一种水反应金属燃料配方及其使用方法与流程

本发明属于燃料技术领域，具体地涉及一种水反应金属燃料配方及其使用方法。

背景技术：

水反应金属燃料例如铝、镁等在水下推进和空间推进中应用前景广阔，相对于其它燃料，水反应金属具备较高的能量密度，且绿色无污染。在新能源领域，金属燃料与水反应作为氢气的制备来源也有很好的应用前途。

国内外学者对铝/水、镁/水的燃烧特性进行了较多的研究。为了得到均匀的金属粉/液态水体系，一般使用凝胶剂增大液态水的粘稠度，使金属粉可以悬浮在液态水中，常用的凝胶剂有聚丙烯酰胺(pam)和聚丙烯酸-丙烯酰胺(paa)。金属粉/凝胶体系需要较长时间搅拌才能均匀混合，而混合后的体系在常温下又不能长期保持稳定，这给存储及实际应用带来了严重困扰。另外，镁粉和纳米铝粉等在常温下即可与水自发反应，这些金属燃料和水的预先混合是不现实的。有学者提出通过低温抑制金属粉与水的自发反应，并利用水冰保持金属粉的稳定分布，但金属粉/水冰体系需要低温储存，实际使用中面临着很大困难。从应用角度出发，人们更希望可以快速建立金属粉/液态水的混合体系，以达到即用即混的目的。

针对金属粉/液态水体系的应用难题，本发明提出了一种新的水反应金属燃料配方，并给出了其使用方法，该配方和使用方法能够实现金属粉与液态水的快速、均匀混合。

技术实现要素：

针对现有技术中直接存储金属粉和液态水的混合物，两者低温下会缓慢反应，无法长期存放，此时液态水也占质量，存储过程中能量密度也较低，进而导致实际使用中面临着的问题，本发明的目的在于提供一种水反应金属燃料配方及其使用方法。

本发明采取的技术方案为：

一种水反应金属燃料配方，具体包括如下组分：

由金属粉、高吸水树脂粉混合组成的金属燃料混合物，所述金属燃料混合物中高吸水树脂粉添加量为金属粉质量的0.2-2％。

进一步的，所述金属粉是指镁粉、铝粉、锆粉或铍粉中任意一种；优选地，所述金属粉为铝粉。

进一步的，所述高吸水树脂(superabsorbentpolymer，sap)主要成分为低交联型聚丙烯酸钠，其粒径小于100目；优选地，所述高吸水树脂粉的粒径为200目。

一种水反应金属燃料配方的使用方法，具体包括如下步骤：

(a)存储状态：将金属燃料混合物放置在燃烧室内，燃烧室内预留剩余空间；

(b)加水状态：向燃烧室内供应指定体积的液态水，填满燃烧室剩余空间，加入的液态水通过渗透作用进入金属燃料混合物的孔隙中；

(c)金属燃料混合物与水完成混合状态：吸水后的金属燃料混合物填满燃烧室，且吸水后的金属燃料混合物具备点燃和维持燃烧的条件；

(d)燃料燃烧状态：进行点火，燃料呈燃烧状态，燃烧喷出物从喷管中喷出，完成该方案的实施过程。

进一步的，所述步骤(a)中燃烧室的剩余体积充入惰性气体或空气，在无水的环境下，金属燃料混合物放置时间延长。

进一步的，所述步骤(a)中金属燃料混合物直接储存在燃烧室中，或先存放在另外的储粉装置内，使用时再送入燃烧室。

进一步的，所述步骤(a)中燃烧室内预留剩余空间为燃烧所需液态水的体积，通过计算得到金属燃料混合物的配比、燃烧室中金属燃料混合物的体积。

进一步的，所述步骤(b)中，通过在金属燃料混合物内部构建供水通道的方式，增大液态水进入金属燃料混合物的速度。进一步的，所述步骤(b)中，燃烧室内设置有供水通道，供水通道包括进水管、主供水管和次级供水管，进水管沿着燃烧室的中心轴呈同轴排布设置，主供水管沿着进水管的外壁向外呈分散性排布设置，每根主供水管自上而下延伸排布设置为数条次级供水管，次级供水管上开设微孔。

更进一步的，所述供水通道采用金属铝材质或其他高温下易分解的材料制备而成，所述高温下易分解的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

本发明的有益效果为：

1、本发明的燃料为金属粉和高吸水树脂粉的混合物，两种材料兼容性良好，可长期存放。

2、本发明的燃料中金属粉的质量含量在98％以上，能量密度大。

3、本发明的燃料可与水快速混合，将水分布在燃料内，得到一个均匀的混合体系。

4、本发明的燃料配方组成材料易于获得，成本低廉，使用简单，容易实施。

5、本发明的燃料与水混合后，具备启动和维持反应的条件。

附图说明

图1示出了高吸水树脂粉吸水前的显微照片，显微镜放大倍数40。

图2示出了高吸水树脂粉吸水后的显微照片，显微镜放大倍数40，吸水质量为自身质量的100倍。

图3示出了本发明的燃料(铝粉和低交联型聚丙烯酸钠粉的混合物)与水混合后被点燃并持续燃烧的现象以及燃烧后的产物形态。

图4示出了本发明一种实施方式中不同阶段的状态示意图。

图4中，(a)、存储状态；(b)、加水状态；(c)、金属燃料混合物与水完成混合状态；(d)、燃料燃烧状态；

图5示出了本发明中供水通道布置方式示意图；

图6示出了本发明中供水通道整体结构示意图；

其中，1、燃烧室进水口；2、燃烧室；3、喷管；4、液态水；5、金属燃料混合物；6、点火药；7、吸水后的金属燃料混合物；8、燃烧喷出物；9、供水通道；10、进水管；11、主供水管；12、次级供水管。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明作进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在本发明的一种实施方式中，图1和图2所示为高吸水树脂粉吸水前后的显微镜照片，放大倍数40。高吸水树脂粉能够在30秒内吸收自身质量数百倍的无离子水并将其固定，使液态水成为类似水颗粒的形态。因此，可以将高吸水树脂粉和金属粉预先混合，需要的时候再加入水，形成金属粉/液态水的均匀混合体系。图3所示，为燃料(铝粉和低交联型聚丙烯酸钠粉的混合物)与水混合后被点燃并持续燃烧的现象以及燃烧产物的形态，这种燃料与水的混合物可以被点燃并稳定燃烧。

由前期实验研究结果，本发明得到了一种水反应燃料配方，即均匀混合的金属粉和高吸水树脂粉。

本发明的又一实施例，如图4所示，在图4的4个阶段之前，需要将金属粉和高吸水树脂粉均匀混合。

阶段(a)为存储状态，此时金属燃料混合物5放置在燃烧室2内，燃烧室2的剩余体积可以充入惰性气体或空气，在无水的环境下，金属燃料混合物5可以长时间存放。

当使用时，进入阶段(b)加水状态，通过燃烧室进水口1向燃烧室2内供应指定体积的液态水4，填满燃烧室2剩余体积。加入的液态水4由于渗透作用会进入金属燃料混合物5的孔隙中，其中的吸水树脂粉吸水后膨胀，使得燃烧室内被吸水后的金属燃料混合物7填满。

此时进入阶段(c)金属燃料混合物与水完成混合状态，该阶段的吸水后的金属燃料混合物7已经具备点燃和维持燃烧的条件。

最后，用点火药6进行点火，进入阶段(d)燃料燃烧状态，燃烧喷出物8从喷管3中喷出，完成该方案的实施过程。

本发明的又一实施例，在阶段(a)的实施过程中，金属燃料混合物5既可以直接储存在燃烧室2中，也可以先存放在另外的储粉装置内，使用时再送入燃烧室2。燃烧室2的剩余体积为燃烧所需液态水4的体积，金属燃料混合物5中所含的高吸水树脂应能吸收液态水4，可以通过计算得到金属燃料混合物5的配比、燃烧室2中金属燃料混合物5的体积。

本发明的又一实施例，在阶段(b)的实施过程中，可以采取一些措施增大液态水4进入金属燃料混合物5的速度，如对燃烧室2，在金属燃料混合物5内部构建供水通道，供水通道可以增大渗水面积。

本发明的又一实施例，如图5和图6所示，步骤(b)加水状态中，燃烧室2内设置有供水通道9，供水通道9包括进水管10、主供水管11和次级供水管12，进水管10沿着燃烧室2的中心轴呈同轴排布设置，主供水管11沿着进水管10的外壁向外呈分散性排布设置，每根主供水管11自上而下延伸排布设置为数条次级供水管12，次级供水管12上开设微孔。

供水通道9采用金属铝材质或其他高温下易分解的材料制备而成，所述高温下易分解的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。

在步骤(b)加水状态，一部分水直接通过燃烧室进水口1供入至燃烧室2，另一部分水经过进水管10，流经主供水管11，再分散进入次级供水管12，最终通过次级供水管12上开设的微孔，进入金属燃料混合物5中。

供水通道9采用金属铝材质制备而成，在步骤(d)燃料燃烧状态的过程中，铝材质也可以作为燃料燃烧。同时也可选择其他高温下易分解的材料，如聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methylmethacrylate)，简称pmma，又称亚克力或有机玻璃)等。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。