本文围绕高超声速飞行器对碳氢燃料吸热和燃烧的双重要求,着重研究不同模型燃料的裂解、结焦及其抑制等关键性科学问题,为吸热型碳氢燃料的组成调配、改性、及其应用等提供重要的实验和理论基础。本文开展的主要工作和取得的成果如下：选用链烷烃(正庚烷)、环烷烃(环己烷)、稠环烷烃(挂式三环[5.2.1.0(2.6)]癸烷,JP-10)和航空燃料(ZH100)作为吸热型碳氢燃料的模型,考察影响热沉的主要因素,测量了模型燃料在500-650℃、4.1MPa和不同流量下的热沉。在实验条件范围内,测得的最大热沉为2.67 MJ·kg-1,其中物理热沉是燃料热沉的主要贡献部分,化学热沉所占比重较小。在相同的温度、压力和流量时,三种燃料总热沉大小顺序为JP-10<环己烷<正庚烷。考察了温度、压力和进料速度等因素对正庚烷、环己烷和JP-10裂解结焦的影响。结果表明,温度和停留时间是影响燃料裂解的主要因素,压力增大,延长了燃料的停留时间,使得燃料的转化率大幅度提高。模型燃料因结构不同,裂解性能有很大差异,相同温度、压力和进料速度时,裂解转化率的大小顺序为环己烷<JP-10<正庚烷。正庚烷裂解时容易产生小分子的烷烃和烯烃;环己烷和JP-10更倾向于脱氢反应,开环裂解反应转化率较低。JP-10裂解过程中容易产生苯、茚和萘等贫氢化合物,该类物质容易沉积在反应管表面,结焦最为严重,在4.1 MPa,650℃时,结焦选择性达到50%。通过SEM、TEM、XRD和TG/DSC等技术对燃料结焦试样进行分析,表明正庚烷和环己烷结焦主要以丝状焦为主,JP-10则以颗粒状焦为主。同时,在焦样中发现了Fe304、Fe、Cr和Fe3C等物质,它们可能在丝状焦生长过程中起着重要的催化作用。以正庚烷、环己烷和JP-10作为碳源,采用化学气相沉积法(CVD)考察了还原铁粉(Fe)、氧化铁(Fe203)和四氧化三铁(Fe304)在常压条件下对正庚烷、环己烷和JP-10结焦的催化作用。通过对焦样的XRD跟踪分析,认为对结焦有催化作用的活性物质主要是碳化铁,碳化铁的形成过程是催化结焦的控制步骤,而Fe、Fe203和Fe304是催化活性物质的前躯体。在温度和碳源均相同时,催化剂前驱物产生碳化铁的活性顺序为Fe<Fe304<Fe203,与催化剂的结焦率顺序相同。碳源种类对结焦的形貌和产率影响也很大。正庚烷和环己烷作为碳源时,结焦前驱物主要有乙烯、丙烯和丁烯等,它们在碳化铁的催化下容易产生丝状焦。JP-10为碳源时,结焦前驱物主要有环戊二烯、苯、甲苯等,它们被吸附在催化活性表面后,容易发生催化结焦,也容易发生聚合、环化、脱氢等反应,产生非催化结焦。非催化结焦会覆盖活性表面,导致催化结焦生长停止,而非催化结焦继续生长。因此,JP-10产生的结焦中含有较多的颗粒状碳,丝状焦很少。选择化合物A、B和C作为结焦抑制剂,考察它们对Fe、Fe203和Fe304催化结焦的抑制作用。结果表明,结焦抑制剂必须有合适的浓度才能起到抑制作用,A的浓度较低时对催化结焦没有抑制作用,反而有很强的促进作用,当A的浓度是B和C浓度约16倍时,才能表现出与它们有相似的抑制效果。抑制剂必须要有合适的稳定性和溶解性,与B相比,C有更高的热稳定性,在实验温度范围内,不会发生分解。总体上看,C具有较好的结焦抑制效果,性质稳定,是一种性能优异的结焦抑制剂。对于不同的催化剂前驱物,结焦抑制剂作用机理有所不同。以Fe为催化剂时,结焦抑制剂与Fe发生化学吸附,抑制了结焦母体与Fe的吸附,最终起到抑制结焦产生的作用。Fe203和Fe304为催化剂时,抑制剂首先将其还原为低价的FeO,随后,抑制剂与FeO发生化学吸附,阻止了结焦前驱物在FeO上发生吸附,使得FeO无法发生还原和碳化反应,从而抑制了碳化铁的产生。当碳源不同时,抑制剂C对催化结焦的抑制作用也有很大差异。以正庚烷、环己烷为碳源,C的浓度为25μg·g-1时,对Fe、Fe203和Fe304碳化有很好的抑制效果。以JP-10为碳源时,C需更高的浓度才能抑制碳化铁的产生。对于模型燃料而言,裂解转化率较低时,其化学热沉较小,结焦较少；裂解转化率较高时,化学热沉增大,但在反应管表面可能出现严重结焦,必需根据实际需要权衡燃料的裂解转化率和结焦率。反应管表面的金属元素(如Fe、Ni和Cr等)是影响燃料结焦的重要因素,在高温下容易产生催化结焦的活性物质(金属碳化物)。有针对性地进行表面化学处理和向燃料中添加抑制剂是抑制结焦的有效方法。