葉緯東 喬治軍 李嘉顥 李雅茹 馬 含 王伯良

①南京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院(江蘇南京，210094)

②南京理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院(江蘇南京，210094)

③93184部隊(duì)(北京，100000)

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)燃料的性能提出了更高的要求。凝膠燃料由于兼具液體燃料(易霧化、可控性好)和固體燃料(能量密度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、不易泄露、便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存)等諸多優(yōu)點(diǎn)，符合新時(shí)代安全、高效的主題，近些年來備受關(guān)注。添加高能粉末能夠進(jìn)一步提高凝膠燃料的能量密度[1]，因而在火箭推進(jìn)劑、航空飛行器和爆轟發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景[2-3]。曹錦文等[4]向JP-10凝膠燃料中添加金屬顆粒，發(fā)現(xiàn)金屬顆粒的加入，不僅使得燃料的體積熱大幅提高，還可以改善燃料的燃燒特性。Justin等[5]通過硝基甲烷凝膠燃料的爆轟實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加鋁粉的凝膠燃料，燃速指數(shù)明顯上升。填充物的加入會(huì)使燃料的流變性能發(fā)生復(fù)雜的變化，顯著影響凝膠燃料的流變行為，包括剪切變稀、剪切增稠以及在高剪切速率下出現(xiàn)佩雷效應(yīng)等[6]，這會(huì)嚴(yán)重影響凝膠燃料的制備、運(yùn)輸和使用[7]。為提高凝膠燃料的應(yīng)用性能，研究凝膠燃料流變特性的影響因素勢(shì)在必行。凝膠劑的類型決定了凝膠成膠時(shí)的形態(tài)學(xué)特征，凝膠燃料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以是片狀層疊、纖維狀纏繞和鏈狀團(tuán)聚等[8]，這使得相同凝膠劑含量下燃料的流變指紋特性差別顯著。即便是同種凝膠劑，表面改性也會(huì)使粒子的聚集狀態(tài)發(fā)生改變，從而影響燃料的流動(dòng)行為[9]。凝膠燃料的剪切黏度變化還與連續(xù)相的極性和氫鍵強(qiáng)弱有關(guān)。Raghavan等[10]發(fā)現(xiàn)，二氧化硅在強(qiáng)極性有機(jī)溶劑中表現(xiàn)出與在其他液體中完全相反的剪切增稠行為。此外，提高凝膠燃料制備時(shí)的溫度可以加速凝膠化的過程，并且能夠提高凝膠體系的儲(chǔ)能模量[11]。

目前，對(duì)凝膠燃料的研究主要集中于凝膠劑的合成[12]、環(huán)境適應(yīng)性[13-14]和應(yīng)用性能(燃燒、爆轟、霧化等)[15-16]方面，而對(duì)流變性能的分析還不夠深入，尤其是在填充高能金屬粉末的情況下，對(duì)燃料的線性和非線性黏彈性特征缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。

利用庚烷、硝酸異丙酯、納米鋁粉和實(shí)驗(yàn)室自制的SL納米凝膠劑制備含鋁凝膠燃料。采用形態(tài)學(xué)的研究手段觀察凝膠結(jié)構(gòu)[17]，初步分析SL凝膠劑的成膠機(jī)理以及鋁粉顆粒與凝膠劑間的連接情況。通過流變學(xué)相關(guān)測(cè)試，對(duì)樣品的模量、黏度、蠕變恢復(fù)、非線性黏彈性等特性進(jìn)行研究，討論納米凝膠劑粒徑與含量、鋁粉含量對(duì)凝膠燃料性能的影響，以期為燃料后續(xù)的配方優(yōu)化和應(yīng)用評(píng)估提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

原料:SL無機(jī)納米凝膠劑，實(shí)驗(yàn)室自制；庚烷，阿拉丁試劑有限公司；硝酸異丙酯，默科催化材料科技有限公司；鋁粉，鞍鋼實(shí)業(yè)微細(xì)鋁粉有限公司；尼羅藍(lán)，上海源葉生物科技有限公司；無水乙醇，天津天力化學(xué)試劑有限公司。

儀器:Mars 60流變儀，德國(guó)Haake公司；Parr 6200氧彈量熱儀，美國(guó)Parr公司；JEM-1400plus透射電子顯微鏡，日本電子公司；Quanta FEG 250場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，飛雅貿(mào)易(上海)有限公司；QBB比重杯，臺(tái)州艾測(cè)儀器有限公司；TriStarⅡ3020全自動(dòng)比表面積儀，美國(guó)Micromeritics公司；FV 1200激光共聚焦顯微鏡，日本Olympus公司。

1.2 制備方法

實(shí)驗(yàn)中用到SLA、SLB兩種不同粒徑的SL納米凝膠劑，通過TriStarⅡ3020全自動(dòng)比表面積儀測(cè)定比表面積S，計(jì)算得到兩者的粒徑，見表1。

表1 SL凝膠劑比表面積測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of specific surface area of SL nano gellant

采用透射電鏡(TEM)觀察兩種SL凝膠劑的微觀形貌；采用掃描電鏡(SEM)觀察鋁粉顆粒的微觀形貌。鋁粉粒徑為200 nm。兩種納米凝膠劑與鋁粉的微觀形貌見圖1。

將質(zhì)量比為9∶1的庚烷(HP)與硝酸異丙酯(IPN)在燒杯中混合，再加入2%～7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SLA或SLB凝膠劑，制成凝膠基質(zhì)，部分含SLA的樣品外加10%～20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋁粉?；旌贤瓿珊?，使用高速勻漿機(jī)攪拌3 min，裝入樣品瓶中，在室溫下超聲30 min。制備完成后，室溫保存30 d，待樣品穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)試。不同配方的組分見表2。

表2 不同樣品中組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Mass fraction of components in different samples %

1.3 燃燒熱與密度測(cè)試

采用Parr 6200氧彈量熱儀測(cè)定凝膠燃料的燃燒熱，平行測(cè)試3次后取平均值。采用QBB比重杯，以阿基米德原理測(cè)定凝膠燃料的密度，測(cè)試溫度為30℃。平行測(cè)試3次后取平均值。

1.4 流變性能測(cè)試

采用Mars 60流變儀進(jìn)行流變性能測(cè)試，轉(zhuǎn)子選擇25 mm同心圓筒。實(shí)驗(yàn)前，對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)剪切，預(yù)剪切速率為0.1 s-1，處理時(shí)間為30 s；停止剪切，并靜置180 s后進(jìn)行后續(xù)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)溫度25℃。

穩(wěn)態(tài)剪切測(cè)試:剪切速率的范圍為10-3~104s-1，記錄樣品的黏度數(shù)據(jù)。

蠕變剪切測(cè)試:施加的應(yīng)力分別為10、100 Pa(小于樣品的屈服應(yīng)力)，時(shí)間為1 000 s；撤去應(yīng)力并靜置，等待樣品蠕變恢復(fù)，時(shí)間為1 000 s，記錄樣品應(yīng)變數(shù)據(jù)。

大振幅振蕩剪切測(cè)試:振蕩頻率恒定為1 Hz，控制應(yīng)變范圍為0.1%～500.0%，記錄樣品的儲(chǔ)能模量和損耗模量。

1.5 微觀表征

使用50 mg/L的尼羅藍(lán)-乙醇溶液對(duì)凝膠燃料進(jìn)行染色，并采用FV 1200激光共聚焦顯微鏡觀察凝膠樣品的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 凝膠燃料的基礎(chǔ)理化性能

樣品的密度和燃燒熱，測(cè)試結(jié)果見圖2。

圖2 各樣品的密度與燃燒熱測(cè)試結(jié)果Fig.2 Test results of density and combustion heat of samples

對(duì)照組SL-0為純液體混合燃料，密度0.690 1 g/mL，體積燃燒熱為28.58 kJ/mL。由圖2(a)可知，SLA凝膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，燃料的密度為0.717 8 g/mL，較SL-0提高了4%；SLA凝膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，燃料密度為0.728 4 g/mL，比SL-0提高了5%。添加SLB凝膠劑的結(jié)果與添加SLA的樣品相似。由于SLA-5的密度大于相應(yīng)的純液體燃料，所以體積燃燒熱有所提高。但SL凝膠劑本身不具備燃燒性，當(dāng)SLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，SLA-7的燃燒熱反而有所下降。

SLA-5-Al-10與SLA-5-Al-20的測(cè)試結(jié)果說明，添加鋁粉可以顯著提升凝膠燃料的密度，并增加燃料的體積燃燒熱。

2.2 凝膠燃料的形態(tài)學(xué)特征

當(dāng)納米凝膠劑分散到液體燃料中時(shí)，作為基本單位的初級(jí)聚集體[9]，在表面硅羥基之間的氫鍵作用下構(gòu)成更大的團(tuán)聚物，即絮凝體。絮凝體與溶劑分子通過氫鍵與靜電力的作用，最終形成具有彈性三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，如圖3所示。此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在機(jī)械力(剪切)的作用下分解，并在靜置后部分恢復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)液態(tài)與固態(tài)的相互轉(zhuǎn)變。

圖3 凝膠網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Network structure of fuel gel

SLA-5與SLA-5-Al-10凝膠燃料的微觀結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在暗場(chǎng)中，光線從側(cè)面照在樣品上，通過樣品的衍射光線在物鏡上成像；在明場(chǎng)中，光束直接透過樣品進(jìn)入物鏡成像。圖4(a)中的紅色致密網(wǎng)絡(luò)即絮凝體團(tuán)，在絮凝體與絮凝體之間存在明顯的缺口。對(duì)比圖4(a)與圖4(b)可以發(fā)現(xiàn)，圖4(a)中的黑點(diǎn)為絮凝體之間的孔隙。對(duì)比圖4(d)與圖4(e)可以發(fā)現(xiàn)，圖4(d)中的黑點(diǎn)既包括絮凝體之間的孔隙，也包括鋁粉顆粒。由上述比較可知，在圖4(f)中的黑點(diǎn)即為鋁粉顆粒，此時(shí)鋁粉顆粒的直徑達(dá)到幾個(gè)微米，這說明鋁粉由于團(tuán)聚作用，形成了更大的鋁粉顆粒團(tuán)聚體，并且這些鋁粉顆粒鑲嵌在絮凝體網(wǎng)絡(luò)中。比較圖4(c)與圖4(f)可以發(fā)現(xiàn)，鋁粉顆粒使原本致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了缺口，在一定程度上破壞了絮凝體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，在絮凝體系(或凝膠體系)中引入硬質(zhì)顆粒填充物會(huì)使基體的塑性增強(qiáng)，同時(shí)伴隨著弱應(yīng)變過沖增強(qiáng)、線性區(qū)縮短、黏彈性減弱等特征。

圖4 SLA-5與SLA-5-Al-10的激光共聚焦顯微鏡測(cè)試圖Fig.4 Laser confocal microscope images of SLA-5 and SLA-5-Al-10

2.3 剪切變稀性

對(duì)凝膠燃料樣品進(jìn)行穩(wěn)態(tài)剪切測(cè)試，黏度隨剪切速率?γ的變化結(jié)果見圖5。

隨著剪切速率的增加，各凝膠燃料的黏度下降，出現(xiàn)剪切稀化的流動(dòng)行為；當(dāng)?γ足夠高時(shí)，黏度趨向穩(wěn)定，出現(xiàn)第二牛頓平臺(tái)。黏度曲線的變化驗(yàn)證了凝膠燃料由于內(nèi)部絮凝體網(wǎng)絡(luò)在受剪切時(shí)分解而出現(xiàn)的剪切稀化行為[19]。

根據(jù)黏度曲線的特征，選用Carreau流體模型[20]對(duì)其進(jìn)行擬合，其本構(gòu)方程為

式中:η0為零切黏度，Pa·s；η∞為無窮剪切黏度，Pa·s；k為稠度指數(shù)，Pa·s2；n為冪律指數(shù)。

擬合曲線見圖5；擬合參數(shù)見表3。

圖5 樣品在不同剪切速率下的黏度變化和Carreau模型擬合結(jié)果Fig.5 Viscosity curves of gel fuels at different shear rates and fitting curves of Carreau model

零切黏度η0是指剪切速率趨向于0時(shí)的黏度，能夠在一定程度上表明物體從靜止到流動(dòng)的難易程度，η0越大的物體在外力作用初始時(shí)刻的抗擾動(dòng)能力越強(qiáng)。對(duì)比表3中各凝膠燃料的η0可知，SLA凝膠體系的抗擾動(dòng)能力優(yōu)于SLB凝膠體系，且加入鋁粉能顯著提高凝膠燃料的η0。n值與1相差越大，代表樣品與牛頓流體的偏離程度越大。n＜1，表示凝膠燃料受剪切作用時(shí)黏度降低，為假塑性流體。表3中的結(jié)果顯示，SLA凝膠體系的n小于SLB凝膠體系，說明SLA凝膠體系的假塑性更為明顯。

表3 Carreau模型的擬合結(jié)果Tab.3 Fitting results of Carreau model

2.4 蠕變性

以恒定應(yīng)力剪切凝膠燃料1 000 s(蠕變階段)；撤去應(yīng)力后，等待1 000 s(恢復(fù)階段)，觀察其應(yīng)變隨時(shí)間的變化來研究凝膠燃料的黏彈性。各樣品的剪切應(yīng)力應(yīng)小于其屈服應(yīng)力，以保證受剪切樣品處于線性黏彈區(qū)。

根據(jù)蠕變特征[21]，選用Burgers模型[22]進(jìn)行擬合。Burgers模型由Maxwell體與Kelvin體串聯(lián)而成，Maxwell體模擬瞬間彈性階段與穩(wěn)定蠕變階段；Kelvin體模擬延遲蠕變階段。蠕變?nèi)崃康亩x為

Burgers模型的蠕變?nèi)崃磕Ｐ蜑?/p>

式中:J為柔量，Pa-1；γ為應(yīng)變；σ為應(yīng)力，Pa；E1為Maxwell體彈性系數(shù)，Pa；η1為Maxwell體黏度系數(shù)，Pa·s；E2為Kelvin體彈性系數(shù)，Pa；η2為Kelvin體黏度系數(shù)，Pa·s；t為蠕變時(shí)間，s。

擬合結(jié)果見圖6；擬合參數(shù)見表4。

表4 Burgers模型擬合結(jié)果Tab.4 Fitting results of Burgers model

圖6 蠕變剪切測(cè)試結(jié)果與擬合曲線Fig.6 Test results of creep shear and fitting curves

撤去應(yīng)力后，樣品的應(yīng)變變化見圖7，主要分為3部分應(yīng)變:一部分應(yīng)變瞬間恢復(fù)；一部分應(yīng)變隨時(shí)間緩慢恢復(fù)；還有一部分應(yīng)變由塑性所造成，不再恢復(fù)。定義蠕變恢復(fù)能力

圖7 蠕變剪切與蠕變恢復(fù)測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of creep shear and creep recovery

式中:γmax為最大蠕變應(yīng)變；γn為蠕變恢復(fù)段的不可恢復(fù)應(yīng)變。

由表4可知，SLA-5的rc為75.45%，SLA-7的rc則為44.54%，較前者下降了30.91%，說明凝膠燃料的蠕變恢復(fù)性會(huì)隨著凝膠劑含量的增加而降低。這是由于凝膠網(wǎng)絡(luò)越強(qiáng)，絮凝體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，內(nèi)部搭接越充分，而在外力作用下產(chǎn)生的非彈性(塑性)形變?cè)酱?，凝膠燃料的可恢復(fù)形變?cè)叫?。加入鋁粉同樣會(huì)提高燃料的塑性，表現(xiàn)為燃料整體的恢復(fù)性變差。例如:加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的鋁粉后，樣品SLA-5-AL-10的rc為45.65%，相比不加鋁粉的樣品下降了29.80%；加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%鋁粉后，樣品蠕變恢復(fù)性進(jìn)一步變差。

2.5 應(yīng)變掃描

應(yīng)變掃描是測(cè)試物質(zhì)流變特性常用的手段。故采用大振幅振蕩剪切(LAOS)方法研究凝膠燃料的性能。

測(cè)試時(shí)，對(duì)基體施加一個(gè)正弦的應(yīng)變，則基體產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)的應(yīng)力響應(yīng)，其中，G為剪切模量。LAOS時(shí)，應(yīng)力信號(hào)偏離正弦響應(yīng)并產(chǎn)生相位角，通過對(duì)信號(hào)的傅里葉變換，可以得到可用的儲(chǔ)能模量G′和損耗模量G″。

圖8是不同SL濃度、粒徑時(shí)凝膠燃料的應(yīng)變掃描測(cè)試圖。一般認(rèn)為，G′代表物質(zhì)的彈性，G″代表物質(zhì)的黏性[8-11]。線性彈性區(qū)的G為定值，記作G0，線性彈性區(qū)的最大應(yīng)變?chǔ)梅Q為臨界應(yīng)變，記作γc。

圖8 凝膠燃料應(yīng)變掃描測(cè)試結(jié)果Fig.8 Test results of strain scanning of gel fuels

圖8(a)是SLA質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%、3%、5%和7%時(shí)凝膠燃料的應(yīng)變掃描結(jié)果?？梢钥闯?，隨凝膠劑含量的增加，凝膠燃料線性區(qū)的儲(chǔ)能模量G′0明顯增大，且線性彈性區(qū)的范圍也在變大。蠕變測(cè)試結(jié)果顯示，燃料基體填充的凝膠劑和鋁粉含量越高，可恢復(fù)應(yīng)變?cè)叫　＝Y(jié)合LAOS流場(chǎng)下γc隨著SL含量的增加而增加的測(cè)試結(jié)果，可認(rèn)為基體的塑性增強(qiáng)了，這與Yasin等[18]在MC凝膠劑體系中的觀察結(jié)果一致。

對(duì)比圖8(a)與圖8(b)，在相同凝膠劑含量下，SLA凝膠體系的強(qiáng)度大于SLB凝膠體系。凝膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為7%時(shí)，SLA凝膠體系的G′0為12 581 Pa，SLB為1 508 Pa，SLA的G′0約是SLB的10倍。此外，SLA-7的線性區(qū)臨界應(yīng)變?chǔ)胏為4.5%，而SLB-7的γc為7.2%，說明SLA凝膠體系的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更易破裂而產(chǎn)生變形，這可能是由于粒徑大的凝膠劑所形成的絮凝體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)骨架更堅(jiān)硬[23]。

圖8(c)是含有鋁粉的凝膠燃料樣品應(yīng)變掃描結(jié)果。在凝膠燃料中添加鋁粉，會(huì)使凝膠體系的G′0增大，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%鋁粉凝膠的G′0約為不含鋁粉的3倍，添加更多的鋁粉則會(huì)使凝膠的G′0進(jìn)一步增大。但添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%凝膠劑與10%鋁粉的SLA-5-Al-10樣品的G′0小于SLA-7凝膠樣品，這表明相較于鋁粉，SLA凝膠劑含量的改變對(duì)凝膠網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度的影響更大，即燃料線性區(qū)的流變行為主要受凝膠基質(zhì)控制。這是由于鋁粉與絮凝體之間的連接弱于絮凝體與絮凝體之間的連接，John等[24]在纖維素衍生物凝膠化的乙醇/鋁燃料中也觀察到了類似的結(jié)果。

為了更好地了解絮凝體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，引入分形維數(shù)D來描述G′0、γc和凝膠劑濃度之間存在的關(guān)系。Wu等[25]優(yōu)化了前人的分形維數(shù)模型，引入了參數(shù)α，從而將凝膠體系分為強(qiáng)連接(α＝0)、弱連接(α＝1)以及過渡態(tài)連接(0＜α＜1)3種連接模式。根據(jù)此分形維數(shù)模型，G′0、γc和凝膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω存在如下關(guān)系:

式中:參數(shù)β＝1+(2+χ)(1-α)；χ是凝膠劑骨架的分形維數(shù)，與凝膠劑種類有關(guān)，通常取χ＝1[13]；D＞χ。

圖9為兩種凝膠劑體系儲(chǔ)能模量G′0與臨界應(yīng)變?chǔ)胏和凝膠劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω關(guān)系的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖。

圖9 凝膠劑濃度對(duì)燃料G′0與γc的影響Fig.9 Effect of concentration of gellant on G′0 andγc of fuel

隨著凝膠劑濃度的增加，兩種凝膠劑體系的G′0和γc均增大，用最小二乘法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，由擬合曲線得到指數(shù)A和B，并列在表5中。

表5 SLA與SLB體系的分形維數(shù)模型參數(shù)Tab.5 Fractal dimension model parameters of SLA and SLB gel systems

參數(shù)A反映的是G′0與ω之間存在的關(guān)系，SLA凝膠體系的A為5.56，SLB凝膠體系為3.47，說明相比于SLB，SLA凝膠劑對(duì)整個(gè)凝膠強(qiáng)度的影響更大。隨著SLA凝膠劑含量的增加，凝膠體系的強(qiáng)度上升更明顯。參數(shù)B反映了γc與ω之間的關(guān)系，B的絕對(duì)值越小，說明凝膠劑濃度對(duì)臨界應(yīng)變的影響越小。Marunaka等[23]在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，B的值由凝膠劑決定，與分散液的類型無關(guān)。而SLA與SLB凝膠體系的B分別為1.58和2.00，表明SLB對(duì)臨界應(yīng)變?chǔ)胏的影響更大，其凝膠體系抗應(yīng)變能力強(qiáng)于SLA。

根據(jù)A和B的值推導(dǎo)出參數(shù)α與分形維數(shù)D。參考α與D的值可以更好地理解絮凝體網(wǎng)絡(luò)之間的連接情況，SLA與SLB凝膠體系的α分別為0.81與0.91，屬于過渡態(tài)凝膠。更高的分形維數(shù)表明凝膠燃料內(nèi)部具有更加致密的堆疊結(jié)構(gòu)，而SLA的分形維數(shù)大于SLB，所以SLA內(nèi)部的絮凝體交聯(lián)點(diǎn)更密集，含有大粒徑的SLA凝膠體系強(qiáng)度大于SLB凝膠體系。粒徑更大的凝膠劑顆粒表面具有更高的硅羥基密度，它們更傾向于絮凝并緊密結(jié)合[13]；而表面積更大的凝膠劑顆粒易團(tuán)聚，在同等分散強(qiáng)度下難以分散均勻，產(chǎn)生較多的致密團(tuán)聚體[17]，它們都無法有效地參與凝膠網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，使得SLB凝膠體系強(qiáng)度較弱。

3 結(jié)論

對(duì)SL凝膠劑/鋁粉/庚烷/硝酸異丙酯混合體系凝膠燃料進(jìn)行了研究。通過剪切測(cè)試、蠕變測(cè)試和應(yīng)變掃描等實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)分析了凝膠的流變行為和線性與非線性黏彈性特征，為后續(xù)凝膠燃料及相關(guān)軟物質(zhì)材料的性能評(píng)價(jià)提供了參考方案。結(jié)論如下:

1)添加SL凝膠劑和鋁粉能提高凝膠燃料的密度、增大凝膠燃料的體積燃燒熱。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的SLA與20%的鋁粉后，燃料的體積燃燒熱提高了14%。表明采用SL凝膠劑將燃料凝膠化以提高燃料的能量密度是可行的。

2)凝膠劑的粒徑對(duì)凝膠燃料的流變性能有顯著影響，且大粒徑凝膠劑體系的零切黏度η0更高，假塑性更明顯。通過應(yīng)變掃描結(jié)合相關(guān)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，粒徑較大的凝膠體系擁有更高的分形維數(shù)，G′0更大；SLA與SLB凝膠體系的α分別為0.81與0.91，均屬于過渡態(tài)連接。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，大粒徑凝膠劑體系的基體強(qiáng)度更大，而非以往認(rèn)為的表面積更大的小粒徑凝膠劑成膠強(qiáng)度更大。且大粒徑凝膠體系在高剪切速率下更易發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變，更適于燃料推進(jìn)劑、云爆燃料的實(shí)際應(yīng)用，研究結(jié)果為凝膠劑的選用提供了參考。

3)鋁粉的加入在一定程度上會(huì)破壞致密的絮凝體網(wǎng)絡(luò)，但可以提高凝膠燃料的整體強(qiáng)度，使凝膠體系的η0升高。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的鋁粉后，凝膠燃料的可恢復(fù)彈性形變r(jià)c下降了33%，η0提高了6倍，在低應(yīng)變條件下表現(xiàn)出更大的G′0。

根據(jù)燃料推進(jìn)劑的一般要求，采用的鋁粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10%與20%。在此添加量下，凝膠燃料的流變性能未發(fā)生明顯改變，凝膠穩(wěn)定性良好，在下一階段可研究更高鋁粉添加量下凝膠燃料的理化性能。此外，添加鋁粉使凝膠燃料整體強(qiáng)度增大，這可能是由于鋁粉表面附帶羥基，對(duì)成膠過程提供了正向作用。但該猜想需要對(duì)含鋁凝膠的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步觀察，研究鋁粉的表面性質(zhì)及粒徑形貌對(duì)凝膠燃料網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)度的影響。