纳米铁和纳米铝粒子及其复合物光诱导点燃与燃烧研究

发布时间：2020-09-24 09:02

　　闪光灯作为新型的点火装置不同于电火花点火、等离子体点火、激光点火等点火方式,具有多点同时点火、响应时间短等特点,受到越来越多的关注。常用的闪光点火材料为含能密度大的材料,如微纳米铝、碳纳米管、石墨烯、多孔硅等。为了比较不同纳米金属材料光点火时的差异,本文主要研究纳米铁、纳米铝及其复合材料的光点火燃烧特性,并对改善点火的方式进行讨论。首先,对两种不同的纳米材料铁纳米粒子和铝纳米粒子进行光点火实验并用高速摄像机记录燃烧过程,通过观察不同材料的光点火现象,研究其燃烧方式并计算燃烧过程中的温度场分布,通过点火前后微观结构的变化分析两种材料光点火的氧化机理,改变实验材料的工况讨论两种材料的最小点火能(MIE)及燃烧转化率的影响因素,并简要分析不同吸收波长下的光点火燃烧情况。结论表明,纳米铁粉的光点火分为两个阶段,点燃期和缓燃期,点燃期持续几十个毫秒,点火瞬间的温度高达2000K左右,缓燃期持续数秒,沿着三个方向传播,平均燃烧温度在800K左右。随着样品质量的增大,纳米铁粉的MIE随之降低,燃烧转化率也随之升高。即单位面积下的颗粒数量越多,MIE越小,其燃烧转化率也越高。纳米铝粉的光点燃过程火焰传播速度较快,持续数秒,但是比纳米铁粉燃烧速度快,平均燃烧温度在1000K左右。纳米铝粉的MIE较纳米铁粉的MIE大很多,随着样品质量增大,其MIE的变化并不明显,但是纳米铝粉的燃烧转化率比纳米铁粉的大,随着样品质量增大,燃烧转化率也上升较少。两种纳米材料的光点燃都是由于黑体辐射效应吸收光能量在极短时间内使温度升高,表面氧化层破裂,内部颗粒与氧气发生反应导致的。纳米材料的光点燃与闪光灯的光能量密度和材料的吸收光能力相关,其共同决定了闪光灯可吸收的光能量,也决定了最小点火能的大小。其次,将适量的碳纳米管分别与纳米铁和纳米铝进行混合形成复合材料,分别对两种复合材料进行光点火实验,研究不同碳纳米管含量下的燃烧特性和温度场分布,并且测量不同工况下的材料的最小点火能,分析碳纳米管对金属材料光点火的影响,检测点火前后材料的微观结构,分析其氧化机理。实验结果表明,纳米铁粉复合材料的燃烧过程较为缓慢,燃烧时呈现微弱的红光,此时燃烧温度为900K,略高于纯纳米铁粉的燃烧温度。当CNTs质量含量在0～20%时,混合材料的MIE随CNTs含量增加而大幅降低;当CNTs质量含量为20%～80%,混合材料的MIE基本保持不变,且远小于纯的纳米材料;当CNTs质量含量为80%～100%时,混合材料的MIE逐渐加大。纳米铝粉复合材料光点燃后产生巨大的火焰,燃烧过程中的高温区处在火焰中心,平均温度为1600K左右。随着CNTs质量含量增大,混合材料的MIE 一直减小到CNTs的MIE。材料的质量对MIE的影响微乎其微。最后,在两种金属纳米粒子中添加定量的催化剂,形成复合材料。研究复合材料的燃烧现象,并计算其燃烧过程中的温度场分布,测量不同催化剂质量分数下的复合材料的最小点火能,分析降低最小点火能的方法。实验结果表明,Ti02无法与纳米铁发生反应,纳米铁复合材料的光点火燃烧现象不明显,平均燃烧温度在850K左右,MIE随着催化剂含量增加而逐渐增大。纳米铝粉中添加适当的TiO2催化剂时,闪光灯曝光后出现了剧烈的铝热反应,燃烧温度最高达到2400K。当TiO2质量分数在0%～20%时,混合材料的MIE随TiO2含量增加而大幅降低;当Ti02质量分数在20%～40%时,混合材料的MIE基本保持不变;当Ti02质量分数大于40%时,混合材料的MIE迅速增大,直到无法被点燃。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1
【部分图文】：

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本文所使用的光点火实验系统是由南京理工大学能源与动力工程学院先进燃烧实验逡逑室自主设计、研发并且搭建的。本实验系统主要包括一个可上下调控的位移平台、燃烧逡逑用的石英玻璃支架、普通闪光灯光源以及高速摄像机捕捉系统。实验系统原理图如图２．邋１逡逑所示。逡逑Ｇｌａｓｓ邋ｓｌｉｄｅ邋Ｎａｎｏ邋ｍａｔｅｒｉａｌ逡逑＼邋｜逡逑Ｓ邋Ｆｌａｓｈ邋Ｉ逡逑图２．１光点火实验系统图逡逑２．１．１点火光源逡逑闪光灯的光源不同于激光、等离子体，属于大面积的光辐射。而且闪光灯的曝光时逡逑间极短，能在瞬间释放大量光能量，能量密度较大，因此闪光点火是实现材料燃烧的可逡逑靠方式。逡逑本文中所使用的闪光灯型号为Ｔｒｉｐｐｏ－６９０Ｎ，通过一个Ｓｉ基光测试器测定曝光瞬间逡逑的属性。结果显示，闪光灯的曝光类似于脉冲光波，曝光持续时间为７．８ｍｓ，由１２ｎｓ的逡逑上升段、６ｍｓ的曝光段和１．８ｍｓ的衰减段组成。同时利用装配有测量头（ＵＰ１９－１５Ｓ－ＶＲ）逡逑的光能量计（ＧｅｎＴｅｃ－ＥＯ，邋Ｓｏｌｏ邋２邋Ｓｅｒｉｅｓ）测定闪光灯在曝光瞬间的能量，结果显示其最大逡逑能量密度为１．９７Ｊ／ｃｍ２。然后利用型号为ＵＳＢ邋２０００＋的光谱仪测量闪光灯光谱特性，其中逡逑光纤型号为ＱＰ４００－２－ＶＩＳ－ＮＩＲ，测量结果如下图２．２所示。如图所示，闪光灯所释放的逡逑光谱范围主要为可见光

原理图,闪光灯,发射光谱

红光,纳米铁粉,燃烧过程,光点

弱的红光并向周围扩散。当整个样品都被点燃时出现明亮的红光，最后直到红光消失，逡逑燃烧过程结束。样品表面的颜色由深黑色变为半灰色最后变为完全氧化后的红棕色，如逡逑图３．２所示。逡逑Ｂｅｆｏｒｅ逦Ａｆｔｅｒ逡逑ｌ邋＼Ｔ＾逦ｕ邋．：？？逡逑ａ逡逑逦逡逑■■邋■逡逑５ｍｍ逡逑图３．２纳米铁粉光点火前后样品表面颜色的变化逡逑１７逡逑

【参考文献】