机理揭秘：燃烧和压力的产生

目前，相关研究一定程度上的主要关注点是微米级Al颗粒在不同比例氧、二氧化碳和氮的氧化性气氛中的燃烧和点火过程。实验包括在氢／氧／氩微型扩散火焰燃烧器中放入Al颗粒。虽然氧化壳发生相变的扩散模型已经被用于描述微米级Al颗粒的燃烧过程，但是长期以来一直认为微米级Al颗粒在气相中的反应类似于金属液滴的燃烧反应［TRU 05］，实际上纳米Al颗粒的燃烧反应远比这复杂，其物理化学传输机理仍有待揭示［GLA 64］。一些理论和实验研究集中在纳米颗粒氧化过程中的氧化环境上［RAI 04］或者金属氧化物上［SUL 10］。通过高温熔化氧化铝壳来探究Al核和其表层钝化氧化物之间的相互作用是研究纳米级Al颗粒点火机理的关键问题。由于反应涉及的时间短且空间小，难以通过原位实验观察来定量验证设想的反应机理，特别是本节提出的方案。此外，与微米级颗粒相比，亚稳态纳米颗粒达不到持续燃烧，因为气体平均自由程远小于颗粒尺寸。近年来，有关纳米颗粒燃烧机理的实验和模型已被提出，已有的一些观点对于凝聚相到气相发生的反应持有完全对立的态度，扩散机理模型向力－化学理论过渡，这是因为纳米铝颗粒燃烧时，Al核在各个方向上喷射出的Al团簇会促使钝化层破碎或者壳散裂。

图5.1所示为铝颗粒燃烧的两种主要机理。图5.1（a）所示为气相扩散或扩散限制的燃烧机理。从图中可以看到，火焰没有出现在颗粒表面，它们之间的间隔受空气氧化剂与表层金属的扩散控制。氧化铝的沸点决定了火焰温度的峰值很高。该结构于20世纪70年代被提出，在微米尺度铝粉（即直径大于10μm）中观测到，并为许多燃烧模型广泛使用［LAW 73］。

当自蔓延燃烧使铝颗粒直径减小时，扩散速率要快于反应速率，此时火焰向颗粒表面移动，我们称此时的燃烧过程为表面控制的燃烧过程（图5.1（b））。此时，氧气扩散到邻近颗粒表面，并在颗粒表面引发非均相化学反应。例如，这一现象可通过观察铝颗粒在CO2中燃烧而获得［LEG 01］。在表面控制燃烧过程中，温度始终保持在铝的沸点附近。图5.1（c）所示的示意图对应纳米颗粒燃烧时铝核的收缩模型：氧化剂通过氧化铝壳扩散到铝核内引起铝／氧反应［PAR 05］。此时，反应区域的燃烧温度比铝核温度更高。有关纳米铝颗粒燃烧的最新测量结果［BAZ 06］与这一模型吻合较好，更多的细节将在5.2.1节中介绍。(www.xing528.com)

图5.1　铝颗粒燃烧的不同结构模型典型范例［BAZ 07］（版权2007，爱思唯尔出版集团）

本章总结了公开出版文献中研讨的铝颗粒的各种点火和燃烧机理，最后一节主要介绍了铝热剂燃烧期间的气体产物生成。期待在不久的将来，有关反应机理的阐释有更大的突破性进展。