[發明專利]用于研究熔渣沉積條件下Al-O-C體系反應動力學的實驗裝置

有效

• 申請號: 201710860023.3
• 申請日: 2017-09-21
• 公開（公告）號: CN107807065B
• 公開（公告）日: 2019-02-01
• 發明（設計）人: 劉洋;關軼文;李江;許團委
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01N5/04
• 分類號: G01N5/04;G01M15/14
• 代理公司: 陜西增瑞律師事務所 61219
• 代理人: 張瑞琪

本發明公開了用于研究熔渣沉積條件下Al?O?C體系反應動力學的實驗裝置，包括用于盛放反應物的鎢坩堝，鎢坩堝下方設置有氧?乙炔噴槍，鎢坩堝的頂部開口處設置有雙層頂蓋，雙層頂蓋的頂板通過導氣管連接至氬氣瓶，氬氣瓶用于提供氬氣，并在雙層頂蓋的頂板和底板之間形成氬氣冷卻屏障層；鎢坩堝內部底面上熱電偶，熱電偶連接至位于鎢坩堝外部的數據采集系統，通過本裝置可實現對固體火箭發動機內高溫環境下Al?O?C體系反應環境的模擬，同時消除了現有TG?DTA,TG?DSC等高溫設備不能達到的極限溫度，與氧化還原反應對儀器腐蝕的擔憂，從而達到了對固體火箭發動機內熔渣沉積條件下Al?O?C體系反應動力學機理探究的目的。

【技術領域】

本發明屬于火箭發動機技術領域，尤其涉及一種用于研究熔渣沉積條件下Al-O-C體系反應動力學的實驗裝置。

【背景技術】

隨著現代大推力運載火箭設計上對大裝藥量和長徑比的需求，越來越多的帶有潛入噴管結構的分段式固體火箭發動機在運載火箭基礎級動力中獲得了廣泛應用，如美國的大力神系列運載火箭固體助推器、航天飛機RSRM固體助推器、歐空局的阿里安-5火箭固體助推器，日本的H-2運載火箭固體助推器等。然而，隨著分段裝藥結構的設計與高金屬含量符合推進劑的采用，如圖1所示，使發動機在工作過程中會在裝藥分段處與潛入噴管背壁凹腔內形成強烈的回流，導致部分凝相顆粒在卷吸作用下與壁面碰撞沉積并形成熔渣，從而顯著影響桶段壁面與后封頭絕熱層的燒蝕，這對于發動機的長時間工作非常不利。

大量粒子沉積對壁面絕熱材料會產生熱化學與機械剝蝕的耦合燒蝕作用，而大量文獻表明，由于發動機內裝藥分段處與潛入噴管背壁區內回流區的存在，凝相顆粒流速較低，顆粒沉積之于絕熱材料的消耗作用主要以熱化學燒蝕為主。

近年來眾多學者對不同溫度條件下Al-O-C體系的反應熱力學進行了較多研究，根據反應時氧化鋁的狀態分為熔融態反應機理和固態反應機理。由于氧化鋁和碳的熔點分別為2312K，3929K，在火箭發動機近3500K的工作環境中其以熔融物與固態的形式存在，因此可初步判斷熔渣沉積之于絕熱材料的碳熱還原燒蝕過程應屬于熔融物-固相反應。

由于化學反應進行時總是有熱效應伴隨，而對于固體熔融物物質來說一般導熱系數都較小，因此在低溫下反應較難發生，反應很難達到平衡。為了研究固相體系在高溫條件下的反應特性，研究者們使用了各種高溫失重方法用以實驗探究，其中Ebrahimi-Kahrizsangi等已將TG-DTA技術成功應用于碳熱還原氧化物制取碳化物的動力學研究。有的利用XRD、TG/DTA技術采用不同升溫速率的差熱分析方法，研究了動態氬氣氣氛中碳熱法制取鋁硅合金的反應過程，并在此基礎上討論了其反應機理，其結果較好的揭示了反應過程中出現的反應現象。有的使用高溫加熱爐采用等溫分析法分別研究了碳熱還原氧化鍶與氧化鈦的反應動力學，給出了不同溫度下的反應活化能，并分析了反應體系的反應機理

綜上總結可知，國內外眾多學者對固-固、液-固間的反應機理做了大量的研究，但針對固體火箭發動機內Al-O-C-體系的反應動力學討論較少，且研究主要以冶金工程中出現的熱力學分析為主。由于固-固、固-液相反應體系的起始反應溫度較高，在反應動力學研究手段方面，眾多學者主要采用高溫管式爐實驗與熱力學計算軟件相結合的方法進行可行性方程假設與熱力學分析，同時結合高溫TG-DTA、TG-DSC等測試儀進行表觀活化能與指前因子的測定，最終得到反應動力學方程。

考慮到火箭發動機內的高溫環境與Al-O-C以熔融物相互作用為主導的反應體系，傳統的熱分析儀器無法滿足反應高溫的維持與實驗裝置在高溫條件下的穩定性。固我們有必要研究一套適合固體火箭發動機反應環境的實驗裝置，對氧化鋁液滴與炭化層相互作用的基本物理-化學規律進行深入研究。