《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Fabrication of n-Fe?O?@Al/JP-10 magnetic energetic nanofluid fuel for the synchronous enhancement of dispersion stability and energy release characteristics via magnetic-oxygen regulation
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摘要本研究创新性地同时引入磁流变效应和供氧增强机制，以提升纳米流体燃料的分散稳定性和能量释放特性。采用磁性氧化物（Fe?O?）作为包覆剂合成n-Fe?O?@Al磁性含能粒子，并以此制备了一种新型n-Fe?O?@Al/JP-10磁性含能纳米流体燃料。结果表明，该制备方法可在铝颗
摘要
本研究创新性地同时引入磁流变效应和供氧增强机制，以提升纳米流体燃料的分散稳定性和能量释放特性。采用磁性氧化物（Fe?O?）作为包覆剂合成n-Fe?O?@Al磁性含能粒子，并以此制备了一种新型n-Fe?O?@Al/JP-10磁性含能纳米流体燃料。结果表明，该制备方法可在铝颗粒表面形成有效的Fe?O?包覆层，所得颗粒的热氧化反应初始反应温度降至526.1°C。当固含量超过55%且Fe?O?:Al质量比大于1.5时，所制备的n-Fe?O?@Al/JP-10磁性含能纳米流体燃料表现出典型的磁流变特性，在外部磁场作用下可实现稳定的固化储存。同时，单滴点燃实验证实，Fe?O?的引入可通过在液滴燃烧过程中高效供氧，诱导铝团聚体的爆燃和能量释放。在Fe?O?:Al质量比为1.5-3.2时，整体能量释放特性得到极大增强，从而有效解决了纳米流体燃料固相燃烧不完全的问题。
引言
液体燃料作为航空航天推进系统中飞机的关键能源，其能量密度对于提升航速、航程和比冲等飞机性能指标起着至关重要的作用[1]、[2]。随着推进技术的快速发展，常规液体燃料已日益无法满足新一代高性能飞机的运行需求。然而，受限于其元素组成和结构特征，合成液体燃料的能量密度仅能比常规航空煤油（约34 MJ/L）提高不超过30%[3]，存在显著的发展瓶颈。相比之下，以铝（Al）和硼为代表的金属颗粒具有超高空体积能量密度[4]、[5]。将纳米级金属颗粒分散到高密度液体烃燃料中形成纳米流体燃料，可在保持良好燃料流动性的同时大幅提升能量密度，从而突破现有常规液体燃料的局限性，满足航空航天推进系统不断演进的需求[6]。然而，在纳米流体燃料实际化应用之前，必须同时解决两个关键问题：高颗粒负载下的长期分散稳定性和燃烧过程中的高效能量释放。
目前，研究人员已开发了多种策略来解决纳米流体燃料的稳定性问题。其中，通过表面活性剂实现空间位阻稳定化[7]、[8]是最常见的途径之一。例如，Gan和Ciao[9]发现使用Span-80作为表面活性剂可以延长Al/正庚烷纳米流体燃料的分散稳定时间。类似地，Ao等人[10]通过聚多巴胺包覆铝纳米颗粒显著提高了纳米流体燃料的稳定性。然而，随着研究向实际应用推进，以最大化能量密度增益为目标的高浓度纳米流体燃料已成为不可避免的发展方向。尽管如此，在低浓度下有效的策略在中高浓度体系中的应用效率大幅下降。E等人[11]用油酸改性铝纳米颗粒表面，获得了优异的液相分散性。然而，在纳米流体燃料的长期稳定性测试中，储存3天后仍发生大颗粒沉降。Shariatmada和Pakdehi[12]对B/ATK纳米流体燃料体系的多种表面活性剂进行了筛选，发现Span-80表现出最佳性能，但纳米颗粒在57小时后完全沉降。因此，高浓度下的稳定性问题仍然是重大挑战。此外，研究人员对纳米流体燃料的着火和燃烧过程进行了一系列研究，以探索其典型能量释放特性和燃烧增强方法。Shi等人[13]在Al/醇纳米流体燃料的燃烧产物中检测到未燃烧的Al颗粒。Miglani等人[14]指出，这是因为液滴中的金属颗粒在燃烧过程中倾向于团聚，并在液滴表面形成壳层结构，阻碍氧气的向内扩散，导致内部颗粒难以有效氧化，造成燃烧不完全。固体金属颗粒燃烧的本质是氧化反应，氧化剂的供给效率是影响其着火和燃烧特性的关键因素[15]、[16]。Huang等人[17]发现，与稳定的氧分子相比，金属氧化物中的活性氧原子可通过溶解在金属颗粒氧化物层中实现高效跨膜传输，从而为金属颗粒提供更高效的氧化剂供给。然而，CuO[18]和CeO?等传统金属氧化物功能相对单一，无法解决纳米颗粒固有的沉降稳定性问题。因此，迫切需要找到一种能同时增强纳米流体燃料稳定性和能量释放特性的添加剂。
为解决两相燃料的分散不稳定问题，磁流变效应提供了一种新颖的途径。Jackson等人[19]发现，通过将磁响应颗粒分散到液体基液中，可获得一种能响应外部磁场变化而发生固-液相变的磁流变材料。Mohapatra等人[20]通过微观观察阐明了其基本机制：在无外加磁场时，磁响应颗粒均匀分散在基液中，赋予流体自由流动特性；当施加外加磁场时，这些颗粒在毫秒级时间内磁化并在基液中聚集成链状结构，使流体的表观粘度增加2-3个数量级，转变为稳定的类固体状态；当撤除外加磁场时，超顺磁性磁响应颗粒可迅速退磁并重新分散，从而恢复流体的自由流动性质。在众多磁性金属氧化物中，选择四氧化三铁（Fe?O?）是基于其无可比拟的综合优势[21]。它具有所有铁氧体中最高的饱和磁化强度，确保对外部磁场快速且强烈的响应。此外，其独特的Fe2?/Fe3?混合价态结构赋予其既高效供氧功能又兼具催化活性——这是Fe?O?与其他惰性或单一价态磁性氧化物的核心区别。其晶体结构中的Fe2?使其能作为优良的氧载体和催化剂，可在不同氧化态之间可逆转变，高效吸附、储存和释放燃烧区的活性氧原子。此外，Fe?O?还能与铝等金属燃料发生剧烈的铝热反应，在燃烧过程中同时实现物理催化和化学增强。
基于上述研究现状，提出了一种基于磁-氧同步调控的创新解决方案。如图1所示，通过在铝基纳米流体燃料中引入具有磁响应和供氧双重功能的多功能添加剂四氧化三铁（Fe?O?），可形成一种新型磁性含能纳米流体燃料。该燃料借助磁流变效应可在静态外部磁场下实现长期稳定储存。撤除外磁场后，燃料恢复良好流动性，经高压喷嘴雾化后进入燃烧室。在点燃条件下，Al颗粒与Fe?O?协同作用，显著增强燃料破碎和二次雾化，实现快速而完全的能量释放。这种燃烧模式特别适用于需要高能量密度和稳定燃烧的工作条件。本研究对该新型燃料的制备和性能评价进行了系统研究。通过化学沉淀法制备了n-Fe?O?@Al磁性含能粒子，分析了其磁响应特性和热反应行为，验证了Fe?O?的双重增强效果。在此基础上，制备了n-Fe?O?@Al/JP-10磁性含能纳米流体燃料，并通过磁致固化实验和电加热线点燃试验对其分散稳定性和能量释放特性进行了系统研究。评估了固含量和Fe?O?:Al质量比等关键参数对燃料两个核心理化性质的影响规律，获得了实现铝基纳米流体稳定性和能量释放同步增强的最佳工作条件。此外，深入分析了其微观增强机理。本研究有望为突破当前纳米流体燃料的关键应用瓶颈提供新思路，为推动纳米流体燃料的开发与应用提供理论参考。
各节摘要
实验材料
制备所用铝颗粒的标称直径为100纳米，纯度为98.81%，由浙江联天新材料科技有限公司提供。合成Fe?O?所用的六水合氯化铁（99%）、四水合氯化亚铁（99%）、浓氨水（25%-28%）、正己烷（97%）、油酸（OA，97%）均购自韶关光文化学试剂有限公司。JP-10（C??H??，99.9%）作为一种常用的高密度液体燃料[22]，被选为
n-Fe?O?@Al粒子的理化表征
图4(a)-(d)展示了有无n-Fe?O?包覆的铝颗粒的TEM图像。从图4(a)中可以清晰地观察到，未包覆的Al颗粒呈均匀的球形形貌，粒径分布较为集中。如图4(c)所示，颗粒表面仅检测到Al元素的特征信号，未出现对应Fe元素的峰，证实原始铝颗粒表面不存在氧化铁包覆层。
结论
为解决铝基纳米流体燃料稳定性差和能量释放不完全的问题，采用化学沉淀法制备了n-Fe?O?@Al复合粒子，并表征了其关键理化性质。随后，制备了n-Fe?O?@Al/JP-10磁性含能纳米流体燃料。利用磁流变观测实验系统地研究了其磁固化特性和燃烧能量释放特性
作者贡献声明
徐培辉：监督指导、项目管理。李明哲：监督指导、项目管理。梁道伦：撰写—审阅与编辑、数据整理。杜龙进：可视化、调查研究。陈炳红：撰写—原始草稿、资源、方法论、概念化。彭思迪：撰写—原始草稿、软件、形式化分析、概念化。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本工作得到国家自然科学基金[批准号：CN52276104；CN52106178]、中国载人空间站工程空间科学与利用项目[批准号：CMSS-2025-3-P-003；KJZ-YY-NRS0603]以及上海市教育发展基金会和上海市教育委员会晨光计划[批准号：23CGA56]的资助。
彭思迪|梁道伦|杜龙进|徐培辉|李明哲|陈炳红
