金属铝纳米颗粒燃烧机理及动力学研究

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1、金属铝纳米颗粒燃烧机理及动力学研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：热能工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：孔成栋指导教师：姚强教授二○一五年四月CombustionMechanismandKineticsofAluminumNanoparticlesDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinPowerEngineeringandEngineeri

2、ngThermophysicsbyKONGChengdongDissertationSupervisor:ProfessorYAOQiangApril,2015摘要摘要纳米铝颗粒具有极高的体积能量密度、绝热燃烧温度和燃烧速率，被广泛应用于固体推进、炸药、铝热剂等特殊领域。然而关于纳米铝颗粒燃烧的基础研究并不充分，其燃烧机理尚不明确。本文利用多元扩散平焰燃烧器来提供可控的高温环境，研究纳米铝颗粒的燃烧机理及反应动力学。为实现近似单颗粒燃烧，开发了一套基于超声分散、雾化、干燥、粒径切割的方法来产生高分散纳米气溶胶。在燃烧诊断上结合火焰成像、

3、光谱分析、在线采样等手段实现了燃烧颗粒的多角度表征。光谱分析表明燃烧器焰后温度1900K以下时颗粒火焰辐射主要来自热辐射，说明纳米铝燃烧以非均相表面反应为主。结合普朗克定律拟合热辐射信号得焰后温度1300K时颗粒温度约为1758K，简化模型分析发现为实现如此大的颗粒-环境温度差，换热模型中的热容纳系数αth需取0.05。采样分析表明燃烧时，铝原子向外扩散并最终形成中空产物，同时氧化层发生结晶相变。利用热重-差热分析明确了铝颗粒氧化过程的控速机理和动力学参数。热重实验估得无定型和γ型氧化铝内铝离子扩散活化能分别为106kJ/mol和150

4、kJ/mol。差热分析获得了结晶动力学，外推得1330K下的结晶时间约为1ms，与燃烧时间的量级一致，说明燃烧过程出现结晶是合理的。热重分析表明低速升温时反应控制机制不断变化，从离子扩散变为多晶相变最后又变为离子扩散控制。其中多晶相变对反应的促进作用主要通过增加氧化层内微观缺陷来实现。对于燃烧过程，由于颗粒升温速率快，氧化层结晶和铝核熔化将共同促进氧化层内的离子扩散，使得燃烧反应的控速步为表面化学吸附，其表面化学吸附的活化能约为35kJ/mol。利用分子动力学模拟了无定型氧化铝内离子扩散及结晶的微观过程，获得了铝离子扩散活化能约为100

5、kJ/mol，与热重实验结果接近；得到了结晶的TTT（Temperature-time-transformation）相图，发现在1250K时结晶速度最大。通过建模分析了颗粒团聚对燃烧的影响，发现颗粒团聚可改变着火模式。低团聚时颗粒与环境散热充分难以实现完全着火。但随着团聚体增大，颗粒燃烧温度升高并最终实现充分燃烧，着火温度也随团聚而降低至铝熔点以下（例如790K）。不过高温下颗粒团将发生烧结，使得燃烧特性更接近微米大颗粒，燃尽时间变长。最后探究了铝/氧化铝颗粒在激光场中的消融机制，分析了非均相激光诊断技术在纳米铝燃烧中的可行性，发现激

6、光诱导白炽光方法很难适用于铝/氧化铝体系。关键词：纳米铝颗粒；燃烧特性；离子扩散；表面吸附；氧化铝结晶IAbstractAbstractAluminumnanoparticles(nano-Al)havehighvolumeenergydensity,adiabaticcombustiontemperatureandburningrate.Henceitiswidelyappliedinthespecialfieldslikepropellant,explosive,thermite.Nowadays,thefundamentalres

7、earchonnano-Alcombustionisstillinsuffientandthecombustionmechanismisambiguous.Toexploretheunderlyingmechanismandcombustionkinetics,ahigh-temperatureexpereimentalsetupbasedonthemulti-elecmentnon-premixedflatflameburnerisdevelopedtosupporttheburningofnano-Al.Meanwhile,tore

8、alizetheapproximatelysingle-particlecombustion,thewell-dispersedaerobornenanoparticlesaregeneratedthrou