氟磷复合改性干水抑制AlH3爆炸的特性与机制研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Investigation on the explosion suppression characteristics and mechanism of fluorine and phosphorus composite modified dry water on AlH 3

为解决AlH3低温释氢和高爆炸强度带来的工业安全隐患，研究人员通过高速剪切法制备氟磷复合改性干水（FPDW），系统探究其对AlH3爆炸的抑制性能与机制。结果表明，F/P比为1:15、浓度200 g/m3的FPDW可使AlH3平均火焰传播速度（vavg）降至1.03 m/s，最大爆炸压力（pmax）降至0.47 MPa，临界抑制浓度为300 g/m3。该研究为AlH3在能源与航天领域的应用提供了重要安全理论支撑。

　　

铝氢化物（AlH₃）因其高达148 kg H₂/m³的体积氢密度和低温快速释氢特性，被视为氢能存储与高能材料的理想候选者。然而，其运输或加工过程中摩擦热引发的爆炸风险严重制约了工业应用。尽管铝粉和氢气爆炸抑制研究已较成熟，但针对AlH₃这一特殊材料的爆炸抑制机制仍属空白。如何通过复合抑制策略同时阻断铝-氧和氢-氧反应链，成为解决安全难题的关键。

针对这一挑战，中国某高校的研究团队创新性地将磷酸二氢钾（KH₂PO₄）与含氟表面活性剂FS-50复合，通过高速剪切技术制备出氟磷复合改性干水（FPDW），系统研究了其对AlH₃爆炸的抑制效果与作用机制。相关成果发表在《International Journal of Hydrogen Energy》上，为AlH₃的安全应用提供了重要理论依据。

研究采用高速剪切法制备FPDW，通过20L球形爆炸装置测定火焰形态、传播速度及压力参数，结合X射线衍射（XRD）和反应动力学模拟分析抑制机制。实验设计涵盖不同F/P配比（1:5至1:20）和浓度梯度（100-400 g/m³），以确定最优抑制条件。

材料与方法
研究选用α晶型AlH₃（D₅₀=62.86 μm）作为爆炸基质，以纳米SiO₂（7 nm）为干水载体。通过控制剪切速度（10,000 rpm）和时间（60 s）制备FPDW，重点考察KH₂PO₄与FS-50的协同效应。

结果与讨论

1. F/P配比优化：当F/P比为1:15时，FPDW表现出最佳抑制效果。200 g/m³浓度下，v_avg降低85%，p_max下降60%，压力上升速率(dp/dt)_max锐减至5.26 MPa/s。
2. 临界浓度确定：300 g/m³为完全抑制AlH₃爆炸的最小有效浓度，此时火焰传播被完全阻断。
3. 机制解析：动力学模拟显示FPDW分解产生的F/P自由基可特异性捕获AlH₃火焰中的H·和Al·自由基，形成AlF₃和PO₄^3-惰性层，双重阻断链式反应。

结论与意义
该研究首次证实FPDW通过物理冷却（干水相变吸热）与化学抑制（自由基捕获）的双重机制实现AlH₃爆炸的高效抑制。所确定的F/P配比和临界浓度为工业防护标准制定提供了直接依据，推动AlH₃在固体推进剂和燃料电池等领域的应用进程。未来研究可进一步优化FPDW的长期稳定性及环境适应性。