铝和氧化剂颗粒尺寸的影响

燃料和氧化剂颗粒尺寸会影响铝热剂的点火和燃烧性能，减小颗粒尺寸通常会增快铝热剂的燃烧速率，同时降低点火温度和点火能量。实际上，对于非常小的铝颗粒（例如粒径小于50 nm）而言，因为纳米铝颗粒中氧化铝所占比例较大，颗粒粒径的大小与燃烧速率关联性不大。Weismiller等［WEI 11b］研究了铝和氧化剂粒径对Al／CuO和Al／MoO3铝热剂燃烧速率的影响，Al／CuO和Al／MoO3铝热剂均在正乙烷溶液中超声混合制备而成，颗粒粒径由纳米级逐渐过渡到微米级。研究得到了使铝热剂燃烧速率达到最大时的混合物当量比，结果见表3.4。

表3.4　Al／CuO（φ＝1）和Al／MoO3（φ＝1.4）铝热剂的燃烧速率和燃烧压力［WEI 11b］

研究结果表明，相比减小Al的粒径尺寸，减小氧化剂颗粒粒径对燃烧速率的影响更大。这主要因为减小Al的粒径尺寸将导致混合物中Al2O3的比例增加［MAL 08］。对于粒径为50 nm的Al纳米颗粒来说，Al2O3的比例将达到约70%，所以必须权衡Al颗粒直径和体系中Al2O3含量对燃烧速率的影响。Pantoya等［PAN 05］认为，在纳米铝粒径小于50 nm时，铝颗粒带来的尺寸效应将被过多的Al2O3含量所抑制。

Granier等［GRA 04］比较了由超声混合（φ＝1.2）制备的燃料轻微过量的Al／MoO3铝热剂的点火时间和燃烧速率（堆积密度为38%TMD，点火设备为50 W的CO2激光器）。他们分别制备了两种含有不同粒径铝颗粒的纳米铝热剂（一种铝颗粒粒径分别为108 nm、39 nm和30 nm，另一种铝颗粒粒径为20μm）。将激光起始脉冲与检测到的铝热剂第一次反应光辐射脉冲之间的时间间隔视为点火延迟时间，实验结果见图3.11。如图3.11所示，当Al／MoO3混合物中Al颗粒直径从微米级减小到纳米级时，点火延迟时间相应地减小两个数量级。分析认为，铝热剂的激光点火感度之所以会增加，可能是由于减小纳米铝颗粒的粒径会导致其熔点降低（见1.5.1节和图1.14）。

图3.11　铝颗粒粒径对点火延迟时间的影响(www.xing528.com)

（资料来源：http：／／www.elsevier.com／wps／find／journaldescription.cws_home／505736／description＃decription_）（版权2004，爱思唯尔出版集团）

通过模拟激光加热时体系的传热过程，可以在理论上解释毫秒级的点火延迟。然而，模拟这个过程需要知道体系的热传导系数，热传导系数无论是预测还是测量都非常困难。对其他所有纳米铝热剂混合物来说均是如此。

如图3.12所示，除了Al2O3含量超过50%（Al粒径＜50 nm）这种情况外，燃烧速率都会随着颗粒粒径的增加而增加。Al2O3的大量存在可能会降低燃烧速率。实验表明，降低粒径进而提高铝热剂燃烧速率的测试结果普遍低于理论预测。

图3.12　铝颗粒粒径对燃烧速率的影响

（资料来源：http：／／www.elsevier.com／wps／find／journaldescription.cws_home／505736／description＃decription_）（版权2004，爱思唯尔出版集团）

不同制备方法导致的铝热剂混合均匀性差异会影响纳米铝颗粒粒径对点火延迟的影响。比如，相比使用大粒径颗粒，小粒径纳米铝颗粒与MoO3的混合均匀性更差，由此减弱了铝颗粒细化的影响作用。