1、毕业论文文献综述 高分子材料与工程 镍及金属氧化物对烃类裂解结焦的催化作用 高超声速飞行器的研制己成为当今世界航空航天领域发展的热点，受到高度重视。飞机在超音速和高超声速飞行时蒙皮温度要远高于亚声速飞行时的温度。随着飞行速度的增加，粘性阻滞导致温度升高，使得热负荷成倍增加，这对材料的耐温性能提出了更为苛刻的要求。飞行器的热管理问题已成为高超声速飞行器发展过程中亟待解决的关键问题。 随着研究的深入，吸热型碳氢燃料逐渐被人们所认识。 研究吸热型碳氢燃料的裂解，关键在于裂解催化剂的研究。根据热力学数据可知，燃料裂解 生成乙烯、丙烯和丁烯等不饱和烃，是吸热反应，有利于燃料吸热，且烯烃的碳原子数越少，吸
2、收的热量越多；裂解生成甲烷、乙烷和丙烷等饱和烃是放热反应，不利于燃料吸热，且饱和碳原子数越多，吸热越少。燃料在裂解时，不但要尽可能高的提高裂解转化率，而且要尽可能多的生产不饱和烯烃 1。 吸热型碳氢燃料（ Endothermic Hydrocarbon Fuel，简称 EHF）是一种新型的高超音速推进用液体燃料，能够同时满足高超音速飞行器冷却与燃烧要求，也称可燃冷却剂2。吸热型碳氢燃料作为一种新型航空航天燃料，它既可以通过 自身的热容、气化潜热吸热，还可以通过化学裂解吸收并储存飞行器高温部位产生的热量，大分子的碳氢燃料在进入燃烧室燃烧之前，通过物理和化学吸热，带走飞行器高温部件表面的大量热量并
3、裂解生成燃烧性能更优的小分子产物，这些高能小分子在燃烧室燃烧时再将能量释放出来，从而提高能量的利用率，减少高超音速运载系统的负载，还有效的解决了飞行器的冷却问题 3。吸热型碳氢燃料的研制属于高科技的前沿领域，具有重要理论、政治意义以及良好应用前景。 90 年代以来，美国在 JP7、 JP8、 JP-TS 等燃料基础上开发了性能优越的 JP-8+100 燃料，目前正在向 JP-8+225， JP-900 等性能更优的燃料努力 4；俄罗斯等也从军事战略和民用角度出发开发了 T-8V, RT， T-6， T-15 等系列燃料 5，正在围绕实际应用不断优化组成、提高性能。 吸热型碳氢燃料的研究主要是催
4、化脱氢和高温热裂解 /催化裂解两方面 6。催化脱氢工作重点主要是燃料的选择、催化剂的筛选和评价；高温热裂解 /催化裂解反应的工作重点主要是围绕燃料的筛选、催化剂的选择、热沉的测定和结焦抑制技术等方面展开1 7。 科研人员对吸热型碳氢燃料的裂解和吸热过程进行了大量的研究，这方面的 工作主要有三个方向：蒸汽重整、催化脱氢和裂解反应 8。当然，加水的蒸汽重整反应可以获得附加的降温能力，但推进剂中惰性物质的提高会导致飞行器飞行距离的下降，这就需要在二者之间找一个平衡点 9。脱氢和裂解吸热反应已得到地面发动机试验的验证，其中裂解反应 热裂解 /催化裂解是最近美国和俄罗斯在吸热燃料研究方面的焦点10。 吸
5、热型碳氢燃料的化学反应过程有两个主要方向，一是催化脱氢，二是催化裂解 11。 20 世纪 70 80 年代，主要以催化脱氢过程为研究重点。该过程的优点是在较低温度下有较高的转化速 率，反应吸热量大，产物稳定并产生大量氢气，对燃烧及催化剂有利，但所用的催化剂多为贵金属及贵金属熔融盐载体催化剂，成本高，易中毒 12。对原料的纯度要求较高，增加了原料的成本。而且催化脱氢的产物为芳烃，对燃烧室不利，其生成的萘产生辉光度很高的火焰，将使发动机燃烧室的热负荷增加，对吸热燃料的冷却能力起抵消作用 13。吸热型碳氢燃料裂解结焦的研究一直是此类燃料开发的技术重点，国内外都进行了大量的探索。但是，这些研究大多是围
6、绕结焦抑制剂的开发以及结焦机理的推测展开的，而针对反应生成的焦炭本身的性质研究却不多。焦 炭的结构性质直接决定于燃料裂解过程中小分子产物的聚合路径，并与结焦机理密切相关。 但是，吸热型碳氢燃料在通过自身裂解反应进行吸热的同时，不可避免地会伴随小分子裂解产物的聚合、缩合等二次反应而导致结焦现象的发生。 结焦会给飞行器带来许多不利影响，当烃类燃料用在发动机上，产生的结焦会带来许多不利影响，如堵塞阀门和过滤器，导致油路变窄，改变喷雾形状，影响雾化质量，严重是可导致发动机熄火，导致事故发生；降低热交换效率；结焦还会导致金属管中渗碳现象的发生，从而降低其机械性能 14。因此，有效地抑制结焦是实现吸热型碳
7、 氢燃料在未来先进飞行器上使用的关键技术之一，也因此，抑制或阻止碳沉积 (结焦 )是碳氢燃料作为冷却剂在未来超音速飞行器上使用的关键。在现有的技术阶段，对结焦的研究在各方面都有一定的认识，但是，在结焦的形貌和量的研究上还是存在不少问题。各研究领域以研究抑制结焦为主，运用了很多的方法，但是都没有在本质上得到解决。研究吸热型碳氢燃料的裂解，关键在于裂解催化剂的研究。根据热力学数据可知，燃料裂解生成乙烯、丙烯和丁烯等不饱和烃，是吸热反应，有利于燃料吸热，且烯烃的碳原子数越少，吸收的热量越多 15；裂解生成甲烷、乙烷和 丙烷等饱和烃是放热反应，不利于燃料吸热，且饱和碳原子数越2 多，吸热越少。为了提高
8、燃料的热沉，就希望燃料在裂解时，不但要尽可能高的提高裂解转化率，而且要尽可能多的生产不饱和烯烃。 如上述所提到的，在航天或其他事业中，通常运用到碳氢燃料，同时也出现了结焦的问题。本课题通过研究几种碳氢燃料在 Ni 及其金属氧化物表面的结焦特征，为结焦方面的研究提供基础数据。在实验中，将压强和载气流速作为不变因素，改变反应温度或反应时间来考虑对结焦的影响。本实验采取的是单因素变量，有利于控制变量，并且容易得出结论。本实验具有一定的特色和 创新之处，例如，在催化剂形态选择方面，采用微米级粉末，增大其催化活性的比表面积；采用 30 段程序控温仪器和自动进样仪，减少人为因素对实验结果的影响。对结焦样品
9、进行形态分析，分离无定形碳、丝状焦和碳纤维，从而对催化剂进行性能评价，确定不同催化剂对结焦抑制的工艺参数，评价催化剂的效率。本实验通过实验获得一定的结焦物，对其结焦量和形貌进行研究。同时，改变催化剂的选择、碳源的选择、反应时间、反应温度等各方面的条件进行实验，检测分析各物质，为以后的实验提供初步的实验数据和理论基础。初步解决结焦问题在一些技术中的损害现象 。 参考文献 1 司徒明 . 煤油超燃冲压发动机性能分析 J. 推进技术 , 1998 (2). 2 司徒明 . 碳氢燃料 (煤油 )超燃试验研究 -高温富油燃气超燃试验 DCR 方案 J. 中国国防科学技术报告 , 1998, 8. 3 司
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