冷却通道表面处理对超临界烃热裂解结焦的抑制作用

摘要

实现高超音速飞行需要解决推动力和热障两大难题。吸热燃料既可通过燃烧提供动力，又可作为冷却剂满足冷却要求，具有巨大的应用前景。但燃料裂解过程中不可避免发生结焦，成为制约其应用的一个主要因素，是实现飞行器高超音速飞行急需解决的问题。
　　本文采用预氧化、制备MOCVD涂层等方法对321＃不锈钢管(?3mm×0.5mm)进行表面处理，并对预处理管的性质进行了系统研究，利用超临界RP-3的热裂解反应为探针，研究表面处理的裂解结焦行为。
　　预氧化反应管表面性质不同，结焦行为有异。600~800oC预氧化管Cr氧化物不断向金属表面迁移，Fe、Ni氧化物向金属内部迁移，降低结焦，但同时产生大量空缺位提供渗碳通道，最终导致结焦量虽依次降低仍高于空管，只有900oC预氧化管表面形成一层致密的Cr2O3膜才得以抑制，几乎不生成纤维碳。
　　以仲丁醇铝为原料，采用MOCVD法，在不锈钢管内壁制备了厚度为318-1280nm的Al2O3涂层。XRD结果显示Al2O3涂层本质上为无定形态。随着涂层厚度从318nm增加到1280nm，涂层的结焦抑制率从37％提高到69%。TPO和SEM的分析结果表明Al2O3涂层不仅抑制金属催化焦的形成，也抑制芳烃聚合焦的生成。
　　对比MOCVD法制备的1μm厚的Al2O3、TiO2和ZrO2三种涂层，结焦抑制率分别为64%、60%和23%。ZrO2涂层由于抗热冲击性能较差，高温下从金属表面剥落，抑制结焦效果较差。
　　涂层同时抑制催化焦炭和裂解焦炭形成的机制在于：涂层能够覆盖金属表面活性位点，在烃类小分子和金属表面之间创建一层障碍物，抑制催化焦炭形成，而裂解结焦通常生成于催化焦活性位点周围，随后一并得到抑制。

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第一章 文献综述

1.1 吸热燃料概述

1.2 结焦研究

1.3 材质表面处理

1.4 涂层制备

1.5本课题研究的思路及内容

第二章 实验部分

2.1 冷却通道表面处理

2.2 超临界热裂解反应实验装置

2.3 分析及表征方法

第三章 预氧化处理对超临界烃热裂解结焦性能的影响

3.1预氧化管的表征

3.2 预氧化处理的结焦行为

3.3 焦炭性质分析

3.4 本章小结

第四章 Al2O3涂层制备及对超临界烃热裂解结焦性能的影响

4.1 工艺参数对Al2O3涂层形貌的影响

4.2 不同厚度Al2O3涂层的表征

4.3 不同厚度涂层的抑制结焦行为

4.4 焦炭性质分析

4.5 本章小结

第五章 MOCVD涂层对超临界烃热裂解结焦的抑制行为及机理研究

5.1 TiO2和ZrO2涂层的表征

5.2 三种氧化物涂层的抑制结焦行为

5.3 焦炭性质分析

5.4 涂层抑制结焦机理研究

5.5 结论

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 建议及展望

参考文献

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