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基于ReaxFF MD的AlH3基高能推进剂与Al基推进剂热解氧化机理对比OA

Comparative Study of Pyrolytic-Oxidation Mechanism of AlH3-Based High Energy Propellant and Al-Based Propellant Based on ReaxFF MD

中文摘要英文摘要

为了评估三氢化铝(AlH3)替代铝(Al)作为金属燃料的潜力并对比两类推进剂的热解氧化行为差异,构建了含有多种推进剂有机组分(GAP/NG/BTTN/HMX/CL-20)的纳米Al与 AlH3复合体系,基于ReaxFF分子动力学方法,模拟Al基推进剂(ASP)与 AlH3基高能推进剂(AHSP)在高温下的热解氧化过程;通过分析不同粒径与不同金属材料含量占比体系的温度、势能、径向分布函数、反应物、中间体、关键化学键和最终产物与颗粒形貌的演化特征,揭示了两类推进剂的热解氧化机理.结果表明,AHSP较ASP热解反应更为剧烈,其独特的"分解释氢-Al原子二次团聚"路径,在反应初期生成了大量高活性铝中间体与活性氢;同时AHSP中Al原子的迁移与团聚行为更显著,核层Al原子氧化快于ASP,内部形成更大空腔;从温度演化来看,AHSP体系较ASP反应前期温度上升更快,但反应后期体系温度较ASP低约220 K;从中间体演化来看,AHSP体系中OH自由基、NO2和AlO等关键中间体生成速率更快,反应进程前移;此外,AHSP生成的气态产物中H2O相对含量更高,CO2与N2相对含量较低.从微观层面揭示了 AlH3替代Al后推进剂热解氧化机理的区别,表明AHSP在反应速率及生成的中间体、气态产物均优于传统ASP.

To evaluate the potential of AlH3 as an alternative metallic fuel to Al and compare their pyrolysis oxidation behav-iors,Al-and AlH3-based propellant(ASP,AHSP)systems containing GAP/NG/BTTN/HMX/CL-20 were built.High tempera-ture pyrolysis oxidation of Al-based propellant(ASP)and AlH3-based propellant(AHSP)were simulated via ReaxFF molecular dynamics.The pyrolysis oxidation mechanisms were revealed by analyzing temperature,potential energy,RDFs,intermedi-ates,bonds,products and morphology of systems with different particle sizes and contents.The results show that AHSP pres-ents a more intense pyrolysis than that of ASP.Its unique characteristic of dehydrogenation and Al re-agglomeration pathway generates active Al intermediates and hydrogen in the initial reaction stage.Al atoms in AHSP migrate and agglomerate more significantly with faster core oxidation and larger cavities.AHSP shows a faster temperature increase than ASP during the early reaction phase,while there is 220K lower in the late stage.Key intermediates(OH,NO2,AlO)form faster,and the reaction proceeds earlier.AHSP yields more H2O and less CO2,N2.This work clarifies the mechanism difference caused by AlH3 repla-cing Al from the micro-scale view point,proving AHSP is superior to ASP in reaction rate,intermediates and gaseous products.

王鼎一;刘建忠;柴拉根;杨卫娟;周俊虎;李和平;王海鸥;王西博;何勇攀;冯牧野;温正城;李偲加;刘习坤

杭州电子科技大学能源研究所,浙江 杭州 310018浙江大学能源高效清洁利用全国重点实验室,浙江 杭州 310027北京动力机械研究所,北京 100074浙江大学能源高效清洁利用全国重点实验室,浙江 杭州 310027浙江大学能源高效清洁利用全国重点实验室,浙江 杭州 310027杭州电子科技大学能源研究所,浙江 杭州 310018浙江大学能源高效清洁利用全国重点实验室,浙江 杭州 310027北京动力机械研究所,北京 100074北京动力机械研究所,北京 100074南京工业大学 机械与动力工程学院,江苏南京 211816杭州电子科技大学能源研究所,浙江 杭州 310018杭州电子科技大学能源研究所,浙江 杭州 310018杭州电子科技大学能源研究所,浙江 杭州 310018

军事科技

物理化学分子动力学AlAlH3固体推进剂热解氧化三氢化铝ReaxFF

physical chemistrymolecular dynamicsAlAlH3solid propellantpyrolytic-oxidationaluminum hydriedRe-axFF

《火炸药学报》 2026 (4)

391-404,14

国家自然科学基金(No.U2441282)中国载人空间站工程空间科学与应用项目(No.KJZ-YY-NRS0603)

10.14077/j.issn.1007-7812.202602007

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