《Chemical Engineering Journal》：Carbon-mediated enhancement of the nitriding reaction of B
4C particles under high-pressure nitrogen
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硼碳化合物与硼在高压氮气中的燃烧机制及性能对比研究表明，B4C因碳迁移形成富碳界面层，有效促进氮气与液态硼接触，其燃烧温度比B高306℃，并生成六方氮化硼（h-BN）和碳球，证实碳介导机制显著提升能量释放效率。
刘彦琦|李胜吉|陈世一|黄学峰
杭州电子科技大学物理系能源研究所，中国杭州，310018
摘要
基于硼的燃料在推进剂中的应用受到点火困难和不完全燃烧等挑战的阻碍。作为有前景的替代品，硼化物引起了广泛的研究兴趣。本研究系统地研究了在7 MPa压力下，使用激光点火结合高速成像、三色测温、光谱分析和残留物表征技术，比较了B?C和纯氮中硼的氮化机制和燃烧行为。结果表明，在预发光加热和熔化阶段，B?C的熔化滞后时间较短。在燃烧过程中，从B?C释放的含碳物质比硼更容易迁移，因此在颗粒表面附近可能形成一层富碳的界面区域（类似碳富集层的结构）。这一富碳区域的破碎可以有效穿透氧化层，促进液态硼与氮的接触。光谱分析显示B?C燃烧过程中CN自由基的释放较强，燃烧温度比纯硼高出306°C，表明碳介导的气相反应途径显著增强了能量释放。残留物分析进一步证实了六方氮化硼（h-BN）片层和碳球的存在，证实了碳在促进氮活化及h-BN结晶中的关键作用。本研究阐明了B?C在高压氮中燃烧的“碳介导增强”机制，为高性能硼基燃料的设计和h-BN的可控合成提供了理论和实验基础。
部分摘录
创新性与意义
本研究揭示了B?C在高压氮中燃烧的“碳介导”机制，这与其作为纯硼时的燃烧过程有本质区别。我们证明碳积极介导气相反应并促进氮的活化，从而显著提高了点火性能和燃烧温度（提升了306°C）。这些发现为利用碳的催化作用设计高性能硼基推进剂提供了重要见解。
材料
本研究中使用的微米级B/B?C粉末来自中国科学院沈阳金属研究所，纯度超过99.9%。B粉末通过熔盐电解法制备：首先通过阴极沉积获得硼，随后经过粉碎、稀盐酸酸洗、水洗、干燥和分级研磨等工艺得到最终产品。B?C粉末的制备过程包括...
粉末的形态表征
例如，为了研究样品粉末的形态特征，采用扫描电子显微镜（SEM）对原始微米级B和B?C粉末的形态和粒径进行了表征。结果如图2所示。两种粉末的原始形态均为不规则的多角块状结构。B粉末的粒径分布较宽（见图2(a)、图2(c)）。
结论
本研究比较了B和B?C在7 MPa高压氮环境中的燃烧特性，并深入探讨了这两种高能燃料的反应机制、能量释放效率及燃烧残留物特性。主要结论如下：
- (1)
B和B?C颗粒的燃烧特性存在显著差异。在预发光加热和熔化阶段，B?C的熔化滞后时间较短。
作者贡献声明
刘彦琦：撰写初稿、方法论设计、实验研究、数据分析。李胜吉：撰写初稿、方法论设计、资金申请、数据分析、概念构思。陈世一：实验研究、数据分析。黄学峰：撰写修改稿、项目监督、方法论设计、数据分析、概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金重大科学仪器设备发展项目（项目编号：52027809）的资助。
