环境温度对Al/CuO热剂燃烧以及SCB引发的无间隙点火过程的影响

《Fuel》：Environmental temperature effects on the combustion of Al/CuO thermites and SCB-initiated gapless ignition

纳米thermite微管燃烧特性及极端温度适应性研究，采用Al/CuO和Al/AlH3/CuO体系在-60℃至60℃条件下考察燃烧速率及加压性能，发现Al/AlH3/CuO低温燃烧速率更优（230 m/s），并通过半导体桥（SCB）验证了与MEMS的兼容性。

　　

欧阳克尔|周旭轩|达永奇|沈琳燕|徐建兵|叶英华|沈瑞琪

南京科技大学化学与化学工程学院应用化学系，中国南京210094

摘要

随着军事领域对燃烧剂需求的增加，其应用背景涉及更多极端和特殊的环境，如高原山区和热带地区。因此，研究燃烧剂在极端温度环境下的燃烧稳定性和点火可靠性是必要的。本文研究了Al/CuO和Al/AlH₃/CuO在微管中的燃烧行为及其在不同温度（-60℃至60℃）下的加压性能。燃烧产物分析（SEM和XRD）反映了Al/CuO燃烧剂的反应效率。实验结果显示，Al/CuO在0℃时的燃烧速率最高（220.9 m/s），比20℃时的燃烧速率（193.6 m/s）高出约14%。当温度降至-60℃时，燃烧速率逐渐降至185.4 m/s。同时，通过向Al/CuO中添加一定量的AlH₃来替代铝作为燃料，可以增加气体流动。Al/AlH₃/CuO体系在整个温度范围（-60℃至0℃）内保持较高的燃烧速率（约230 m/s）。此外，将Al/CuO与半导体桥（SCB）阵列无间隙接触组装，进行了点火测试，进一步验证了Al/CuO与微机电系统（MEMS）的优异兼容性和适用性。

引言

亚稳态分子复合材料（MICs）通常由金属燃料和氧化剂组成。当氧化剂和燃料颗粒的尺寸处于纳米级别时，质量和热传递距离显著减小。与传统的燃烧剂和推进剂相比，其能量释放速率更高[1]，[2]，[3]，甚至接近炸药的爆速[4]。值得注意的是，由于燃烧剂在结构和能量释放方面的良好可调性，它们在军事领域具有广泛的应用潜力，包括点火和启动[5]，[6]，[7]，气体发生器[8]，[9]，[10]，基于MEMS的推进[11]，[12]，[13]，以及芯片上的纳米能源[14]，[15]。

目前，人们非常关注燃烧剂的结构控制和配方优化，以提高其输出性能[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]，[23]，[24]，[25]。然而，在将其应用于MEMS之前，考虑几个基本因素至关重要，这些因素包括颗粒大小、电荷密度、微通道直径、化学计量比以及不可忽视的环境条件。

Weismiller等人研究了燃料和氧化剂颗粒大小对燃烧剂燃烧传播过程的影响。结果表明，与铝颗粒相比，氧化剂颗粒的大小对燃烧速率的影响更大[26]。Bockmon等人的其他研究探讨了受限混合物中燃烧速率与铝颗粒大小的关系。结果表明，随着颗粒大小的减小，燃烧速率增加，但存在一个临界颗粒直径（80–110 nm），低于该直径时颗粒大小对燃烧速率没有影响[27]。在研究电荷密度时，Ahn等人调整了自制单轴压机的各种力（4905–19,620 N），以实现38–82%的TMD颗粒密度。研究发现，随着密度的增加，燃烧速率和加压速率显著降低[28]。在我们之前的研究中，Wang等人改变了电荷密度（0.8–1.8 g/cm³）和管径（0.3–2 mm），研究了Al/CuO的燃烧行为。结果表明，燃烧速率随电荷密度的增加和管径的减小而降低[29]。Son等人的进一步研究探讨了微通道直径和材料对燃烧速率的影响。他们得出结论，在设计的直径（0.5–3.5 mm）范围内，燃烧速率随管径的增加而增加[30]。此外，由于钢具有较高的导热性，其在钢微通道中的燃烧速率低于在硼硅酸盐玻璃管和丙烯酸管中的燃烧速率。

由于军事战略需求，燃烧剂的应用背景已经扩展到不仅包括低压力和低温区域（如高原山区和太空中的低地球轨道），还包括高温区域（如热带地区）。这对燃烧剂在相应环境中的稳定性和可靠性提出了新的要求。作为一种经典的快速放热系统，燃烧剂反应在极端环境下的机制仍存在许多未解决的问题。关于燃烧剂在低压下的燃烧性能研究，Asay等人发现，在密度恒定的情况下，Al/MoO₃的燃烧速率不受空气压力的显著影响[31]。Zhou等人采用简单的3D直接书写方法制备了90 wt%高负载量的Al/CuO纳米燃烧剂薄膜。低压燃烧结果表明，薄膜的自维持燃烧速率可以在不同的空气压力环境中进行调整和控制。空气压力越低，燃烧速率越低[32]。

关于燃烧剂在极端温度环境下的适应性问题，目前的研究还有限，需要认真和及时地解决。通过系统地研究初始温度对Al/CuO体系燃烧特性的影响，本研究旨在阐明温度如何调节燃烧剂的能量释放曲线。在本研究中，Al/CuO和Al/AlH₃/CuO是通过简单的超声混合（USM）制备的。通过调节试验室的温度，研究了Al/CuO和Al/AlH₃/CuO在微管中的燃烧行为及其在不同温度（-60℃至60℃）下的加压性能。对Al/CuO和Al/AlH₃/CuO的燃烧产物进行了结构和元素组成的表征。基于实验结果，从气体渗透性的角度分析了温度对燃烧速率的影响。最后，将样品与半导体桥（SCB）阵列无间隙接触组装，进行了点火测试，以进一步评估Al/CuO与MEMS的兼容性。这项工作不仅对于揭示纳米燃烧剂在微管中不同温度下的热传递行为具有重要意义，而且对于验证其在各种环境要求下的巨大应用潜力也非常重要，特别是在基于MEMS的微推进器中。同样，本研究获得的数据将为建立理论模型以预测不同环境温度下高能材料的燃烧行为提供有价值和基础的实验支持。

材料

铝纳米颗粒（Al NPs，约100 nm）购自上海奈欧纳米科技有限公司。Al NPs的TGA曲线通过热重分析确定（如图S1所示），活性铝的质量含量约为69.6%。氧化铜纳米颗粒（CuO NPs，约40 nm）也购自上海奈欧纳米科技有限公司。用作燃料的铝氢化物（AlH₃，40–80 μm）购自洛阳化学工程研究院。

形态和化学成分分析

Al/CuO和Al/AlH₃/CuO的显微图分析见图2(a)和(b)。如图2(a)所示，根据铝、铜和氧的元素分布图，Al NPs和CuO NPs在体系中均匀混合，表明通过USM制备的Al/CuO具有高分散性。在图2(b)中，由于系统中加入了较大尺寸的AlH₃，Al/AlH₃/CuO出现了明显的团聚现象，并且可以观察到AlH₃颗粒。

结论

为了解决关于纳米燃烧剂在极端温度环境下适应性的有限研究问题，本文通过简单的超声混合制备了Al/CuO和Al/AlH₃/CuO，并研究了它们在不同温度（-60℃至60℃）下的燃烧行为和加压性能。此外，还对燃烧产物进行了结构和元素组成的表征。结果表明，在

CRediT作者贡献声明

欧阳克尔：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，验证，软件，方法学，研究，概念化。周旭轩：软件，形式分析。达永奇：验证，研究。沈琳燕：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。徐建兵：监督，资源提供。叶英华：撰写 – 审稿与编辑，资源提供，研究，资金获取，概念化。沈瑞琪：监督，方法学，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：22275092）的支持。