熔融分散机理与氧化物包覆的纳米铝颗粒燃烧特性的关系分析

2007年，Levitas等提出了一系列高温下纳米Al颗粒的氧化模型。通过测量纳米铝热剂混合物的反应过程发现，过于缓慢的扩散机制无法产生每秒几百米的火焰传播速率，纳米级（低于80～100 nm）颗粒的火焰传播速率与其尺寸无关，粒径小于120 nm颗粒的点火延迟时间与其尺寸也无关。这些现象导致熔融分散机理（MDM）的提出，该机理基于氧化物壳剥落之后Al簇从内核高速喷射到氧化剂表面，随后扩散到颗粒周围介质中。当铝熔融时，从固体（密度为2.7 g／cm3）变为液体（密度为2.4 g／cm3），体积快速膨胀，导致氧化物壳处于扩张状态，铝核处于压缩状态。熔化引起的体积变化导致在熔融Al核中产生1～2 GPa的压力，并引起氧化铝壳持续剥落［LEV 07］。分子动力学已经模拟证实了氧化物包覆的纳米铝颗粒内部存在高压力梯度［CAM 99］。铝核维持正压，氧化物壳主要处于负压（张力），颗粒内部的这种压力梯度导致氧化物层变薄直到破裂。此时，Al簇高速（估计100～250 m／s）喷射出来。MDM认为由氧化铝薄壳覆盖的单个Al颗粒会变成高速喷射的数百或数千个较小的纳米铝颗粒，因此与微米级铝颗粒相比，铝核扩散速率增加。熔融喷射Al簇散布在氧化剂表面上，可以在气相（如果是氧化气氛的话）中发生氧化或者可以部分渗透到氧化剂中参与反应。

实验结果表明，纳米颗粒的火焰速度和燃烧时间与MDM的理论预测无论在定性与定量上均具有良好的一致性［LEV 07］。除了解释反应时间极短的原因以外，还获得了MDM和实验之间的对应关系：

（1）当颗粒半径低于某一临界值时，火焰速度和点火时间与半径无关。(www.xing528.com)

（2）氧化物壳破裂过程与传统的扩散反应机理一致，与MDM不同。

（3）纳米铝片的燃烧机理与MDM不同，而与微米级球形颗粒的燃烧机理相似。