Al/CuO的应用案例分析

对于Al／CuO体系，方程（5.4）可以分解成6个以下方程，这6个方程式中包含9个反应。

在这些方程中，下标（s）、（l）和（g）分别代表固相、液相和气相。在这9个反应中，4个反应直接表示凝聚态间的相变，代表了反应方向。转变温度由4个反应系统分配。剩余的5个反应是可逆的（已用双向箭头标示出来），其中存在气相。部分蒸气分压是正向反应或逆向反应的驱动力，包括生成能在内的所有的热力学常数，都来自文献（表5.1）。图5.5所示为在Al／CuO体系中平衡温度对ξ的函数曲线。从图中观察到平衡温度被增加到3 400℃，2 072℃出现的小峰为Al2O3熔点。图5.5给出了三种不同TMD%（10%、30%和50%）下的最大压力，最大压力不仅取决于温度，而且取决于气体可膨胀体积。TMD%的增加导致自由体积减小和总压力增加。对于三种TMD%值，压力从ξ＝0.3开始升高，对应的温度约为1 000℃（图5.5）。

理论压力并不是单调升高的，当反应还未完成时就已经达到最大压力值，这与普遍认为压降仅仅是反应停止和系统通过热损失开始冷却的理论相反。此外，低密度（TMD%为30%）体系的压力会发生振荡变化。高密度体系也可以观察到这种趋势，但是最大值不是很明显，其函数图线为肩峰。

图5.5　理论压力和温度对Al／CuO燃烧反应程度（ξ）和不同TMD%的函数图线(www.xing528.com)

为了解释这种现象，在图5.6中给出了Al、Cu和O2气相分压、总压力和温度对ξ的函数曲线，TMD%为30%。从图中可以看出，所有的气体分压不会同时上升。

图5.6　当TMD%为30%时理论分压、总压力和温度对反应程度的函数

总压力主要由氧气驱动，氧气在ξ＝0.6处具有第一压力峰值，在ξ＝0.8处具有温和的压力肩峰，两个峰值分别由CuO和Cu2O分解产生。气态铝和气态铜只会微弱地影响反应结束过程。Cu蒸气来自液态Cu的蒸发，而Al蒸气来自Al2O3的分解，后者解释了总压力从ξ＝0.9到ξ＝1增加的原因。由于最终温度（3 330℃）大于氧化铝的沸点（2 977℃），所以Al2O3会蒸发为气态。当反应快完成时，总压力几乎完全由铝分压决定。氧分压比较稳定是由于液体氧化铝蒸发所提供的氧分子和铝氧化反应消耗氧之间达到平衡。

总而言之，对于TMD%为10%的体系，反应结束时（ξ＝1）压力达到饱和，导致出现18 MPa压力饱和峰。对于TMD%分别为30%和50%的体系，在反应ξ＝0.6时压力最大，分别为49 MPa和118 MPa。压力从最大压力值降低到ξ＝0.9时，系统温度达到最高并使得氧化铝发生分解，导致压力增加到71 MPa。