納米銅粉團(tuán)聚物在微尺度下的點(diǎn)火及燃燒特性

黃雪峰，周東輝，李盛姬，徐江榮

(1.杭州電子科技大學(xué) 理學(xué)院，杭州　310018；2.杭州電子科技大學(xué) 材料與環(huán)境工程學(xué)院，杭州　310018)

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納米銅粉團(tuán)聚物在微尺度下的點(diǎn)火及燃燒特性

黃雪峰1，周東輝1，李盛姬2，徐江榮1

(1.杭州電子科技大學(xué) 理學(xué)院，杭州310018；2.杭州電子科技大學(xué) 材料與環(huán)境工程學(xué)院，杭州310018)

金屬燃料降為納米尺度，燃燒室降至微米尺度，其點(diǎn)火和燃燒將呈現(xiàn)不同的特性。選用非揮發(fā)性金屬納米銅為研究對象，分析其氧化過程和燃燒路線，并結(jié)合相變分析其燃燒過程中的分裂和微爆炸現(xiàn)象。在微尺度下，常溫常壓靜止空氣流中，納米銅粉的最低點(diǎn)火功率為27.4 mW，最短點(diǎn)火延遲時間低于6 ms。點(diǎn)火延遲時間受點(diǎn)火功率、圓形度和等效粒徑等綜合因素的影響。納米銅粉的典型燃燒過程包括燃燒啟動、擴(kuò)散燃燒、弱火焰和淬熄4個階段。納米銅粉受激光預(yù)熱，發(fā)生氧化變?yōu)槿廴阢~后發(fā)生非均相著火及表面燃燒。銅氧化物部分溶于熔融銅而變成內(nèi)含物，氮?dú)獾热苡谌廴阢~后，導(dǎo)致納米銅粉分裂和微爆炸。激光功率高于最低點(diǎn)火功率時，納米銅粉發(fā)生有焰燃燒，火焰面呈圓形，火焰鋒面和亮度發(fā)生波動，燃燒不穩(wěn)定。微尺度下，納米銅粉的燃燒存在弱火焰形式，進(jìn)而發(fā)生淬熄，淬熄后的燃燒產(chǎn)物保持圓形。

納米銅粉；微燃燒；金屬燃料；微爆炸

0　引言

納米金屬燃料具有燃燒熱值高、燃燒火焰溫度高、顆粒產(chǎn)物的輻射系數(shù)高、燃燒過程中呈現(xiàn)明亮的火焰等特點(diǎn)。因此，可作為推進(jìn)劑、炸藥、煙火中的燃料或添加劑[1]。火箭中使用高燃燒熱值的納米金屬燃料或燃料添加劑，可大幅提高燃燒熱和燃燒效率，改善燃燒穩(wěn)定性，獲得高的推力，同時減輕燃料箱重量，降低成本[2]。炸藥中添加金屬粉體能提高爆破力和沖擊敏感性，如TNT炸藥中添加15% 的納米鋁粉, 其能量可提高20%，氣體體積增加30%[3]。煙火燃料中摻入納米金屬粉體, 可提高其穩(wěn)定性和持久性[4]。此外，納米金屬還可用作汽車發(fā)動機(jī)燃料，減少尾氣排放[5]。

根據(jù)金屬燃料的燃燒特性，Brzustowski等[6]把金屬分為揮發(fā)性金屬(如Li、Na、K、Mg、Ca等)、氧化物不溶的非揮發(fā)性金屬(如Al、Be、Si等)、氧化物可溶的非揮發(fā)性金屬(如Ti、Zr等)和揮發(fā)性氧化物的高熔點(diǎn)金屬(如B等)。金屬燃燒包括預(yù)熱、氧化、熔融、蒸發(fā)、溶解、點(diǎn)火、燃燒、熄火和凝固等物理和化學(xué)過程。在金屬燃燒過程中涉及相變(熔融、蒸發(fā)、溶解、凝固等)。因此，可借助金屬與氧或氮等二元相圖，對燃燒過程及產(chǎn)物進(jìn)行分析。Dreizin等[7]綜述了金屬(Fe、Ti、Zr、Cu、Al和Mg等)燃燒過程中的相變機(jī)理，結(jié)合相圖分析，將金屬燃燒分為2個主要階段。第一階段形成金屬-氣溶液，超過一種相平衡存在或者幾種潛在的相平衡發(fā)生，將導(dǎo)致亮度、溫度突變和撕裂破碎等行為。溶解在熔融金屬中的氣相組分(如氮?dú)?，將引起金屬膨脹、分裂破碎，甚至爆炸。第二階段生產(chǎn)新相氧化物并析出。

對于典型的揮發(fā)性金屬的燃燒研究，Kurth等[8]研究了Mg金屬在低溫、低氧分壓條件下的氧化動力學(xué)行為。Mirak等[9]對Mg金屬在不同環(huán)境氛圍下的表面氧化進(jìn)行了表征。Beloni等[10]研究了微米級Mg金屬的點(diǎn)火特性。Legrand等[11]研究了Mg在CO2中的點(diǎn)火和燃燒特性。結(jié)果表明，點(diǎn)火受化學(xué)動力控制，粒徑越小，點(diǎn)火所需壓力越高，燃燒是氣相控制過程，滿足時間粒徑平方規(guī)律。Goldshleger等[12]研究了單顆鎂粒子在氧氣和氬氣混合物中的氧化和燃燒特性，獲得不同氧化劑、溫度條件下顆粒表面的溫度和接近試樣表面氣相反應(yīng)區(qū)的溫度，以及鎂的高溫氧化圖。

對于非揮發(fā)性金屬，Mohan等[13]研究了微米級球形Al粒子在不同的氧化氣氛中的點(diǎn)火行為。Badiola等[14]研究了微米級Al粒子的燃燒特性。結(jié)果表明，微米級Al粒子的燃燒包括3個階段。Molodetsky等[15]對Zr金屬在燃燒過程中溫度和內(nèi)含物組分的演變進(jìn)行了研究。Badiola等[16]也對微米級Ti和Zr等金屬的燃燒行為進(jìn)行了研究。Bidabadi[17]研究了單顆微米級Fe粒子的燃燒溫度變化和燃燒時間。

從報道的文獻(xiàn)來看，僅Dreizin等[18-19]研究了微米級Cu粒子的燃燒特性，在銅粉著火后，迅速通入惰性氣體，使之淬熄，觀察銅氧化物特征。盡管非揮發(fā)性金屬銅的燃燒熱值較低，但金屬銅可用于制備金屬合金燃料(如Cu/Al、Cu/Mg合金)，改善金屬燃料的點(diǎn)火和燃燒特性；其氧化物多用于制備殼燃料。因此，有必要對金屬銅的燃燒進(jìn)行研究。

相對于微米級金屬粉末，納米金屬粉末具有更高的比表面積，更多的氧化活性位點(diǎn)和表面活化能，其點(diǎn)火延遲時間和燃燒時間縮短，燃燒更充分，效率更高[20-21]。高能密度的納米金屬粉末作為燃料添加劑，可顯著提高引擎功率輸出，減少其他液體或固體燃料的消耗，從而降低碳、氮、硫氧化物的排放。此外，納米金屬粉末通常具有催化作用，從而提高燃料的氧化和燃燒速率[22-23]。

隨著燃燒系統(tǒng)尺度的降低，微燃燒能源系統(tǒng)存在尺度效應(yīng)、表面效應(yīng)、多場、多相耦合效應(yīng)。因此，微燃燒過程中呈現(xiàn)出燃料供給及混合困難、燃料的滯留時間極短、燃燒熱損失極大、活性自由基消耗增多、燃燒的不穩(wěn)定性增強(qiáng)等問題[24-26]。

為了探索納米級金屬燃料在微尺度下的點(diǎn)火和燃燒特性，本文采用激光點(diǎn)火方式，對微尺度下納米銅粉分散在常溫常壓靜止空氣流中的點(diǎn)火和燃燒特性進(jìn)行研究，包括激光點(diǎn)火的最低點(diǎn)火功率、點(diǎn)火延遲時間、著火模式，燃燒火焰結(jié)構(gòu)、火焰亮度，以及燃燒過程中的分裂、微爆炸等新特征。分析和討論納米銅粉的燃燒路線、燃燒前后相變及形狀變化特征，揭示非揮發(fā)性金屬粉末的燃燒機(jī)理。

1　理論及模型

1.1納米銅粉氧化模型

塊狀銅及銅氧化物的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)見表1[27]。銅氧化物的熔點(diǎn)比銅高150～240 ℃，但沸點(diǎn)比銅低560～760 ℃。隨著粒徑的降低，金屬粉末的比表面積增大，表面活化能增大，熔點(diǎn)逐漸降低。當(dāng)銅粉粒徑為104 nm時，熔點(diǎn)為413.5 ℃；粒徑為52 nm時，熔點(diǎn)為354.3 ℃；粒徑為23 nm時，熔點(diǎn)為321.9 ℃；粒徑為13 nm時，其熔點(diǎn)為224.4 ℃[28]。當(dāng)銅粉被置入空氣中并加熱，銅粉首先被預(yù)熱進(jìn)而發(fā)生氧化反應(yīng)。不同粒徑的銅粉在不同的加熱速率及溫度下呈現(xiàn)不同的氧化行為。氧化行為差異主要表現(xiàn)在金屬氧化物的多孔性和厚度[29]。

表1　塊狀銅及銅氧化物的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)

納米銅粉在激光加熱作用下的氧化模型見圖1。當(dāng)氧化溫度逐漸提高，氧化物層從致密型變?yōu)槎嗫住⑾∈韬退槠?。使用高匯聚激光束，對納米銅粉進(jìn)行加熱，功率密度高，加熱速率大，不同于緩慢加熱氧化過程。因此，產(chǎn)生的氧化物層具有多裂縫碎片結(jié)構(gòu)，但厚度較薄。環(huán)境中氧分子易于通過碎片裂縫擴(kuò)散至銅表面，當(dāng)加熱溫度超過銅粉熔點(diǎn)時，銅粉變?yōu)槿廴趹B(tài)，氧化物和擴(kuò)散的空氣將溶于熔融銅。

圖1　納米銅粉的氧化模型

1.2納米銅粉燃燒路線

根據(jù)銅粉表面溫度與銅氧化物熔點(diǎn)的關(guān)系，存在3種燃燒路線。(1)表面溫度低于銅氧化物熔點(diǎn)：整個燃燒反應(yīng)過程緩慢進(jìn)行，直至所有銅粉均轉(zhuǎn)化為氧化物，氧化物呈現(xiàn)雜亂結(jié)聚結(jié)構(gòu)，其尺寸與原銅粉的尺寸相當(dāng)。(2)表面溫度等于或略高于銅氧化物熔點(diǎn)：銅粉著火后，在表面發(fā)生燃燒氧化反應(yīng)，部分氧化物溶于熔融銅變?yōu)閮?nèi)含物，部分氧化物殼熔化并粘附在熔融銅表面；燃燒產(chǎn)物為固態(tài)氧化物，但尺寸比原銅粉小。(3)表面溫度遠(yuǎn)高于銅氧化物熔點(diǎn)：銅粉變?yōu)槿廴阢~后發(fā)生沸騰，沖破氧化物層；溶解在熔融態(tài)中的氮?dú)馀蛎浀纫鸱至鸦蛭⒈?；燃燒后的產(chǎn)物為多顆氧化物，其尺寸比爆裂銅液滴粒徑小。對于微燃燒室內(nèi)納米銅粉的燃燒路線，以后2種方式為主。

1.3納米銅粉燃燒相變

納米銅粉在燃燒過程中涉及相變：銅粉受激光加熱后溫度升高，超過熔點(diǎn)而變?yōu)槿廴阢~；火焰淬息后銅及氧化物在環(huán)境空氣中迅速冷卻而凝固。銅氧化物的熔點(diǎn)比銅高150～240 ℃，生成的氧化物在燃燒過程中也為熔融態(tài)。當(dāng)火焰淬熄后，生成的氧化物CuOx形式需根據(jù)銅-氧二元相圖來分析。對于塊狀和微米級銅，相平衡溫度分別為1 613、1 495、1 363、1 338 K[18]。對于納米銅粉，相平衡溫度均會降低。

2　實(shí)驗(yàn)和方法

本實(shí)驗(yàn)裝置包括激光點(diǎn)火系統(tǒng)和微燃燒系統(tǒng)。激光點(diǎn)火系統(tǒng)在先前的研究[30-31]中均有報道，先前的系統(tǒng)作為光鑷裝置來捕獲和點(diǎn)燃微粒，而在本文工作中主要用于對納米銅粉進(jìn)行點(diǎn)火。CCD相機(jī)全像素4 608×3 288，幀率在選擇成像區(qū)域(ROI)模式下可達(dá)到158幀每秒。微燃燒系統(tǒng)包括微泵、微燃燒室、管路和連接配件。微燃燒室采用光刻工藝制作，底層為白玻璃，上層為蓋玻片。微燃燒室為矩形通道，其寬度約為350 μm，深度約為100 μm，長度約為20 mm。

納米銅粉為自制銅粉，采用蒸汽冷凝法，粒徑分布為數(shù)十至數(shù)百納米，不均勻。銅粉存在團(tuán)聚現(xiàn)象，形成微米級的團(tuán)聚物。納米銅粉通過振蕩與空氣進(jìn)行預(yù)混；然后，由微泵將納米銅粉和空氣混合物泵入微燃燒室。為了減少銅粉間的相互影響，銅粉需稀疏地分散在微燃燒室內(nèi)。微燃燒的進(jìn)出口暴露于環(huán)境空氣中，可與環(huán)境空氣進(jìn)行自然對流。待微燃燒室內(nèi)空氣基本處于靜止?fàn)顟B(tài)而進(jìn)行點(diǎn)火。納米銅粉團(tuán)聚物呈不規(guī)則形狀。因此，其等效粒徑表達(dá)為D=4Sg/L。其中，Sg和L為納米銅粉的面積和周長。在燃燒過程中，納米銅粉會發(fā)生形變。因此，采用圓形度來表征，圓形度表達(dá)式為R= 4Sg/L2。納米銅粉聚合物及其燃燒火焰尺寸通過對CCD采集的圖像進(jìn)行濾波、二值化和邊緣檢測處理后進(jìn)行測量。由于難以測算在微尺度下點(diǎn)火溫度，因此點(diǎn)火延遲時間定義為：納米銅粉受激光加熱的初始時刻到銅粉表面出現(xiàn)微弱火光的時間差。

3　結(jié)果分析與討論

3.1納米銅粉的典型燃燒階段

納米銅粉在微尺度下的典型燃燒歷程見圖2，與1.2節(jié)中的第二種燃燒路線一致。不規(guī)則的銅粉在激光作用下，發(fā)生氧化、相變、點(diǎn)火、燃燒和淬熄。激光加熱功率為35.1 mW。圖2(a)中的銅粉等效粒徑為4.59 μm，圓形度為0.72。在激光的加熱作用下，納米銅粉發(fā)生氧化反應(yīng)，待溫度達(dá)到熔點(diǎn)變?yōu)槿廴阢~，出現(xiàn)收縮，見圖2(b)。面積收縮為初始面積的78.7%，圓形度為0.62。圓形度變小是部分銅粉發(fā)生相變收縮所致，如果全部銅粉均相變?yōu)槿廴趹B(tài)，則圓形度必然增大。在圖2(b)中，還可看到微弱的火焰，因此確定常溫常壓下靜止空氣中，在加熱功率為35.1 mW時，等效粒徑為4.59 μm的納米銅粉形成的團(tuán)聚物點(diǎn)火延遲時間約6 ms。點(diǎn)火后，納米銅粉發(fā)生擴(kuò)散燃燒，火焰亮度、面積和鋒面發(fā)生變化，經(jīng)歷36 ms后發(fā)生淬熄，見圖2(c)～(f)。燃燒后的產(chǎn)物有效粒徑為3.82 μm，面積收縮為初始的56.9%。根據(jù)1.3節(jié)中的相變理論可知，在微尺度下的氧濃度相對降低。因此，在火焰淬熄后，燃燒產(chǎn)物的主要成分為Cu2O，且含有少量的Cu和CuO。

(a)0 ms　　(b)6 ms 　　(c)12 ms

(d)18 ms　　 (e)30 ms　　(f)36 ms

火焰面積隨時間變化的情況見圖3。由圖3可看出，納米銅粉在微尺度下的典型燃燒經(jīng)歷4個階段：燃燒啟動、擴(kuò)散燃燒、弱火焰和淬熄。第1階段：納米銅粉在預(yù)熱后發(fā)生氧化反應(yīng)，溫度升高變?yōu)槿廴趹B(tài)，而后發(fā)生著火，啟動燃燒。第2階段：在自然對流作用下，火焰迅速傳播，火焰鋒面擴(kuò)展，火焰面積增大，而且由于燃燒的推進(jìn)火焰溫度升高，亮度增大。由于微燃燒室的散熱損失較大，而且壁面將會造成一部分自由基的消耗。因此，火焰在短暫地達(dá)到最高溫度后迅速降低，但由于納米銅粉燃燒釋放出大量的反應(yīng)熱，使得火焰溫度升高，擴(kuò)散燃燒火焰的溫度、亮度和面積出現(xiàn)振蕩，即燃燒處于不穩(wěn)定狀態(tài)。第3階段：由于散熱損失大于燃燒釋放的熱量，燃燒變?yōu)槿趸鹧嫘问?，但燃燒還在持續(xù)進(jìn)行。第4階段：由于燃燒不能自持進(jìn)行，火焰發(fā)生淬熄，燃燒停止。

3.2納米銅粉的點(diǎn)火

Grosse等[32]的研究結(jié)果表明，金屬存在3種不同的點(diǎn)火形式：(1)點(diǎn)火發(fā)生在熔點(diǎn)以下，如Mg、Ca、Ti、Zr、Mo、Fe等；(2)點(diǎn)火發(fā)生在熔點(diǎn)以上，如Al、Li、Na等；(3)根本不能點(diǎn)燃，如Hg、Ag、Pt。根據(jù)熱力著火理論，當(dāng)燃料獲得的能量與損失的能量達(dá)到平衡時發(fā)生著火。對于金屬燃料，其粒徑尺寸大大影響點(diǎn)火延遲時間。粒徑越小，比表面積越大，獲得的熱量越快，易于點(diǎn)燃。對于納米金屬粒子，其比表面積非常大，火焰鋒面的熱傳導(dǎo)大大降低，在環(huán)境氣體中的熱損失減少。

圖3　納米銅粉的典型燃燒階段

從圖2可知，納米銅粉著火發(fā)生在局部，稱之為非均相著火。銅粉出現(xiàn)火光的時間為6 ms。因此，其點(diǎn)火延遲時間約6 ms。在納米銅粉著火過程中，發(fā)現(xiàn)銅粉出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，即有效粒徑變小，表明著火發(fā)生在納米銅發(fā)生相變之后。點(diǎn)火是一個復(fù)雜的過程，受諸多因素影響。在常溫常壓下，點(diǎn)火功率、銅粉形狀(圓形度)和等效粒徑對點(diǎn)火延遲時間的影響見表2。

由表2可見，納米銅粉的最低點(diǎn)火功率是27.4 mW。納米銅粉在最低點(diǎn)火功率下的點(diǎn)火延遲時間為6 ms和12 ms。當(dāng)點(diǎn)火功率提高至35.1 mW及以上時，點(diǎn)火延遲時間均為6 ms。點(diǎn)火延遲時間受點(diǎn)火功率影響較大，隨著點(diǎn)火功率的提高，點(diǎn)火延遲時間縮短。由于CCD相機(jī)幀率的限制，只能判斷納米銅粉的最短點(diǎn)火延遲時間小于6 ms。圓形度和等效粒徑等對點(diǎn)火延遲時間的影響沒有呈現(xiàn)單調(diào)規(guī)律。因此，納米銅粉的點(diǎn)火延遲時間受點(diǎn)火功率、圓形度和等效粒徑等綜合因素的影響。

3.3燃燒火焰結(jié)構(gòu)

當(dāng)點(diǎn)火功率低于最低點(diǎn)火功率27.4 mW時，納米銅粉受激光加熱而發(fā)生緩慢氧化反應(yīng)，其氧化物層的特征按照1.1節(jié)中的氧化模型變化。隨著加熱時間的延長，銅粉發(fā)生相變?yōu)槿廴阢~，繼而發(fā)生無焰燃燒。在這個過程中，不能明確地判斷點(diǎn)火延遲時間。當(dāng)點(diǎn)火功率高于最低點(diǎn)火功率時，銅粉迅速發(fā)生氧化并著火。納米銅粉著火后發(fā)生有焰燃燒，火焰結(jié)構(gòu)在投影面內(nèi)基本呈現(xiàn)圓形?；鹧驿h面在擴(kuò)散燃燒過程中的傳播速率見圖4。傳播速率在零線以上，表示火焰鋒面向外擴(kuò)展；傳播速率在零線以下，表示火焰鋒面向內(nèi)收縮；傳播速率在零線上，表示火焰鋒面靜止不動。圖4中，在6 ms時，火焰鋒面接近最大傳播速率，為0.17 mm/s。在12～30 ms內(nèi)，火焰鋒面的傳播速率在零線上下出現(xiàn)，表明火焰鋒面存在波動、燃燒不穩(wěn)定。在36 ms時，火焰鋒面收縮最大，其傳播速率為-0.22 mm/s。

表2　不同粒徑的銅粉在不同點(diǎn)火功率時的點(diǎn)火延遲時間、

圖4　火焰鋒面?zhèn)鞑ニ俾?/p>

3.4分裂及微爆炸

納米銅粉在泵入微燃燒室后，呈現(xiàn)不同形狀和堆積密度。由于加熱激光的光斑小于團(tuán)聚物尺寸，因此團(tuán)聚物將會被局部加熱而氧化以及發(fā)生相變?yōu)槿廴阢~。熔融銅在表面張力的作用下發(fā)生收縮，導(dǎo)致與周圍的銅粉分裂。在燃燒熱的作用下，熔融銅溫度持續(xù)升高而沸騰，沖破氧化物層，導(dǎo)致銅粉團(tuán)聚物爆裂。同時，部分銅氧化物和空氣中的氮?dú)獾葘⑷苡谌廴阢~，隨著溫度的升高，溶于熔融銅中的氣體膨脹，導(dǎo)致團(tuán)聚物的分裂或微爆炸。納米銅粉分裂和微爆炸現(xiàn)象通常出現(xiàn)在1.2節(jié)中的第3種燃燒路線中。

當(dāng)點(diǎn)火功率低于最低點(diǎn)火功率時，納米銅粉燃燒過程中的典型分裂現(xiàn)象見圖5。加載功率為19.8 mW時，約6 ms后，納米銅粉團(tuán)聚物出現(xiàn)分裂跡象，1顆子團(tuán)聚物脫離母團(tuán)聚物中向左側(cè)移動，但距離母團(tuán)聚物很近，見圖5(b)。銅粉左移是由于激光加熱，導(dǎo)致銅粉左右兩側(cè)出現(xiàn)溫差引起的光泳力所致[31]。在激光的持續(xù)加熱作用下，中間部分的銅粉變?yōu)槿廴趹B(tài)，發(fā)生表面收縮，導(dǎo)致與兩側(cè)的銅粉分裂，形成3塊小的團(tuán)聚物，中間銅粉因發(fā)生相變而成圓形，見圖5(c)。由于激光加熱功率低于最低點(diǎn)火功率，因此發(fā)生無焰燃燒，持續(xù)時間為18 ms。當(dāng)點(diǎn)火功率高于最低點(diǎn)火功率，納米銅粉在燃燒過程中的分裂現(xiàn)象見圖6。激光功率為64.4 mW，整個燃燒過程持續(xù)為30 ms。激光聚焦在顆粒左邊緣，母團(tuán)聚物被分裂為2個子團(tuán)聚物。圖6(b)中，也可觀察到由于光泳力導(dǎo)致的銅粉移動現(xiàn)象。圖6(c)中，被激光點(diǎn)燃的子團(tuán)聚物發(fā)生有焰燃燒，其燃燒階段與典型燃燒階段一致，燃燒火焰淬熄后的產(chǎn)物呈圓形。

(a)0 ms　　(b)6 ms 　　(c)18 ms

(a)0 ms　　　(b)6 ms 　　(c)18 ms　　　(d)30 ms

納米銅粉在燃燒過程中的微爆炸現(xiàn)象見圖7，其燃燒歷程與1.2節(jié)中的第3種燃燒路線一致。激光加熱功率為最低點(diǎn)火功率27.4 mW，納米銅粉團(tuán)聚物的等效粒徑為5.93 μm，點(diǎn)火時間約12 ms。在點(diǎn)火過程中，微爆炸發(fā)生，1顆子團(tuán)聚物從母團(tuán)聚物中飛射出來，速度可達(dá)2.52 mm/s。微爆炸后的納米銅粉依然發(fā)生圖2中描述的典型燃燒過程，最終火焰淬熄。從圖7(a)和圖7(f)中可觀察到，1顆大的納米銅粉團(tuán)聚物在燃燒后變?yōu)?顆高圓形度的子團(tuán)聚物，與圖2中銅粉爆裂后發(fā)生燃燒的結(jié)果一致。燃燒火焰淬熄后，2顆子團(tuán)聚物的成分為大量的Cu2O及少量的Cu和CuO。

(a)0 ms　　(b)6 ms 　　(c)12 ms

(d)18 ms 　　(e)24 ms　　(f)30 ms

4　結(jié)論

(1)通過在微尺度下對納米銅粉的點(diǎn)火和燃燒特性研究，可提高對非揮發(fā)性納米金屬燃燒機(jī)理的認(rèn)識，了解其預(yù)熱、氧化、相變、點(diǎn)火、燃燒、分裂和微爆炸等特性。結(jié)果表明，納米尺度的金屬燃料在微尺度燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火和燃燒呈現(xiàn)不同的特性，在激光點(diǎn)火作用下出現(xiàn)兩種主要的燃燒路線。

(2)納米銅的著火發(fā)生在相變?yōu)槿廴阢~之后。在常溫常壓靜止空氣流中的最低點(diǎn)火功率為27.4 mW，最短點(diǎn)火延遲時間低于6 ms。點(diǎn)火延遲時間受點(diǎn)火功率、圓形度和等效粒徑等綜合因素的影響。

(3)納米銅粉在微尺度下的典型燃燒包括燃燒啟動、擴(kuò)散燃燒、弱火焰和淬熄4個階段。納米銅粉的燃燒啟動過程包括激光預(yù)熱、氧化反應(yīng)、相變?yōu)槿廴阢~和著火。在燃燒啟動過程中，銅氧化物溶于熔融銅而變成內(nèi)含物，氮?dú)獾热苡谌廴阢~會導(dǎo)致分裂和微爆炸現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)激光加熱功率低于最低點(diǎn)火功率時，納米銅粉發(fā)生無焰燃燒。如果激光聚焦在納米銅粉團(tuán)聚物中間，發(fā)生微爆炸后分裂為3顆子團(tuán)聚物，其中中間的子團(tuán)聚物因?yàn)榘l(fā)生無焰燃燒而呈現(xiàn)圓形；如果激光聚焦在母團(tuán)聚物邊緣，那么將分裂為兩顆子團(tuán)聚物，其中一顆也呈現(xiàn)圓形。

(4)當(dāng)激光加熱功率高于最低點(diǎn)火功率時，納米銅粉發(fā)生有焰燃燒。在燃燒啟動過程中，可明確判斷納米銅粉著火時刻，發(fā)生微爆炸后，剩余的納米銅粉繼續(xù)燃燒，其燃燒過程與典型燃燒一致。

(5)在自然對流作用下，納米銅粉發(fā)生擴(kuò)散燃燒，火焰迅速傳播，火焰鋒面擴(kuò)展。在火焰面達(dá)到最大值后收縮，擴(kuò)散燃燒火焰的溫度、亮度和面積出現(xiàn)振蕩，燃燒處于不穩(wěn)定狀態(tài)。由于微燃燒室的散熱損失較大，而且壁面將會造成一部分自由基的消耗，造成燃燒的弱火焰形式，最后火焰淬熄。燃燒過程中火焰面保持圓形，無論燃燒前顆粒為任何形狀，在燃燒過程發(fā)生相變?yōu)槿廴趹B(tài)。因此，燃燒淬熄后的產(chǎn)物保持為圓形。

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(編輯：劉紅利)

Ignition and combustion characteristics of nano-sized copper powder aggregate at the micro-scale

HUANG Xue-feng1，ZHOU Dong-hui1，LI Sheng-ji2，XU Jiang-rong1

(1.School of Science，Hangzhou Dianzi University，Hangzhou310018，China；2.College of Materials and Environmental Engineering,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou310018，China)

The ignition and combustion characteristics of fuels composed of nano-metal at the micro-scale would be different from those of micron-sized metal at the macro-scale and meso-scale combustors.The oxidation of non-volatile nano copper powders was analyzed,and its combustion route was carried out. During the combustion,the split and the micro-explosion phenomena of nano copper powders were demonstrated and discussed on the basis of the binary Cu-O phase diagram.At the micro-scale,in a stagnation air flow at the atmospheric pressure,the minimum ignition power of nano copper powders is 27.4 mW,and the shortest ignition delay time is below 6 ms.Ignition delay time is influenced by ignition power,roundness and equivalent diameter of nano copper powders.The classical combustion of nano copper powders includes four stages,i.e.,the startup of combustion,diffusive combustion,weak flame and extinction.After nano copper powders are preheated by the laser,copper powders take oxidation reaction and become molten copper,and then take heterogeneous ignition and surface combustion.A part of copper oxide dissolves in molten copper and becomes inclusion.Simultaneously,nitrogen also dissolves in molten copper,resulting in the occurrence of split and micro-explosion phenomena during the combustion.As the laser power is beyond the minimum ignition power,nano copper powders combust with bright flame,and the shape of combustion flame looks like circle.The fluctuation of the flame front and flame brightness shows instable combustion.At the micro-scale,the diffusion combustion followed by the weak flame,and the flame eventually extinguishes.The round combustion residues can be clearly observed after extinction.

nano copper；micro-combustion；metal fuels；micro-explosion

2014-09-17；

2014-10-31。

國家自然科學(xué)基金(51276053，51006029)；浙江省自然科學(xué)基金(LY14E060002)；浙江省中青年學(xué)科帶頭人學(xué)術(shù)攀登項(xiàng)目(pd2013158)。

黃雪峰(1981—)，男，副教授，研究方向?yàn)槲⑷紵⒍嘞嗔?。E-mail：xuefenghuang@hdu.edu.cn

V512

A

1006-2793(2016)01-0083-07

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.01.015