金属铝纳米颗粒燃烧机理及动力学研究

发布时间：2017-09-21 17:38

  本文关键词：金属铝纳米颗粒燃烧机理及动力学研究

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【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、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1900 K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1300 K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106 kJ/mol和150 kJ/mol。差热分析获得了结晶动力学,外推得1330 K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35 kJ/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 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1250 K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790 K)。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
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK16
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-9
• 主要符号对照表9-14
• 第1章 引言14-28
• 1.1 研究背景与意义14-16
• 1.1.1 应用背景14-15
• 1.1.2 科学意义15-16
• 1.2 研究现状16-26
• 1.2.1 纳米铝颗粒燃烧特性表征16-20
• 1.2.2 纳米铝颗粒燃烧机理20-21
• 1.2.3 纳米铝颗粒燃烧模拟21-24
• 1.2.4 非均相燃烧的在线激光诊断24-25
• 1.2.5 纳米铝颗粒燃烧研究存在的问题25-26
• 1.3 本文研究内容和技术路线26-28
• 第2章 纳米铝颗粒燃烧特性分析28-45
• 2.1 本章引言28
• 2.2 燃烧实验装置及诊断方法28-34
• 2.2.1 Hencken平焰燃烧器29-31
• 2.2.2 颗粒表征与给粉系统31-32
• 2.2.3 光谱诊断32-33
• 2.2.4 颗粒采样方法33-34
• 2.3 纳米铝颗粒燃烧特性分析34-41
• 2.3.1 火焰形貌观察34
• 2.3.2 火焰发射光谱分析34-37
• 2.3.3 颗粒团聚对着火的影响37-38
• 2.3.4 特征燃烧时间分析38-39
• 2.3.5 燃烧颗粒形貌表征39-41
• 2.4 单颗粒燃烧模型41-44
• 2.4.1 模型介绍41-42
• 2.4.2 模型拟合与预测42-44
• 2.5 本章小结44-45
• 第3章 纳米铝颗粒氧化机理及动力学分析45-63
• 3.1 本章引言45
• 3.2 纳米铝颗粒氧化实验方法45-47
• 3.2.1 热重-差热分析仪45-46
• 3.2.2 实验过程介绍46-47
• 3.3 热重曲线与产物形貌分析47-51
• 3.3.1 典型热重曲线47-48
• 3.3.2 氧化层结晶对反应速率的影响48-49
• 3.3.3 氧化性气氛（CO_2和O_2）的影响49-51
• 3.4 氧化过程动力学分析51-61
• 3.4.1 连续氧化层覆盖下的氧化机理概述51-52
• 3.4.2 氧化层内离子扩散速率分析52-57
• 3.4.3 无定型氧化铝结晶动力学分析57-59
• 3.4.4 相变-反应耦合模型59-61
• 3.5 不同加热条件下氧化过程探讨61
• 3.6 本章小结61-63
• 第4章 无定型氧化铝扩散与结晶微观机理探究63-84
• 4.1 本章引言63
• 4.2 分子动力学方法简介63-65
• 4.3 氧化铝体系相图及MD模拟过程65-66
• 4.4 无定型氧化铝内离子扩散行为66-76
• 4.4.1 静态结构描述66-67
• 4.4.2 无定型结构中离子运动轨迹67-69
• 4.4.3 基于连续时间随机游走模型的扩散描述69-73
• 4.4.4 自扩散系数73-75
• 4.4.5 MD模拟与实验的比较75-76
• 4.5 无定型氧化铝结晶分析76-82
• 4.5.1 TTT相图76
• 4.5.2 结晶过程的微观结构变化76-79
• 4.5.3 结晶机理分析79-80
• 4.5.4 实际结晶生长过程80-82
• 4.5.5 结晶模拟与实际结晶过程的关系82
• 4.6 本章小结82-84
• 第5章 纳米铝颗粒团燃烧模型分析84-107
• 5.1 本章引言84
• 5.2 铝颗粒团的结构演变及影响84-96
• 5.2.1 颗粒团致密化过程84-86
• 5.2.2 颗粒团致密化机理分析86-89
• 5.2.3 颗粒团致密化的定量描述89-95
• 5.2.4 颗粒团聚对燃烧特性的影响95-96
• 5.3 纳米铝颗粒（团）燃烧机理分析96-106
• 5.3.1 关于纳米铝颗粒燃烧研究总括96-97
• 5.3.2 纳米铝颗粒团燃烧模型97-101
• 5.3.3 纳米铝颗粒（团）燃烧的控速机理分析101-106
• 5.4 本章小结106-107
• 第6章 脉冲激光与亚微米Al/Al_2O_3颗粒的作用机制107-119
• 6.1 本章引言107
• 6.2 实验系统介绍107-108
• 6.3 实验结果108-112
• 6.3.1 光谱信号分析108-110
• 6.3.2 时间衰减信号分析110-112
• 6.4 激光-颗粒相互作用机制分析112-117
• 6.4.1 激光-颗粒相互作用机理112-115
• 6.4.2 激光诱导铝原子辐射模型115-117
• 6.4.3 模拟结果分析117
• 6.5 激光诊断在纳米铝非均相燃烧中的应用117-118
• 6.6 本章小结118-119
• 第7章 结论119-123
• 7.1 主要结论119-121
• 7.2 建议与展望121-123
• 参考文献123-131
• 致谢131-133
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果133-134

【参考文献】

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1 李鑫;赵凤起;郝海霞;罗阳;徐司雨;姚二岗;李娜;;不同类型微/纳米铝粉点火燃烧特性研究[J];兵工学报;2014年05期

2 何丽蓉;肖乐勤;菅晓霞;周伟良;;氧化铝壳层对纳米铝粉的热反应特性影响研究[J];固体火箭技术;2012年03期

3 缪万波;夏智勋;胡建新;赵建民;罗振兵;;金属/水反应冲压发动机内流场数值模拟[J];推进技术;2007年02期

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本文编号：895952