一种无人水下航行器用Al-LiH复合燃料及其制备方法
技术领域
本发明属于水下航行器用燃料技术领域，特别涉及一种无人水下航行器用Al-LiH复合燃料及其制备方法。
背景技术
海洋对于我国的战略意义非常重要，对海洋资源的开发利用，维护我国海洋权益等需要各种高技术手段，捍卫国家安全、建设海洋强国、更需要有尖端技术。水下航行器技术正是实现以上目的的重要手段，是各国备受重视的领域。
动力系统决定着水下航行器的整体设计和续航能力，其续航能力大小，航深、航速、传感器携带多少都取决于能源与动力系统性能。以铝/水燃烧为基础水下混合动力系统具有能量密度高、可长时间工作的特点，所需氧化剂可从海水中摄取，在系统中省去了氧化剂及氧化剂贮箱，反应后产生H2可用于燃料电池或循环使用的特点，近年来成为各国研究的热点。
铝粉的供给方式主要为载气/载液给料。采用载气/载液给料方式是指将铝粉粉末分散在高压的载气或者载液中，然后一起随着高压载气/载液进入燃烧室与水蒸气发生剧烈反应，因为高压载气/载液所占空间不大，从而使进入燃烧室内的铝粉含量高，提高了动力系统的性能。但是，进入燃烧室的金属燃料初始燃烧温度低，在低温下铝粉很难与水发生反应，加上铝粉表面的氧化膜在2600K以上才会熔化，因此要先将铝粉加热到熔融或者气化状态，然后使之进入燃烧室与高温水蒸气迅速反应放出大量的热量和产生大量氢气。但这会导致系统比较复杂，对结构紧凑性及动力系统要求较高的水下航行器带来了致命打击。
已有的研究表明，金属铝与水燃烧转化率并不高，主要原因是：
(1)铝很活泼，反应活性高，置于空气中容易被氧化，表面生成的致密氧化膜阻止了反应进行；
(2)即便去除了表面氧化膜，其与水燃烧生成的Al2O3也会继续附着在未反应的铝表面，阻碍了反应的持续进行，降低了反应速率及反应转化率；微米级别的金属铝粉与水反应启动十分困难，通常在1000℃左右的高温下才能认为铝粉与水蒸气的反应发生；
(3)为了提高反应活性，有研究采用纳米铝粉，但纳米铝粉比表面积大，活性铝含量低，导致推进系统能量性能降低，同时纳米铝粉存在团聚现象，且成本较微米铝粉大幅度增加(约为微米铝粉的20～50倍)。
因此，如何去除铝粉表面及反应过程中氧化物实现铝粉与水持续高效燃烧是国内外研究的重点与难点，也是先进水下动力系统需要首先解决的关键技术。
发明内容
本发明的目的在于克服现有以铝/水燃烧反应为基础的混合动力系统的上述不足，提供一种高能量、高密度、与水能够快速启动、高效燃烧、且产氢量大的燃料及其制备方法，从而完成本发明。
本发明设计思想是：通过球磨将氢化锂(LiH)弥散分布到铝(Al)粒子中，制备出与水燃烧反应过程中具有微爆性能的Al-LiH复合燃料。利用LiH与水快速反应放出H2使Al-LiH颗粒不断爆裂成更小颗粒，粉体表面不断暴露出新鲜铝并增加反应比表面积，同时LiH与水反应后产物氢氧化锂(LiOH)可与三氧化二铝(Al2O3)进一步反应不断去除反应过程中铝粉表面氧化物来增加内部新鲜Al与水反应通道，从而提升Al粉燃烧效率，为水下混合动力系统提供技术支撑。
本发明提供了的技术方案如下：
第一方面，一种Al-LiH复合燃料，其为包括主相铝(Al)与分散相氢化锂(LiH)的粉末，其中LiH弥散分布于铝粉内。
第二方面，一种Al-LiH复合燃料的制备方法，用于制备上述第一方面所述的用Al-LiH复合燃料，包括：称取铝粉与氢化锂，混合均匀后装入球磨罐内，密封后在球磨机内球磨，制得Al-LiH复合燃料。
根据本发明提供的一种无人水下航行器用Al-LiH复合燃料及其制备方法，具有以下有益效果：
本发明中，通过将LiH弥散分布到Al粒子中，制备出与水燃烧反应过程中具有微爆性能的Al-LiH复合燃料。利用LiH与水快速反应放出H2使Al-LiH颗粒不断爆裂成更小颗粒，粉体表面不断暴露出新鲜铝并增加反应比表面积，同时LiH与水反应后产物LiOH可与Al2O3进一步反应不断去除反应过程中铝粉表面氧化物来增加内部新鲜Al与水反应通道，从而提升Al粉燃烧效率，获得的Al-LiH复合燃料具有高能量、高密度、与水能够快速启动、高效燃烧、且产氢量大。
附图说明
图1是采用球磨法制备的实施例4中的Al-LiH复合燃料的SEM电镜图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
根据本发明的第一方面，提供了一种无人水下航行器用Al-LiH复合燃料，其为包括主相铝(Al)与分散相氢化锂(LiH)的粉末，其中LiH弥散分布于Al粉内。
优选地，Al-LiH复合燃料为由主相铝与分散相氢化锂组成的粉末。Al和LiH的质量百分比为：
Al:50％～97％；优选为70％～97％，80％～95％。
LiH:余量，优选为3％～50％。
本发明中，Al-LiH复合燃料的中值粒径D50为0.1μm～50μm。粒径对复合燃料的燃烧性能及能量性能至关重要，若粒径过小且低于要求的范围，则粉体活性太强，在储存及使用过程中易与空气中氧气水蒸气等发生反应，影响其能量性能；若粒径过大且超过要求的范围，则影响其燃烧效率。
本发明中，Al-LiH复合燃料与高温水蒸汽燃烧反应转化率可达83.0％～98.5％。
根据本发明的第二方面，提供了一种无人水下航行器用Al-LiH复合燃料的制备方法，用于制备上述第一方面所述的Al-LiH复合燃料，包括：称取铝粉与氢化锂，混合均匀后装入球磨罐内，密封后在球磨机内球磨，制得Al-LiH复合燃料。
其中，铝粉为微米铝粉，其规格为FLQT1(中值粒径29±3μm)、FLQT2(中值粒径24±3μm)、FLQT3(中值粒径13±2μm)、FLQT4(中值粒径6±1.5μm)、FLQT5(中值粒径2±1μm)中的任意一种或几种组合。
其中，氢化锂为微米级，中值粒径D50为1μm～2μm。
本发明中，球磨机为行星球磨机、卧式球磨机或圆锥球磨机中任意一种。
研磨时，球料比(即球磨机的磨球与物料的质量比)为(10～50)：1。
球磨机的转速为200r/min～400r/min，球磨时间为30min～10h。
研究发现，铝粉和氢化锂的粒径、转速、球磨时间与LiH在Al粉中分散状态极为相关，铝粉和氢化锂的粒径在上述范围内，通过优化球磨工艺，可实现LiH在Al粉中弥散分布。若转速低于且球磨时间短于上述范围，则LiH难以弥散分布于Al粉中；若转速高于且球磨时间长于上述范围，则粒径过小，铝粉比表面积大，易氧化，燃烧效率低。
实施例
实施例1
手套箱内将9.7g FLQT5铝粉，0.3g LiH(D50为2μm)混合均匀后倒入球磨罐内，将球磨罐密封后取出，在行星球磨机上以转速200r/min，球磨30min，球料比为50：1，制得Al-LiH复合燃料，中值粒径为2μm。测得Al-LiH复合燃料密度：2.52g/cm3，与高温水蒸汽燃烧反应转化率：83.0％，充氧燃烧热30MJ/kg。
实施例2
手套箱内将5g FLQT3铝粉，5g LiH(D50为1.5μm)混合均匀后倒入球磨罐内，将球磨罐密封后取出，在行星球磨机上以转速300r/min，球磨5小时，球料比为40：1，制得Al-LiH复合燃料，中值粒径为5μm。测得Al-LiH复合燃料密度：1.23g/cm3，与高温水蒸汽燃烧反应转化率：98.5％，充氧燃烧热33.8MJ/kg。
实施例3
手套箱内将7.35g FLQT1铝粉，2.65g LiH(D50为2μm)混合均匀后倒入球磨罐内，将球磨罐密封后取出，在行星球磨机上以转速400r/min，球磨7小时，球料比为15：1，制得Al-LiH复合燃料，中值粒径为22μm。测得Al-LiH复合燃料密度：1.65g/cm3，与高温水蒸汽燃烧反应转化率：96.3％，充氧燃烧热32.1MJ/kg。
实施例4
手套箱内将45g FLQT1铝粉，5g LiH(D50为2μm)混合均匀后倒入球磨罐内，将球磨罐密封后取出，在行星球磨机上以转速300r/min，球磨10小时，球料比为30：1，制得Al-LiH复合燃料，中值粒径为11μm，SEM电镜图如图1所示。测得Al-LiH复合燃料密度：2.18g/cm3，与高温水蒸汽燃烧反应转化率：94％，充氧燃烧热31.2MJ/kg。
实施例5
手套箱内将30g FLQT3铝粉，20g LiH(D50为1μm)混合均匀后倒入球磨罐内，将球磨罐密封后取出，在行星球磨机上以转速200r/min，球磨8小时，球料比为10：1，制得Al-LiH复合燃料，中值粒径为32μm。测得Al-LiH复合燃料密度：1.38g/cm3，与高温水蒸汽燃烧反应转化率：98％，充氧燃烧热32.9MJ/kg。
实施例6
手套箱内将32.5g FLQT3铝粉，17.5gLiH(D50为2μm)混合均匀后倒入球磨罐内，将球磨罐密封后取出，在行星球磨机上以转速250r/min，球磨2小时，球料比为20：1，制得Al-LiH复合燃料，中值粒径为47μm。测得Al-LiH复合燃料密度：1.47g/cm3，与高温水蒸汽燃烧反应转化率：97.5％，充氧燃烧热33.0MJ/kg。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
