铝颗粒静态热氧化特性和动态燃烧团聚现象的实验研究
发布时间：2020-07-11 20:51
【摘要】：铝颗粒是含铝固体推进剂的重要含能成分,研究铝颗粒的反应特性对推进剂的研究和应用具有重要的指导意义。本文选取3种不同特性的微米级铝粉,首先对铝粉的理化特性进行测试分析,包括粒度分布、微观形态、元素组成及含量、比表面积、孔隙结构、元素赋存形态及氧化层厚度等基本特性。然后利用热分析技术、激光点火燃烧测试系统以及动态燃烧测试系统,对铝颗粒的热氧化特性、点火燃烧特性以及动态燃烧团聚过程进行了实验研究。试验发现在10K/min的加热速率下,3种样品的热氧化反应均符合边界控制模型函数R3:G(α)=1-(1-α)1/3,温度适用范围550～1110℃。铝粉的热氧化过程分为三个阶段:初始氧化阶段,温度低于550℃;加速氧化阶段,550～670℃;剧烈氧化阶段,670～1110℃。在不同氧化阶段中,颗粒表面的氧化铝壳层经历了生长增厚、拉伸破裂等过程,并伴随着A1203由无定形→y-→θ→α-A1203的晶型转变。粒径越小的铝粉,越容易被氧化,其氧化程度也越深,同时氧化反应的表观活化能越低,反应越容易进行。颗粒自身特性、反应气氛种类及含量和环境压力3个因素对铝颗粒的点火燃烧特性具有重要的影响,增大铝颗粒比表面积、减小初始氧化层厚度,提高环境气氛的氧化性以及压力等,可以缩短点火延迟时间,获得更高的燃烧温度、燃烧强度,显著提高最终的燃烧效率。铝颗粒燃烧过程要经历相变、团聚、点火、燃烧及燃烧产物的凝聚等过程;铝颗粒在燃烧过程中会发生气相燃烧,形成烟雾(由小于1μm的氧化铝颗粒组成),A1203烟雾是导致铝燃烧团聚的因素之一。研究表明熔散反应和扩散反应两种反应机制,在微米级铝颗粒静态热氧化和动态燃烧两种实验条件下同时存在。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK16
【图文】：
粒都是作为单一颗粒燃烧的，也有相当量的Ａ１作为颗粒群而燃烧，包括燃面附近以及更逡逑远处。这是由内层开始并在两相流对流表面直到远离表面反应终止处持续发生的内聚－渗逡逑出－凝并－团聚之间复杂的机理导致的，如图１．１所示。这一系列的过程很少在表面完成。逡逑在任意速率下，均相燃烧（产生理想的反应产物）和非均相燃烧（产生粗糙的反应产物）逡逑的同步进行最终会形成一个双峰的产物分布（ｂｉｍｏｄａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，是聚合物的一种分子量逡逑分布形式）。人们对于气相的均相燃烧已经理解的相当完善，而对于非均相燃烧部分知之逡逑甚少。由于微米／纳米级别的Ａ１颗粒粒径非常小，燃烧温度高、时间短，且试验条件不同逡逑铝粉的燃烧特性也不同，所以铝粉燃烧的过程一直未得到彻底的认识。目前，国内的研究逡逑仍停留在铝粉稳态燃烧方面，且多侧重于含钼推进剂的工程应用研究，缺乏对铝粉动态燃逡逑烧过程的研究以及燃烧基本参数的获取，针对铝粉燃烧过程中凝相液滴间的碰撞、团聚过逡逑程和铝粉的动态燃烧特性及机理方面的研究非常少
Ａ１和氧分隔开，由于电子的迁移，Ａｌ３＋阳离子和０２＿阴离子在氧化膜的内外表面上聚集，逡逑致使氧化膜内形成一个均匀的电场；在电场的驱动下，Ａｌ３＋阳离子穿过氧化膜与外界氧反逡逑应生成新的Ａｌ２0３，使得氧化膜得以生长变厚，如图１．２所示。氧化层中电场的强弱与氧逡逑化速率的大小关系密切［１（）］，即氧化反应速率是由Ａｌ３＋阳离子和电子迁移的速度决定的。逡逑李鑫等［ｕ］根据Ｃａｂｅｒｒａ－Ｍｏｔｔ氧化理论对纳米Ａ１的室温氧化进行了相关计算，结果表逡逑明在室温下，初始氧化膜厚度为ｌｎｍ时，ＡＩ颗粒表面氧化膜的生长非常快，生长速率为逡逑１０５ｍ／ｓ；随着氧化膜的生长，当氧化层厚度大于３ｎｍ时，其生长速率低于ｌ｛ｒｌ６ｍ／Ｓ，低于逡逑Ｃａｂｅｒｒａ－Ｍｏｔｔ给出的生长停止速率，此时氧化层将停止生长。曾亮［｜２］在研究中也指出在室逡逑温下，粒径小于７０ｎｍ的Ａ１颗粒表面的氧化层厚度存在一个极限值３．０２ｎｍ；当粒径超过逡逑７０ｎｍ，铝粉中的杂质，如Ｆｅ、Ｃｕ等的含量较高，致使Ａ１的氧化继续深入到颗粒内部，逡逑氧化层厚度随粒径增大而增大。此外
氧化层组分也有所不同，同时Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ和Ｓｒ对氧化层分的不同导致其理化性质有所差异，从而在很大程度上影响了点Ｍ通过实验发现，在一些情况下，铝粉的点火温度要远低于氧化层的１３００Ｋ。分析发现，这主要是由于Ａ１热膨胀的系数高于氧化层的热升高，由于热应力的作用，内部Ａ】熔化膨胀，使得氧化层受到一个向在这一应力的作用下破碎时，颗粒被点燃。而Ｒｏｚｅｎｂａｎｄ［３６］发现氧化度降至近９００Ｋ。直到２０世纪，丁0１１１（＾等［２５］研究发现微米铝粉的氧化如图１．３所示：阶段Ｉ中，由于温度较低反应进行的非常缓慢，Ａ１化钼层缓慢生长；当氧化铝层的厚度达到临界厚度或温度升高到一定定形氧化铝向Ｙ－Ａｌ２0３转变，新形成的丫－Ａ丨２０３层不能在Ａ１颗粒表面外壳，裸露的Ａ】与氧气接触，因此氧化速率迅速增大，反应变的剧Ａ１颗粒起始反应n炔钜毂冉洗蟮脑颍纯帕５牧６确植肌⒀趸跋熳拍谕饫胱拥那ㄒ乒蹋跋熳牛粒笨帕５牡慊鸸獭ｅ义希牵颍铮鳎簦桢澹铮驽危粒恚铮颍穑瑁铮酰蟆粒戾澹襄澹牵颍铮鳎簦桢澹铮驽澹惧澹粒戾澹襄危牵颍铮鳎簦桢澹铮驽义
本文编号：2750912
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK16
【图文】：
粒都是作为单一颗粒燃烧的，也有相当量的Ａ１作为颗粒群而燃烧，包括燃面附近以及更逡逑远处。这是由内层开始并在两相流对流表面直到远离表面反应终止处持续发生的内聚－渗逡逑出－凝并－团聚之间复杂的机理导致的，如图１．１所示。这一系列的过程很少在表面完成。逡逑在任意速率下，均相燃烧（产生理想的反应产物）和非均相燃烧（产生粗糙的反应产物）逡逑的同步进行最终会形成一个双峰的产物分布（ｂｉｍｏｄａｌｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，是聚合物的一种分子量逡逑分布形式）。人们对于气相的均相燃烧已经理解的相当完善，而对于非均相燃烧部分知之逡逑甚少。由于微米／纳米级别的Ａ１颗粒粒径非常小，燃烧温度高、时间短，且试验条件不同逡逑铝粉的燃烧特性也不同，所以铝粉燃烧的过程一直未得到彻底的认识。目前，国内的研究逡逑仍停留在铝粉稳态燃烧方面，且多侧重于含钼推进剂的工程应用研究，缺乏对铝粉动态燃逡逑烧过程的研究以及燃烧基本参数的获取，针对铝粉燃烧过程中凝相液滴间的碰撞、团聚过逡逑程和铝粉的动态燃烧特性及机理方面的研究非常少
Ａ１和氧分隔开，由于电子的迁移，Ａｌ３＋阳离子和０２＿阴离子在氧化膜的内外表面上聚集，逡逑致使氧化膜内形成一个均匀的电场；在电场的驱动下，Ａｌ３＋阳离子穿过氧化膜与外界氧反逡逑应生成新的Ａｌ２0３，使得氧化膜得以生长变厚，如图１．２所示。氧化层中电场的强弱与氧逡逑化速率的大小关系密切［１（）］，即氧化反应速率是由Ａｌ３＋阳离子和电子迁移的速度决定的。逡逑李鑫等［ｕ］根据Ｃａｂｅｒｒａ－Ｍｏｔｔ氧化理论对纳米Ａ１的室温氧化进行了相关计算，结果表逡逑明在室温下，初始氧化膜厚度为ｌｎｍ时，ＡＩ颗粒表面氧化膜的生长非常快，生长速率为逡逑１０５ｍ／ｓ；随着氧化膜的生长，当氧化层厚度大于３ｎｍ时，其生长速率低于ｌ｛ｒｌ６ｍ／Ｓ，低于逡逑Ｃａｂｅｒｒａ－Ｍｏｔｔ给出的生长停止速率，此时氧化层将停止生长。曾亮［｜２］在研究中也指出在室逡逑温下，粒径小于７０ｎｍ的Ａ１颗粒表面的氧化层厚度存在一个极限值３．０２ｎｍ；当粒径超过逡逑７０ｎｍ，铝粉中的杂质，如Ｆｅ、Ｃｕ等的含量较高，致使Ａ１的氧化继续深入到颗粒内部，逡逑氧化层厚度随粒径增大而增大。此外
氧化层组分也有所不同，同时Ｌｉ、Ｂｅ、Ｃａ和Ｓｒ对氧化层分的不同导致其理化性质有所差异，从而在很大程度上影响了点Ｍ通过实验发现，在一些情况下，铝粉的点火温度要远低于氧化层的１３００Ｋ。分析发现，这主要是由于Ａ１热膨胀的系数高于氧化层的热升高，由于热应力的作用，内部Ａ】熔化膨胀，使得氧化层受到一个向在这一应力的作用下破碎时，颗粒被点燃。而Ｒｏｚｅｎｂａｎｄ［３６］发现氧化度降至近９００Ｋ。直到２０世纪，丁0１１１（＾等［２５］研究发现微米铝粉的氧化如图１．３所示：阶段Ｉ中，由于温度较低反应进行的非常缓慢，Ａ１化钼层缓慢生长；当氧化铝层的厚度达到临界厚度或温度升高到一定定形氧化铝向Ｙ－Ａｌ２0３转变，新形成的丫－Ａ丨２０３层不能在Ａ１颗粒表面外壳，裸露的Ａ】与氧气接触，因此氧化速率迅速增大，反应变的剧Ａ１颗粒起始反应n炔钜毂冉洗蟮脑颍纯帕５牧６确植肌⒀趸跋熳拍谕饫胱拥那ㄒ乒蹋跋熳牛粒笨帕５牡慊鸸獭ｅ义希牵颍铮鳎簦桢澹铮驽危粒恚铮颍穑瑁铮酰蟆粒戾澹襄澹牵颍铮鳎簦桢澹铮驽澹惧澹粒戾澹襄危牵颍铮鳎簦桢澹铮驽义
本文编号：2750912
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