃下加热回流6h，离心分离、真空干燥24h后得到表面改性的铝颗粒。将铝颗粒加入到100mljp-10中并超声1h，制得含含能粒子的碳氢燃料。

将本发明实施例提供的新型碳氢燃料在室温下放置一周，肉眼观察，无沉淀及聚集现象发生，而对比例在放置2天后就出现沉淀和聚集现象。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。