微燃燒室內(nèi)納米鋁粉的激光點(diǎn)火及燃燒特性

周東輝，黃雪峰，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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微燃燒室內(nèi)納米鋁粉的激光點(diǎn)火及燃燒特性

周東輝1，黃雪峰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)

實(shí)驗(yàn)研究納米鋁粉在微尺度下的點(diǎn)火、燃燒現(xiàn)象，結(jié)合納米鋁氧化理論、顆粒間燒結(jié)模型，提出納米鋁粉在微尺度下的點(diǎn)火、燃燒模式。在微燃燒室內(nèi)常溫常壓靜止空氣流中，納米鋁粉的最低激光點(diǎn)火功率低于13.0 mW(功率密度為1.49×109W/m2)，點(diǎn)火延遲時(shí)間在μs量級(jí)。當(dāng)點(diǎn)火功率密度相同時(shí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間受圓形度、等效粒徑和堆積密度等綜合因素影響。納米鋁粉在微尺度下的典型燃燒過(guò)程包括燃燒啟動(dòng)、擴(kuò)散燃燒、弱火焰和淬熄。納米鋁粉被激光預(yù)熱、鋁核升溫熔化導(dǎo)致核殼破裂引起異相著火，破裂過(guò)程中可能發(fā)生微爆炸。著火后，在自然對(duì)流作用下，納米鋁粉發(fā)生擴(kuò)散燃燒，燃燒火焰的鋒面、亮度出現(xiàn)振蕩，燃燒處于不穩(wěn)定狀態(tài)。微尺度下納米鋁粉燃燒存在弱火焰形式，最終發(fā)生淬熄。

納米鋁粉；微燃燒；激光點(diǎn)火；不穩(wěn)定燃燒

0　引言

鋁粉具有高能量密度，常作為高能添加劑應(yīng)用于推進(jìn)劑、炸藥等[1]。了解鋁粉點(diǎn)火燃燒性能，對(duì)于鋁粉的應(yīng)用具有非常重要的意義，也一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。目前，研究鋁粉點(diǎn)火燃燒的方法主要有熱分析法[2-3]、平板火焰燃燒器法[4]、激波管法[5-7]、頻閃燈法[8]、激光點(diǎn)火法[9-11]。Trunov等[2，12]采用熱重分析技術(shù)，研究了鋁粉的氧化特性。結(jié)果表明，鋁粉的氧化是一個(gè)逐步氧化過(guò)程，并伴隨著重量的增加。Friedman和Macek[13-14]首先利用平板火焰燃燒器測(cè)量30～50 μm鋁粉的燃燒時(shí)間，獲得了鋁粉燃燒時(shí)間與鋁粉直徑依賴的指數(shù)關(guān)系：t-D1.2-1.5。Tim等[7]利用激波管研究了粒徑為80 nm～40 μm鋁粉顆粒的燃燒峰值溫度隨鋁粉粒徑的變化，燃盡時(shí)間隨氣體壓強(qiáng)的變化及火焰光譜輻射強(qiáng)度變化。Ohkura等[8]首次采用頻閃燈點(diǎn)燃納米鋁粉，點(diǎn)火裝置是一個(gè)配備氙燈的商業(yè)相機(jī)閃光燈(Vivitar 285 HV)，用透射電鏡顯微鏡分析在空氣和氬氣環(huán)境下被閃光燈曝光后的納米鋁粉。結(jié)果表明，納米鋁粉的氧化機(jī)制是熔化分散機(jī)理，該研究首次為熔化分散機(jī)理提供了直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。Marion M等[9]采用激光點(diǎn)火，通過(guò)搭建一套電動(dòng)懸浮裝置，實(shí)現(xiàn)單顆鋁顆粒的懸浮燃燒，實(shí)驗(yàn)采用高速攝像的方法，記錄鋁顆粒燃燒反應(yīng)的全過(guò)程，并采用數(shù)值模型，對(duì)鋁顆粒燃燒速率和粒徑變化進(jìn)行預(yù)測(cè)。

對(duì)于微米級(jí)鋁粉，顆粒的點(diǎn)火溫度高，接近氧化鋁的熔點(diǎn)(2 054 ℃)，燃燒過(guò)程與液滴相似。此外，充當(dāng)固體推進(jìn)添加劑時(shí)，易在推進(jìn)劑表面上凝結(jié)成大的“集坎”，引起燃燒時(shí)間延長(zhǎng)、噴管兩相流損失等問題。而納米鋁粉相比于微米鋁粉，具有高的反應(yīng)活性、較低的點(diǎn)火溫度(約660 ℃)、更快的燃燒速率，縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間，減少燃燒時(shí)間，燃燒更充分以及更高的燃燒效率[15-16]。納米鋁粉的研究有望解決微米級(jí)鋁粉燃燒存在的問題，并用在微燃燒能源系統(tǒng)中。

目前，微燃燒能源系統(tǒng)所使用的燃料普遍為氣體，其燃燒熱值高，易于著火。微尺度下氣體燃料(烴類燃料和氫氣)的燃燒機(jī)理和穩(wěn)燃特性已進(jìn)行了大量研究，但氣體不易存儲(chǔ)、攜帶，對(duì)于微型航空航天設(shè)備以及便攜式設(shè)備而言是一個(gè)較大的問題，而且氣體燃料在燃燒器內(nèi)停留時(shí)間短[17]，限制了高功率密度輸出。微尺度下固體燃料燃燒的研究文獻(xiàn)報(bào)道較少，主要是由于其實(shí)驗(yàn)、測(cè)試難度較大，燃燒過(guò)程難以控制。但固體燃料來(lái)源廣、穩(wěn)定性好、能效高，因此可用在軍事和航天航空，如微火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、微推進(jìn)器等領(lǐng)域。

本文在于探索納米鋁粉在微燃燒室內(nèi)的點(diǎn)火和燃燒特性。采用激光點(diǎn)火方式，獲取分散在常溫常壓靜止空氣流中納米鋁粉的最低點(diǎn)火功率、點(diǎn)火延遲時(shí)間、著火模式、燃燒火焰結(jié)構(gòu)、火焰亮度，以及燃燒過(guò)程中微爆炸等新特征，提出并分析納米鋁顆粒團(tuán)在微尺度下的點(diǎn)火和燃燒模式。

1　基本理論

1.1納米鋁粉的熔點(diǎn)

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。納米鋁粉表面原子相對(duì)于普通鋁粉具有更高的表面活性，更容易熔化來(lái)降低表面能量。文獻(xiàn)[18]給出了半徑為r的鋁粉顆粒熔點(diǎn)的理論表達(dá)式：

(1)

式中Tm(r)為半徑為r的鋁粉顆粒熔點(diǎn)；Tm(∞)為鋁的熔點(diǎn)；ΔHf(∞)為鋁的潛熱；ρs為鋁的密度；σs1為固液界面能。

1.2納米鋁粉的氧化理論

關(guān)于納米鋁顆粒的氧化過(guò)程主要存在兩種理論：擴(kuò)散氧化機(jī)理(DOM)[19-20]和熔化-分散機(jī)理(MDM)[21]。DOM適用于緩慢加熱速率條件，鋁和氧通過(guò)氧化殼層相互擴(kuò)散；MDM適用于較高的加熱速率條件，核芯鋁熔化引起殼層破裂，分散成較小的鋁簇后發(fā)生氧化。

擴(kuò)散氧化機(jī)理(DOM)是基于納米鋁顆粒氧化行為與燃燒物理現(xiàn)象而提出[20]。DOM認(rèn)為，納米鋁顆粒的氧化是一個(gè)輸運(yùn)控制的過(guò)程，不考慮氧化層核殼破裂或變薄導(dǎo)致的氧化速率增強(qiáng)。氧、鋁通過(guò)濃度梯度和壓力梯度擴(kuò)散，因此其通量包括擴(kuò)散通量和對(duì)流通量。氧從納米顆粒外部擴(kuò)散到顆粒反應(yīng)界面，鋁從鋁芯/氧化鋁的接觸界面擴(kuò)散到反應(yīng)界面。鋁和氧在反應(yīng)界面的濃度為零，反應(yīng)面前鋒是動(dòng)態(tài)的。

Levitas[22-23]針對(duì)納米鋁顆粒在高加熱速率(106～108K/s)下的快速反應(yīng)，提出了熔化-分散機(jī)理。在高加熱速率下，納米鋁粉溫度迅速上升到鋁的熔點(diǎn)，瞬間造成了核芯部的鋁熔化，引起核芯體積膨脹，在熔融鋁內(nèi)部產(chǎn)生很大的壓力。此壓力加載在氧化鋁核層上，氧化鋁殼產(chǎn)生約11 GPa的環(huán)形拉應(yīng)力，當(dāng)超過(guò)氧化鋁的理論強(qiáng)度時(shí)，引起納米鋁氧化殼層的快速斷裂和分裂。殼層破裂后，液態(tài)鋁內(nèi)部的壓力保持不變。然而，由于表面張力和周圍氣體壓力，裸露的液態(tài)鋁表面壓力迅速降低到10 MPa，引起一個(gè)卸載波，并傳播到顆粒中心，產(chǎn)生3～8 GPa的拉應(yīng)力，導(dǎo)致核芯以160～250 m/s的速度分散成較小的鋁簇，而鋁簇的反應(yīng)不再是由通過(guò)氧化殼層的擴(kuò)散控制。

1.3顆粒間燒結(jié)模型

在高溫條件下，納米鋁粉顆粒間將發(fā)生燒結(jié)，顆粒中心互相接近，導(dǎo)致有效反應(yīng)面積減小。對(duì)于2個(gè)等粒徑顆粒間的燒結(jié)，可利用KF模型[24-25]來(lái)描述顆粒團(tuán)表面積的變化，公式為

(2)

式中τA為燒結(jié)特征時(shí)間；A為顆粒團(tuán)表面積；Af為燒結(jié)后表面積。

Koch和Friedlander[24]利用唯象理論，設(shè)定燒結(jié)特征時(shí)間τA=3Vη/Aγ，從而獲得了解析解：

初始條件為A(t=0)=A0。假設(shè)燒結(jié)特征時(shí)間是定值，顆粒團(tuán)表面積將以指數(shù)形式減少：

(3)

當(dāng)粘性流動(dòng)控制時(shí)：

(4)

當(dāng)晶界擴(kuò)散控制時(shí)：

(5)

在鋁顆粒燃燒過(guò)程中，氧化層熔化前主要受晶界擴(kuò)散控制，而熔化后受粘性流動(dòng)控制。

2　實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。紅外激光器發(fā)出的光由分光鏡分成2束，其中一束經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束，再經(jīng)鍍膜的分光鏡反射至物鏡，聚焦到微燃燒室中的納米鋁粉，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火；另一束由分束鏡再分成2束，一束入射到功率計(jì)的探頭，通過(guò)換算可獲得激光光束入射到樣品的能量，另一束到達(dá)硅光電探測(cè)器?；鹧孑椛湫盘?hào)由光電倍增管PMT、CCD相機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和PC等接收并處理。PMT通過(guò)多模光纖接收實(shí)驗(yàn)樣品的輻射信號(hào)，同時(shí)利用硅光電探測(cè)器對(duì)激光器的出光信號(hào)進(jìn)行同步記錄，分析兩者信號(hào)的時(shí)間差，可確定點(diǎn)火延遲時(shí)間。CCD相機(jī)記錄樣品點(diǎn)火、燃燒的全過(guò)程。

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350 μm，深度約100 μm，長(zhǎng)度約20 mm。

圖1　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置示意圖

2.2實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用的納米鋁粉為平均粒徑50 nm的球形顆粒(北京德科島金科技有限公司)。納米鋁粉經(jīng)過(guò)鈍化處理，其氧化層厚度為3～5 nm，活性鋁含量約為73.8%。鋁粉的物理參數(shù)見表1，相比微米級(jí)的鋁粉，納米鋁粉具有較低的體積密度，更高的比表面積。

表1　納米鋁粉的物理屬性

3　結(jié)果分析與討論

3.1納米鋁粉的激光點(diǎn)火

3.1.1最低點(diǎn)火功率

隨機(jī)選取微燃燒室內(nèi)的多個(gè)納米鋁顆粒團(tuán)，基本為非球形，測(cè)量選取樣品的周長(zhǎng)、面積、等效粒徑和圓形度(等效粒徑D=4S/L，圓形度R=4S/L2，其中S和L為納米鋁顆粒團(tuán)的面積和周長(zhǎng))。在微燃燒室靜止空氣條件下，逐漸增加激光功率，對(duì)所選樣品進(jìn)行激光點(diǎn)火，記錄整個(gè)點(diǎn)火過(guò)程，樣品的最低點(diǎn)火功率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。從表2可見，點(diǎn)燃6個(gè)樣品的最低功率均為13.0 mW(功率密度為1.49×109W/m2)。因此，判定納米鋁顆粒團(tuán)的等效粒徑、圓形度、周長(zhǎng)、面積及堆積密度對(duì)最低點(diǎn)火功率基本沒有影響，考慮納米鋁粉顆粒團(tuán)的反射、透射和吸收特，性其最低點(diǎn)火功率低于13.0 mW。

3.1.2點(diǎn)火延遲時(shí)間

在相同功率密度條件下，對(duì)多個(gè)樣品進(jìn)行點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)，獲取納米鋁粉的點(diǎn)火延遲時(shí)間。圖2為一隨機(jī)納米鋁粉團(tuán)在激光功率密度為4.84×109W/m2的典型燃燒輻射信號(hào)，實(shí)線為PMT記錄的顆粒團(tuán)點(diǎn)火和燃燒的輻射信號(hào)，虛線為硅光電探測(cè)器記錄的激光出光信號(hào)。顆粒輻射光強(qiáng)度通過(guò)PMT信號(hào)電壓除以它的最大值進(jìn)行歸一化。打開激光器后，輻射信號(hào)第一個(gè)較高的峰值時(shí)間與激光器打開時(shí)刻的差值即點(diǎn)火延遲時(shí)間，為0.40 ms。

鋁粉點(diǎn)火是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，受諸多因素影響。在常溫常壓、功率密度(4.84×109W/m2)相同的點(diǎn)火條件下，納米鋁粉面積、形狀(圓形度)和等效粒徑對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響見表3。由表3可知，在鋁粉圓形度相差很小時(shí)，隨納米鋁粉等效粒徑增大，鋁粉點(diǎn)火延遲時(shí)間有增大趨勢(shì)。對(duì)于金屬燃料，其粒徑尺寸大大影響點(diǎn)火延遲時(shí)間，粒徑越小，比表面積越大，獲取的熱量越多，易于點(diǎn)燃。但表中樣品的等效粒徑對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響，沒有呈現(xiàn)嚴(yán)格的單調(diào)規(guī)律，其原因可能是納米顆粒團(tuán)的堆積密度不同，對(duì)點(diǎn)火延遲時(shí)間造成影響。

表2不同大小納米鋁粉顆粒團(tuán)的最低激光點(diǎn)火功率

Table 2Minimum laser ignition power for different nano-aluminum aggregate

圖2　火焰輻射信號(hào)和激光器出光信號(hào)(激光關(guān)閉定義為0，激光打開定義為1)

3.2納米鋁粉的燃燒

3.2.1納米鋁粉的典型燃燒過(guò)程

納米鋁粉在微尺度下的典型燃燒歷程見圖3，鋁顆粒團(tuán)的等效粒徑為7.84 μm，所用激光點(diǎn)火功率密度為4.84×109W/m2。鋁顆粒團(tuán)著火后，發(fā)生了氣相擴(kuò)散燃燒；隨后，火焰亮度逐漸變得微弱直至熄滅。

圖4為PMT記錄此納米顆粒團(tuán)燃燒的輻射信號(hào)，可知顆粒經(jīng)歷0.45 ms的激光加熱時(shí)間后發(fā)生著火。著火之后，PMT信號(hào)發(fā)生劇烈波動(dòng)，表明顆粒燃燒輻射的光亮度發(fā)生劇烈變化，燃燒以不穩(wěn)定的振蕩方式進(jìn)行。經(jīng)估算，激光的加熱速率至少可達(dá)106k/s量級(jí)，符合熔化-分散機(jī)理(MDM)對(duì)升溫速率的要求，結(jié)合CCD記錄的火焰圖像和PMT信號(hào)，可推測(cè)：在高加熱速率下，納米鋁粉溫度迅速上升到鋁的熔點(diǎn)，瞬間造成了核芯部的鋁熔化，從而引起核芯部的體積膨脹，導(dǎo)致納米鋁顆粒的氧化殼層破裂；裸露的液態(tài)鋁與氧氣發(fā)生如下異相反應(yīng)：4Al(l)+3O2(g)→2Al2O3(s)。液態(tài)鋁與氧氣發(fā)生的異相反應(yīng)釋放大量的熱，再加上激光的持續(xù)加熱，納米鋁粉的溫度迅速升高，并達(dá)到鋁的沸點(diǎn)，引起氣相擴(kuò)散燃燒，主要發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：Al(l)→Al(g)；Al2O3(s)→Al2O3(l)；4Al(g)+3O2(g)→2Al2O3(l)。

表3　不同粒徑的納米鋁粉團(tuán)在相同點(diǎn)火條件時(shí)的點(diǎn)火延時(shí)間、燃燒前后等效粒徑、面積及圓形度的變化

圖3　納米鋁粉的典型燃燒歷程

3.2.2火焰結(jié)構(gòu)

圖5為等效粒徑6.4 μm的納米鋁粉顆粒團(tuán)燃燒過(guò)程中火焰的變化情況，點(diǎn)火功率密度為3.34×109W/m2。此顆粒團(tuán)火焰面積隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖6。

圖4　納米鋁粉燃燒過(guò)程中PMT記錄的顆粒輻射信號(hào)

圖5　納米鋁粉燃燒過(guò)程的火焰結(jié)構(gòu)和鋒面

圖6　納米鋁粉燃燒火焰面積隨時(shí)間的變化

從圖5可看出，納米鋁粉著火后發(fā)生擴(kuò)散燃燒，火焰結(jié)構(gòu)在投影面內(nèi)基本呈現(xiàn)圓形，火焰亮度、面積和鋒面發(fā)生變化，燃燒處于不穩(wěn)定狀態(tài)。隨著燃燒的進(jìn)行，散熱損失大于燃燒釋放的熱量，火焰亮度逐漸降低，面積逐漸變小，燃燒變成弱火焰形式直至淬熄。

3.2.3納米鋁粉的燒結(jié)

從圖3可知，燃燒后產(chǎn)物的等效粒徑為5.42 μm，面積收縮為初始的46.7%，說(shuō)明納米顆粒團(tuán)發(fā)生了燒結(jié)。納米鋁粉燃燒前后的面積、有效粒徑的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。從表3可見，燃燒前后納米鋁粉顆粒團(tuán)的有效粒徑、面積顯著變小，表明納米鋁顆粒團(tuán)中的顆粒間存在一定程度燒結(jié)，顆粒團(tuán)孔隙率下降，內(nèi)表面減少。

燒結(jié)后的顆粒團(tuán)會(huì)阻止空氣的擴(kuò)散，削弱燃燒，導(dǎo)致鋁粉不完全燃燒。通過(guò)XRD檢測(cè)燃燒前后鋁粉及產(chǎn)物的衍射峰值，對(duì)比發(fā)現(xiàn)燃燒產(chǎn)物除Al2O3外，還存在未反應(yīng)的Al粉，這直接證明了納米鋁粉顆粒團(tuán)在高加熱速率下顆粒間會(huì)發(fā)生顯著燒結(jié)，并阻礙充分燃燒。

3.2.4納米鋁粉的燃燒爆裂現(xiàn)象

納米鋁粉顆粒團(tuán)在點(diǎn)火和燃燒過(guò)程中的爆裂現(xiàn)象見圖7，其等效粒徑為4.7 μm，激光點(diǎn)火功率密度為4.84×109W/m2。在燃燒過(guò)程中，發(fā)生顆粒團(tuán)爆裂，一顆子團(tuán)聚物從母團(tuán)聚物中飛射出來(lái)，速度可達(dá)2.1 mm/s。該爆裂現(xiàn)象也可稱為微爆炸，因?yàn)槟笀F(tuán)聚物爆裂后可飛出多顆子團(tuán)聚物，與爆炸類似。爆裂后的納米鋁粉依然發(fā)生圖3中所描述的典型燃燒過(guò)程，但通常淬熄時(shí)間縮短。

3.3微尺度下納米鋁粉的點(diǎn)火和燃燒模式

根據(jù)圖3、圖5和圖7中的點(diǎn)火和火焰結(jié)構(gòu)，納米鋁粉在微尺度下的燃燒過(guò)程主要經(jīng)歷4個(gè)階段：燃燒啟動(dòng)、擴(kuò)散燃燒、弱火焰和淬熄。第1階段：由于點(diǎn)火功率密度較高，納米鋁粉在加熱后溫度升高，至鋁粉熔點(diǎn)后鋁芯熔化引起殼層破裂[22]，熔融態(tài)的鋁與氧氣接觸發(fā)生異相著火，啟動(dòng)燃燒。第2階段：液態(tài)鋁與氧的異相反應(yīng)放出大量的熱，引起顆粒團(tuán)溫度進(jìn)一步升高，當(dāng)溫度達(dá)到鋁的沸點(diǎn)，熔融鋁氣化，發(fā)生氣相燃燒，在自然對(duì)流作用下，火焰迅速傳播，火焰鋒面擴(kuò)展，火焰面積增大，且燃燒的推進(jìn)導(dǎo)致火焰溫度升高，亮度增大。由于微燃燒室散熱損失較大，而且壁面將會(huì)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，但由于納米鋁粉燃燒釋放出大量的反應(yīng)熱，使得火焰溫度升高，因此擴(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)(見圖6)。第3階段：由于散熱損失大于燃燒釋放的熱量，燃燒變?yōu)槿趸鹧嫘问剑紵€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。

圖7　納米鋁粉燃燒過(guò)程中的破裂現(xiàn)象

由于納米鋁顆粒團(tuán)的比表面積大，燃燒過(guò)程受氣相擴(kuò)散控制，如果加熱速率過(guò)大，顆粒團(tuán)將會(huì)爆裂，產(chǎn)生火星四射的現(xiàn)象，與Ohkura等[8]在頻閃燈照射鋁顆粒堆實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象一致。根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測(cè)，當(dāng)點(diǎn)火加熱速率不同時(shí)，納米鋁顆粒團(tuán)的燃燒存在2種不同的燃燒路線，見圖8。

圖8　納米鋁粉的燃燒路線

如果加熱升溫速率很快，顆粒團(tuán)內(nèi)產(chǎn)生了巨大的內(nèi)應(yīng)力[23]，導(dǎo)致顆粒團(tuán)可能破碎，產(chǎn)生2個(gè)或多個(gè)燃料顆粒，顆粒軌跡將有所改變，納米鋁顆粒團(tuán)的燃燒按照?qǐng)D8a破裂途徑進(jìn)行。如果升溫速率較慢，顆粒團(tuán)內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較小，不能使顆粒漲破，納米鋁顆粒團(tuán)將完整地進(jìn)行升溫、燒結(jié)、反應(yīng)，由于高溫下顆粒團(tuán)有效反應(yīng)面積減小，使得反應(yīng)速率減慢，最終部分鋁被封存于顆粒團(tuán)內(nèi)部，難以充分燃燒，即按照?qǐng)D8b完整氧化途徑進(jìn)行。

4　結(jié)論

(1)通過(guò)在微尺度下對(duì)納米鋁粉的點(diǎn)火和燃燒特性研究，有助于理解納米鋁粉點(diǎn)火和燃燒的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在微尺度下常溫常壓靜止空氣流中，納米鋁粉的最低點(diǎn)火功率低于13.0 mW(功率密度為1.49×109W/m2)，點(diǎn)火延遲時(shí)間在μs量級(jí)，點(diǎn)火延遲時(shí)間受圓形度和等效粒徑等綜合因素的影響。著火之后，納米鋁粉顆粒團(tuán)燃燒非常劇烈，可產(chǎn)生明亮的火焰。納米顆粒團(tuán)由于反應(yīng)表面積大，氣體擴(kuò)散燃燒可能成為控制步驟。在激光高加熱速率下，高速升溫將產(chǎn)生巨大的熱膨脹應(yīng)力和熔化應(yīng)力，可使顆粒團(tuán)爆裂。

(2)納米鋁粉在激光點(diǎn)火方式下著火，符合熔化-分散機(jī)理(MDM)對(duì)升溫速率的要求。相比于微米級(jí)鋁粉，納米鋁粉熔點(diǎn)降低，在高加熱速率下，納米鋁粉溫度迅速上升到鋁的熔點(diǎn)，瞬間造成了核芯部的鋁熔化引起氧化殼層爆裂，隨后鋁芯分散成較小的鋁簇，裸露的鋁簇與氧氣接觸反應(yīng)引起鋁粉著火。

(3)納米鋁粉在微尺度下的典型燃燒包括燃燒啟動(dòng)、擴(kuò)散燃燒、弱火焰和淬熄。納米鋁粉被激光預(yù)熱、鋁核升溫熔化，導(dǎo)致核殼破裂引起異相著火。著火后，在自然對(duì)流作用下，納米鋁粉發(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(huì)引起部分自由基損失，造成燃燒的弱火焰形式，最后火焰淬熄。

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(編輯：劉紅利)

Laser-induced ignition and combustion characteristics of nano-aluminum powders in the micro-scale combustor

ZHOU Dong-hui1,HUANG Xue-feng1,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 mechanism of nano-aluminum powders at the micro-scale was presented based on nano-aluminum oxidation theory,interacting particle sintering model and the ignition and combustion phenomena of nano-aluminum powders at the micro-scale.In a stagnation air flow of the micro-scale combustor at atmospheric temperature and pressure,the minimum laser ignition power of nano-aluminum powders is less than 13.0 mW (power density of 1.49×109W/m2),and the ignition delay time is in the magnitude of micro seconds order.As the laser ignition power density is the same,the ignition delay time is influenced by the roundness, equivalent diameter and bulk density of nano-aluminum powders.The classical combustion of nano-aluminum powders includes four stages,i.e.,the startup of combustion,diffusive combustion,weak flame and extinction.The nano-aluminum powders are preheated by laser,and then heterogeneously ignited as the alumina shells rupture due to the melting of the core.At the moment of rupture,the micro-explosion might take place.After ignition,nano-aluminum powders combust diffusively in the naturally convective air flow.The fluctuation of the flame front and flame brightness shows instability of combustion.At the micro-scale,the diffusion combustion followed by the weak flame,and the flame eventually extinguishes.

nano-aluminum powders;micro-scale combustion;laser ignition;instable combustion

2015-08-20；

2015-11-17。

國(guó)家自然科學(xué)基金(51276053)；浙江省自然科學(xué)基金(LY15E060006，LY14E060002)。

周東輝(1989—)，男，碩士生，研究方向?yàn)槲⑷紵?/p>

V435+.12

A

1006-2793(2016)05-0642-07

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.05.008