本发明属于新型航空航天燃料的技术领域，具体涉及一种含有烷基十氢萘和烷基金刚烃的燃料、其制备方法及用途。
背景技术：
随着现代航空航天技术的发展，飞行器的速度、航程都有了极大的提高，同时对于所用燃料也提出了更高的要求。为满足发动机使用需要，提高燃料密度，体积热值和低温性能是研究的重点。金刚烃是由具有金刚石晶格结构的碳骨架组成的饱和烃，最早发现于石油和天然气凝结物，随后人们陆续合成出包含1个、2个和3个金刚石晶格的金刚烷、二金刚烷和三金刚烷。但金刚烃熔点较高，然而烷基取代的金刚烃具有优异的低温性质(冰点<-70℃)，同时具有紧密的空间结构和较高的密度(0.90g/cm3左右)，是一类非常有前景的燃料。金刚烃类燃料目前仅在个别油田中产出，产量极其有限，无法大规模应用，人工合成较少，因此通过合成的方法制备金刚烃类燃料尤为重要。
随着航空航天领域的发展，喷气式飞机飞行速度越来越快，飞行高度越来越高。空气与飞机表面的摩擦随着飞行速度的提高不断增大，使飞机表面温度迅速升高。这种高温会使飞机燃料箱受到影响，使油箱中燃料的温度迅速升高，因此喷气燃料的热氧化安定性对于发动机和燃料系统具有重大影响。另一方面，喷气燃料也是飞机润滑系统和燃料系统重要的冷却介质，对热氧化安定性提出了更高的要求。十氢萘作为高热安定燃料jp-900主要组成，其低温性质相对较差，而烷基十氢萘在保持高热安定性的同时，有着更优异的低温性能。
烷基金刚烃燃料具有较高的密度，烷基十氢萘燃料在保持高热安定性的同时具有优异的低温性能。含有烷基金刚烃及烷基十氢萘的燃料性能更加优异，具有高密度高热安定性以及优异的低温性能。现有技术还没有同时含有烷基金刚烃及烷基十氢萘的燃料制备方法及用于航空航天燃料的用途报道。
技术实现要素：
为解决上述问题，本发明公开了一种含有烷基金刚烃及烷基十氢萘的高密度高热安定燃料，燃料中烷基金刚烃和烷基十氢萘的总含量大于90.0wt％。同时本发明还公开了通过催化烷基四氢双环戊二烯骨架重排为烷基金刚烃及烷基十氢萘的方法；本发明的制备方法反应过程中无需添加溶剂，催化剂用量少，得到的液体燃料中烷基金刚烃和烷基十氢萘含量高。
本发明的技术方案如下：
本发明第一方面公开了一种含有烷基金刚烃和烷基十氢萘的燃料，其中的烷基金刚烃和烷基十氢萘的含量大于90.0wt％；所述烷基金刚烃具有如下结构：
所述的烷基十氢萘有如下结构：
r1、r2、r3、r4或r5为h、-ch3或-ch2ch3；其中r1、r2和r3不能同时为h；r4和r5不能同时为h。即金刚烃上至少有一个烷基取代基，十氢萘上至少有一个烷基取代基。
优选地，所述燃料冰点低于-75℃，密度大于0.90g/cm3。
本发明第二方面公开了所述的含有烷基金刚烃和烷基十氢萘的燃料的制备方法，包括如下步骤：在一定温度下，将烷基四氢双环戊二烯在催化剂催化反应一段的时间后即得到所述的含有烷基金刚烃和烷基十氢萘的燃料。
优选地，所述烷基四氢双环戊二烯为多取代烷基四氢双环戊二烯，取代烷基的数量为1-3，所述取代烷基为甲基或乙基。
优选地，反应温度为40-200℃，反应时间为0.5-20h。
优选地，所述催化剂为路易斯酸、路易斯酸与离子液体的混合物、或固体酸的一种或几种。
优选地，所述催化剂的加入量占反应物的2～20wt％。当催化剂为路易斯酸与离子液体的混合物时，催化剂的加入量占反应物的2～20wt％时不包括离子液体。
优选地，所述路易斯酸为alcl3、albr3、zncl2、fecl3、cucl一种或几种；所述路易斯酸与离子液体的混合物为1-丁基-3-甲基咪唑氯盐/alcl3、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐/zncl2、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐/fecl3、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐/cucl、1-己基-3-甲基咪唑氯盐/alcl3、1-己基-3-甲基咪唑氯盐/zncl2、1-己基-3-甲基咪唑氯盐/fecl3、1-己基-3-甲基咪唑氯盐/cucl、1-辛基-3-甲基咪唑氯盐/alcl3、1-辛基-3-甲基咪唑氯盐/zncl2、1-辛基-3-甲基咪唑氯盐/fecl3、1-辛基-3-甲基咪唑氯盐/cucl、盐酸三乙胺/alcl3、盐酸三乙胺/zncl2、盐酸三乙胺/fecl3、盐酸三乙胺/cucl、盐酸吡啶/alcl3、盐酸吡啶/zncl2、盐酸吡啶/fecl3、盐酸吡啶/cucl中的一种或几种；所述固体酸为so42-/zro2、so42-/tio2、so42-/al2o3、so42-/fe2o3、pt/so42-/zro2、pt/so42-/tio2、pt/so42-/al2o3、pt/so42-/fe2o3、pd/so42-/zro2、pd/so42-/tio2、pd/so42-/al2o3、pd/so42-/fe2o3或磷钨酸中的一种或几种。
本发明第三方面公开了含有烷基金刚烃和烷基十氢萘的燃料用于航空航天燃料的用途。
本发明的有益效果：
1、本发明的含烷基金刚烃和烷基十氢萘的燃料，以烷基金刚烃的同分异构体混合物和烷基十氢萘的同分异构体为主要成分。其中的烷基金刚烃和烷基十氢萘的含量大于90.0wt％，燃料的冰点低于-75℃，密度为0.90g/cm3以上。热安定测试：jftot动态热氧化测试仪测试温度大于480℃，具有优异的高热安定性。
2、本发明的制备方法工艺简单，反应过程无需溶剂、催化剂使用量小、环境友好。得到的燃料为含烷基金刚烃和烷基十氢萘的含量超过90.0wt％的高密度、高热安定的液体碳氢燃料，非常适用于航空航天的燃料。同时可以根据燃料性能要求，调整反应条件使其中一种成分的含量高于另一种成分的含量，或者得到两种成分含量都达到要求的燃料。
3、本发明的含烷基金刚烃和烷基十氢萘的燃料可以由含烷基金刚烃的燃料和含烷基十氢萘的燃料复配，也可以由本发明的制备方法制备，得到的复合燃料各成分具有协同作用，即具有较高的密度和优异的低温性能，又具有优异的高热安定性。
具体实施方式
以下实施例来进一步说明本发明，实施例仅是示例性的，而非限制性的。
实施例1：含烷基金刚烃和烷基十氢萘的燃料的制备
在250ml三口烧瓶中加入120g烷基四氢双环戊二烯和24g的alcl3，在60℃下反应24h，得到的产物其中烷基金刚烃含量为90.1wt％、烷基十氢萘含量为9.5wt％；经测试，该燃料密度为0.922g/ml，冰点为-80℃；热安定测试：jftot动态热氧化测试仪测试温度大于480℃。
实施例2-13
实施例2-13的制备条件及得到的燃料烷基金刚烃含量和烷基十氢萘含量如表1所示。
表1实施例2-13
经测试，实施例2-13的产物密度都大于0.90g/ml，冰点都低于-75℃；热安定性，jftot动态热氧化测试仪测试温度都大于480℃。
本发明的制备方法可以根据燃料性能要求，调整反应条件使其中一种成分的含量高于另一种成分的含量，或者得到两种成分含量都达到要求的燃料。