周晓杨，王艳萍，徐星星，胡 翔，唐 根，郭 翔，庞爱民

(湖北航天化学技术研究所，襄阳 441003)

0 引言

作为一种新兴金属燃料二元共价化合物三氢化铝(AlH3)室温下是亚稳态结晶固体，其体积储氢为0.148 kg/L，质量储氢为10.08%，密度为1.48 g/cm3，标准摩尔生成焓为-11.8 kJ/mol，绝对熵为30.0 kJ/(mol· ℃)，标准生成摩尔吉布斯自由能为45.4 kJ/mol[1]。AlH3有较高的选择还原性，可使它用作储氢材料、燃料电池的氢源和聚合催化剂；其高燃烧热和比冲又可使它用作固体推进剂和固液混合推进剂的高能添加剂[2-4]。在固体推进剂中采用AlH3代替Al粉，可使比冲提高10 s左右；在固液推进剂中用AlH3代替Al粉，可使比冲提高32 s左右；液体推进剂中添加AlH3，，可使比冲提高27 s左右[5]；以AlH3、AND(二硝酰胺铵)和含能粘合剂组成的固体推进剂，其标准理论比冲可达294 s[6]，比传统固体推进剂高20%～25%，且环保洁净，可用作典型的高能低特征信号和洁净推进剂的添加剂。2004年，俄罗斯报道了一种含AlH3的高能固体推进剂，其中AlH3含量为6%～27%，该固体推进剂具有较低感度、较高热稳定性[7]。

目前，由于AlH3制备工艺的限制，导致了不同批次AlH3的品质和颗粒粒度存在着较大的差异，将AlH3加入到固体推进剂中，会导致AlH3固体推进剂出现感度偏高、成药性能较差等相关问题，这对AlH3在固体推进剂中的应用产生了极大影响。因此，本文主要研究AlH3的品质和颗粒粒度与AlH3固体推进剂安全性能和成药性能间的相关性，找出影响AlH3固体推进剂安全性能和成药性能的主要因素。

1 实验

1.1 固体推进剂配方

本实验用的AlH3固体推进剂的配方组成见表1。

1.2 实验用原材料

CL-20(ε型)，中国兵器工业集团公司375厂；氧化剂AP，大连北方氯酸钾厂；金属燃料Al粉，西安航天化学动力厂；AlH3，湖北航天化学技术研究所；功能助剂及小组分添加剂，湖北航天化学技术研究所。

1.3 实验用仪器设备

扫描电子显微镜：美国FEI公司生产的Quanta 650型扫描电子显微镜。

激光粒度分析仪：珠海欧美克仪器公司生产的TopSizer型。

感度测试仪：国产WL-1型落锤撞击感度仪。

无桨离心混合机：德国Flack Tek公司生产的SpeedMixed DAC 150.1 FVZ-K型无桨混合机。

表1 AlH3固体推进剂配方组成

1.4 实验方法

(1)AlH3表面形貌

选取少量的AlH3样品置于扫描电镜中，在15 kV加速电压、小于10～5 Pa真空度及12 mm工作距离等条件下，观察不同放大倍数下AlH3样品的表面形貌。

(2)AlH3粒度分析

采用可测粒径范围为0.02～2000 μm的激光粒度分析仪对AlH3样品进行粒度测试，测试结果以3次平行测定结果的算数平均值表示。

(3)撞击感度测试

在当前高职院校大学生毕业创业存在的主要问题和关键瓶颈方面，主要存在缺乏资金、缺乏工作经验、缺乏社会资源和缺乏相应的专业知识等关键问题。占八成的学生想创业但缺乏创业资金；六成的学生认为缺乏工作经验和缺乏社会资源；43%的学生认为缺乏相应的专业知识。通过走访调研，尽管当前各级政府为大学生创业提供了创业种子基金、贷款优惠、税收优惠等政策，但依然难以真正解决大学生对创业资金的缺乏问题，与此同时，广大大学生对政府资金扶持政策了解不多也是一大主要问题，存在信息的不对称问题。在大学生专业技能方面，也还需要在创业教育融入专业知识教学中等方面加大力度。

将AlH3固体推进剂各组分称量并混合均匀后，参照航天行业标准QJ 3039—1998，采用特性落高法测AlH3样品50%爆发的临界撞击能，即撞击感度。

(4)含AlH3固体推进剂成药性能

根据固体推进剂配方设计要求，准确称量各组分于容器中，前期在容器内进行预混、接着用无桨混合机混合、混合均匀后放置在烘箱中固化数天，冷却后即得到固体推进剂药块。

2 结果与讨论

2.1 不同批次AlH3的表面形貌

不同批次AlH3的表面形貌如图1所示。由图1可知，不同批次AlH3的表面形貌差异很大。其中，SA-002批和SA-003批AlH3均为非球形颗粒，且含大量杂晶；SA-005批为非球形颗粒，且表面有较多缺陷。SA-001批AlH3表面缺陷少且不含杂晶，但为非球形颗粒；而SA-004批AlH3表面形貌较好、不含杂晶且为近球形颗粒。

2.2 不同批次AlH3的粒度

采用激光粒度分析仪对不同批次的AlH3样品进行粒度测试，测试结果如表2所示。

表2 不同批次AlH3样品的粒度

由表2可看出，SA-001批～SA-005批AlH3的粒度逐渐增大，而SA002批中D(4,3)的值偏大的可能原因是体系中存在的大量棒状结晶。

2.3 含不同批次AlH3固体推进剂的安全性能

在现有固体推进剂配方体系中，等量使用上述5个批次的AlH3部分取代固体推进剂中的金属Al粉，制备含AlH3的固体推进剂，测试含不同批次AlH3固体推进剂的撞击感度及摩擦感度，测试结果见表3。

表3 含不同批次AlH3固体推进剂的安全性能

AlH3自身撞击感度并不高，其临界撞击能I50>49 J，但在固体推进剂中应用，会导致固体推进剂的机械感度急剧升高。固体推进剂感度升高的原因是AlH3和固体推进剂中的GAP、NG/BTTN等发生相互作用。AlH3会使GAP的裂解不经过亚胺阶段而直接形成伯胺，缩短GAP分解历程，且AlH3能促进NG/BTTN中O—NO2的断裂及热分解中间产物醛或酮的进一步分解；GAP和NG/BTTN的存在会使AlH3的分解释氢更加容易，分解更加迅速。因此，AlH3固体推进剂的感度很高[8]。由于AlH3的初期分解主要是发生在其晶体的缺陷表面上，故AlH3晶体表面形貌的不同会导致AlH3初期分解机理的差异，从而使AlH3同固体推进剂中组分GAP、NG/BTTN的相互作用发生变化，表现出的就是含AlH3固体推进剂感度上的差异。这被认为是AlH3品质影响固体推进剂感度的主要原因。

(a)SA-001批

(b)SA-002批

(c)SA-003批

(d)SA-004批

(e)SA-005批

2.4 含不同批次AlH3固体推进剂的成药性能

含不同批次AlH3固体推进剂药块状态见图2。由图2可看出，所有批次AlH3固体推进剂的成药性能均不是十分理想，药块中都存在着数量不一的气孔。但相比于SA-001批和SA-002批，SA-003、SA-004、SA-005三个批次的固体推进剂成药性能更佳，药块较为致密紧实，气孔含量少。

(a)SA-001批

(b)SA-002批

(c)SA-003批

(d)SA-004批

(e)SA-005批

AlH3会与固体推进剂中的GAP和NG/BTTN发生作用，从而使固体推进剂药浆在固化过程中不断的缓慢释放出H2及其他气体，从而使固化后的推进剂药块中存在一定数量的气孔。因此，AlH3在固体推进剂中与GAP和NG/BTTN的相互作用越强，单位时间内H2及其他气体的释放量就越多，则固体推进剂的成药性能越差。

2.5 AlH3品质和粒度与固体推进剂安全性能及成药性能相关性分析

通过数据对比，简要分析AlH3粒度、品质与AlH3固体推进剂安全性能和成药性能间的相关性，其结果见图3和图4。为便于比较分析，根据AlH3电镜照片和AlH3固体推进剂成药性能结果，用数字1～5代表5个批次AlH3的品质和成药性能好坏，其中数字越大，表示AlH3的品质和成药性能越好，则5个批次AlH3样品品质好坏排序为4、1、2、5、3，成药性能好坏排序为1、2、4、5、3。

图3 AlH3粒度对AlH3固体推进剂安全性能和成药性能相关性分析

图4 AlH3品质对AlH3固体推进剂安全性能和成药性能相关性分析

由图3可看出，AlH3的粒度与AlH3固体推进剂安全性能没有直接相关性，而与成药性能有一定的联系。在一定的粒度范围内，随着AlH3粒度的增加，AlH3固体推进剂的成药性能变好，超过一定的粒度范围后，成药性能恶化。由图4可看出，AlH3的品质与AlH3固体推进剂安全性能有正相关性，而与成药性能没有直接相关性。AlH3的品质越好，AlH3固体推进剂的安全性能越高。

因此，通过对比分析可知，AlH3品质影响AlH3固体推进剂安全性能，而AlH3粒度在一定程度上影响着AlH3固体推进剂成药性能。

3 结论

(1)AlH3的品质影响AlH3固体推进剂的安全性能，而AlH3的粒度在一定程度上影响着AlH3固体推进剂的成药性能。

(2)不同批次AlH3的表面形貌、纯度及颗粒规整度等均存在较大差异，即不同批次生产的AlH3的品质差异很大，对AlH3在固体推进剂中的实际应用会产生极大影响。