周东辉;黄雪峰;李盛姬;徐江荣
【摘 要】实验研究纳米铝粉在微尺度下的点火、燃烧现象，结合纳米铝氧化理论、颗粒间烧结模型，提出纳米铝粉在微尺度下的点火、燃烧模式。在微燃烧室内常温常压静止空气流中，纳米铝粉的最低激光点火功率低于13．0 mW（功率密度为1．49×109 W／m2），点火延迟时间在μs量级。当点火功率密度相同时，点火延迟时间受圆形度、等效粒径和堆积密度等综合因素影响。纳米铝粉在微尺度下的典型燃烧过程包括燃烧启动、扩散燃烧、弱火焰和淬熄。纳米铝粉被激光预热、铝核升温熔化导致核壳破裂引起异相着火，破裂过程中可能发生微爆炸。着火后，在自然对流作用下，纳米铝粉发生扩散燃烧，燃烧火焰的锋面、亮度出现振荡，燃烧处于不稳定状态。微尺度下纳米铝粉燃烧存在弱火焰形式，最终发生淬熄。%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 pow⁃ders at the micro⁃scale.In a stagnation air flow of the micro⁃scale combustor at atmospheric temperatur e and pressure,the minimum laser ignition power of nano⁃aluminum powders is less than 13.0 mW (power density of 1.49×109 W/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 pow⁃ders includes four ,the startup of combustion,diffusive combustion,weak flame and extinction.The nano⁃aluminum pow⁃ders are preheated by laser,and then heterogeneously ignited as the alumina shells rupture due to the melting of the core.At the mo⁃ment 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 dif⁃fusion combustion followed by the weak flame,and the flame eventually extinguishes.
【期刊名称】速冻生胚包子《固体火箭技术》
【年(卷),期】2016(039)005
【总页数】7页(P642-648)
【关键词】纳米铝粉;微燃烧;激光点火;不稳定燃烧
【作 者】周东辉;黄雪峰;李盛姬;徐江荣
【作者单位】杭州电子科技大学 理学院，杭州 310018;杭州电子科技大学 理学院，杭州 310018;杭州电子科技大学 材料与环境工程学院，杭州 310018;杭州电子科技大学 理学院，杭州 310018
【正文语种】中 文
【中图分类】V435+.12
铝粉具有高能量密度，常作为高能添加剂应用于推进剂、等[1]。了解铝粉点火燃烧性能，对于铝粉的应用具有非常重要的意义，也一直是国内外研究的热点和难点。目前，研究铝粉点火燃烧的方法主要有热分析法[2-3]、平板火焰燃烧器法[4]、激波管法[5-7]、频闪灯法[8]、激光点火法[9-11]。Trunov等[2，12]采用热重分析技术，研究了铝粉的氧化特性。
结果表明，铝粉的氧化是一个逐步氧化过程，并伴随着重量的增加。Friedman和Macek[13-14]首先利用平板火焰燃烧器测量30～50 μm铝粉的燃烧时间，获得了铝粉燃烧时间与铝粉直径依赖的指数关系：t-D1.2-1.5。Tim等[7]利用激波管研究了粒径为80 nm～40 μm铝粉颗粒的燃烧峰值温度随铝粉粒径的变化，燃尽时间随气体压强的变化及火焰光谱辐射强度变化。Ohkura等[8]首次采用频闪灯点燃纳米铝粉，点火装置是一个配备氙灯的商业相机闪光灯(Vivitar 285 HV)，用透射电镜显微镜分析在空气和氩气环境下被闪光灯曝光后的纳米铝粉。结果表明，纳米铝粉的氧化机制是熔化分散机理，该研究首次为熔化分散机理提供了直接的实验证据。Marion M等[9]采用激光点火，通过搭建一套电动悬浮装置，实现单颗铝颗粒的悬浮燃烧，实验采用高速摄像的方法，记录铝颗粒燃烧反应的全过程，并采用数值模型，对铝颗粒燃烧速率和粒径变化进行预测。
对于微米级铝粉，颗粒的点火温度高，接近氧化铝的熔点(2 054 ℃)，燃烧过程与液滴相似。此外，充当固体推进添加剂时，易在推进剂表面上凝结成大的“集坎”，引起燃烧时间延长、喷管两相流损失等问题。而纳米铝粉相比于微米铝粉，具有高的反应活性、较低的点火温度(约660 ℃)、更快的燃烧速率，缩短点火延迟时间，减少燃烧时间，燃烧更充分以及更高的燃烧效率[15-16]。纳米铝粉的研究有望解决微米级铝粉燃烧存在的问题，并用
在微燃烧能源系统中。
目前，微燃烧能源系统所使用的燃料普遍为气体，其燃烧热值高，易于着火。微尺度下气体燃料(烃类燃料和氢气)的燃烧机理和稳燃特性已进行了大量研究，但气体不易存储、携带，对于微型航空航天设备以及便携式设备而言是一个较大的问题，而且气体燃料在燃烧器内停留时间短[17]，限制了高功率密度输出。微尺度下固体燃料燃烧的研究文献报道较少，主要是由于其实验、测试难度较大，燃烧过程难以控制。但固体燃料来源广、稳定性好、能效高，因此可用在军事和航天航空，如微火箭发动机、微推进器等领域。
本文在于探索纳米铝粉在微燃烧室内的点火和燃烧特性。采用激光点火方式，获取分散在常温常压静止空气流中纳米铝粉的最低点火功率、点火延迟时间、着火模式、燃烧火焰结构、火焰亮度，以及燃烧过程中微爆炸等新特征，提出并分析纳米铝颗粒团在微尺度下的点火和燃烧模式。
1.1 纳米铝粉的熔点
随着粒径的降低，金属粉末的比表面积增大，表面活化能增大，熔点逐渐降低。纳米铝粉
表面原子相对于普通铝粉具有更高的表面活性，更容易熔化来降低表面能量。文献[18]给出了半径为r的铝粉颗粒熔点的理论表达式：
式中 Tm(r)为半径为r的铝粉颗粒熔点；Tm(∞)为铝的熔点；ΔHf(∞)为铝的潜热；ρs为铝的密度；σs1为固液界面能。
1.2 纳米铝粉的氧化理论
关于纳米铝颗粒的氧化过程主要存在两种理论：扩散氧化机理(DOM)[19-20]和熔化-分散机理(MDM)[21]。DOM适用于缓慢加热速率条件，铝和氧通过氧化壳层相互扩散；MDM适用于较高的加热速率条件，核芯铝熔化引起壳层破裂，分散成较小的铝簇后发生氧化。预分散母胶粒
铝制工艺品扩散氧化机理(DOM)是基于纳米铝颗粒氧化行为与燃烧物理现象而提出[20]。DOM认为，纳米铝颗粒的氧化是一个输运控制的过程，不考虑氧化层核壳破裂或变薄导致的氧化速率增强。氧、铝通过浓度梯度和压力梯度扩散，因此其通量包括扩散通量和对流通量。氧从纳米颗粒外部扩散到颗粒反应界面，铝从铝芯/氧化铝的接触界面扩散到反应界面。铝和氧在反应界面的浓度为零，反应面前锋是动态的。
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Levitas[22-23]针对纳米铝颗粒在高加热速率(106～108 K/s)下的快速反应，提出了熔化-分散机理。在高加热速率下，纳米铝粉温度迅速上升到铝的熔点，瞬间造成了核芯部的铝熔化，引起核芯体积膨胀，在熔融铝内部产生很大的压力。此压力加载在氧化铝核层上，氧化铝壳产生约11 GPa的环形拉应力，当超过氧化铝的理论强度时，引起纳米铝氧化壳层的快速断裂和分裂。壳层破裂后，液态铝内部的压力保持不变。然而，由于表面张力和周围气体压力，裸露的液态铝表面压力迅速降低到10 MPa，引起一个卸载波，并传播到颗粒中心，产生3～8 GPa的拉应力，导致核芯以160～250 m/s的速度分散成较小的铝簇，而铝簇的反应不再是由通过氧化壳层的扩散控制。
1.3 颗粒间烧结模型
在高温条件下，纳米铝粉颗粒间将发生烧结，颗粒中心互相接近，导致有效反应面积减小。对于2个等粒径颗粒间的烧结，可利用KF模型[24-25]来描述颗粒团表面积的变化，公式为
式中 τA为烧结特征时间；A为颗粒团表面积；Af为烧结后表面积。
Koch和Friedlander[24]利用唯象理论，设定烧结特征时间τA=3Vη/Aγ，从而获得了解析解：
初始条件为A(t=0)=A0。假设烧结特征时间是定值，颗粒团表面积将以指数形式减少：
当粘性流动控制时：
当晶界扩散控制时：
在铝颗粒燃烧过程中，氧化层熔化前主要受晶界扩散控制，而熔化后受粘性流动控制。
2.1 实验装置
实验系统示意图如图1所示。红外激光器发出的光由分光镜分成2束，其中一束经扩束镜扩束，再经镀膜的分光镜反射至物镜，聚焦到微燃烧室中的纳米铝粉，实现点火；另一束由分束镜再分成2束，一束入射到功率计的探头，通过换算可获得激光光束入射到样品的能量，另一束到达硅光电探测器。火焰辐射信号由光电倍增管PMT、CCD相机、数据采集卡和PC等接收并处理。PMT通过多模光纤接收实验样品的辐射信号，同时利用硅光电探测器
对激光器的出光信号进行同步记录，分析两者信号的时间差，可确定点火延迟时间。CCD相机记录样品点火、燃烧的全过程。
微燃烧室采用光刻工艺制作，底层为白玻璃，上层为盖玻片。微燃烧室为矩形通道，其宽度约350 μm，深度约100 μm，长度约20 mm。
2.2 实验原料
实验所用的纳米铝粉为平均粒径50 nm的球形颗粒(北京德科岛金科技有限公司)。纳米铝粉经过钝化处理，其氧化层厚度为3～5 nm，活性铝含量约为73.8%。铝粉的物理参数见表1，相比微米级的铝粉，纳米铝粉具有较低的体积密度，更高的比表面积。
3.1 纳米铝粉的激光点火
3.1.1 最低点火功率
cadjohns随机选取微燃烧室内的多个纳米铝颗粒团，基本为非球形，测量选取样品的周长、面积、等效粒径和圆形度(等效粒径D=4S/L，圆形度R=4S/L2，其中S和L为纳米铝颗粒团的面积
和周长)。在微燃烧室静止空气条件下，逐渐增加激光功率，对所选样品进行激光点火，记录整个点火过程，样品的最低点火功率的统计结果见表2。从表2可见，点燃6个样品的最低功率均为13.0 mW(功率密度为1.49×109 W/m2)。因此，判定纳米铝颗粒团的等效粒径、圆形度、周长、面积及堆积密度对最低点火功率基本没有影响，考虑纳米铝粉颗粒团的反射、透射和吸收特，性其最低点火功率低于13.0 mW。
3.1.2 点火延迟时间
在相同功率密度条件下，对多个样品进行点火实验，获取纳米铝粉的点火延迟时间。图2为一随机纳米铝粉团在激光功率密度为4.84×109 W/m2的典型燃烧辐射信号，实线为PMT记录的颗粒团点火和燃烧的辐射信号，虚线为硅光电探测器记录的激光出光信号。颗粒辐射光强度通过PMT信号电压除以它的最大值进行归一化。打开激光器后，辐射信号第一个较高的峰值时间与激光器打开时刻的差值即点火延迟时间，为0.40 ms。
铝粉点火是一个复杂的过程，受诸多因素影响。在常温常压、功率密度(4.84×109 W/m2)相同的点火条件下，纳米铝粉面积、形状(圆形度)和等效粒径对点火延迟时间的影响见表3。由表3可知，在铝粉圆形度相差很小时，随纳米铝粉等效粒径增大，铝粉点火延迟时间
有增大趋势。对于金属燃料，其粒径尺寸大大影响点火延迟时间，粒径越小，比表面积越大，获取的热量越多，易于点燃。但表中样品的等效粒径对点火延迟时间的影响，没有呈现严格的单调规律，其原因可能是纳米颗粒团的堆积密度不同，对点火延迟时间造成影响。
