本文關(guān)鍵詞：金屬鋁納米顆粒燃燒機(jī)理及動(dòng)力學(xué)研究

  更多相關(guān)文章： 納米鋁顆粒 燃燒特性 離子擴(kuò)散 表面吸附 氧化鋁結(jié)晶

【摘要】：納米鋁顆粒具有極高的體積能量密度、絕熱燃燒溫度和燃燒速率,被廣泛應(yīng)用于固體推進(jìn)、炸藥、鋁熱劑等特殊領(lǐng)域。然而關(guān)于納米鋁顆粒燃燒的基礎(chǔ)研究并不充分,其燃燒機(jī)理尚不明確。本文利用多元擴(kuò)散平焰燃燒器來(lái)提供可控的高溫環(huán)境,研究納米鋁顆粒的燃燒機(jī)理及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。為實(shí)現(xiàn)近似單顆粒燃燒,開(kāi)發(fā)了一套基于超聲分散、霧化、干燥、粒徑切割的方法來(lái)產(chǎn)生高分散納米氣溶膠。在燃燒診斷上結(jié)合火焰成像、光譜分析、在線采樣等手段實(shí)現(xiàn)了燃燒顆粒的多角度表征。光譜分析表明燃燒器焰后溫度1900 K以下時(shí)顆�；鹧孑椛渲饕獊�(lái)自熱輻射,說(shuō)明納米鋁燃燒以非均相表面反應(yīng)為主。結(jié)合普朗克定律擬合熱輻射信號(hào)得焰后溫度1300 K時(shí)顆粒溫度約為1758K,簡(jiǎn)化模型分析發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)如此大的顆粒-環(huán)境溫度差,換熱模型中的熱容納系數(shù)αth需取0.05。采樣分析表明燃燒時(shí),鋁原子向外擴(kuò)散并最終形成中空產(chǎn)物,同時(shí)氧化層發(fā)生結(jié)晶相變。利用熱重-差熱分析明確了鋁顆粒氧化過(guò)程的控速機(jī)理和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。熱重實(shí)驗(yàn)估得無(wú)定型和γ型氧化鋁內(nèi)鋁離子擴(kuò)散活化能分別為106 kJ/mol和150 kJ/mol。差熱分析獲得了結(jié)晶動(dòng)力學(xué),外推得1330 K下的結(jié)晶時(shí)間約為1ms,與燃燒時(shí)間的量級(jí)一致,說(shuō)明燃燒過(guò)程出現(xiàn)結(jié)晶是合理的。熱重分析表明低速升溫時(shí)反應(yīng)控制機(jī)制不斷變化,從離子擴(kuò)散變?yōu)槎嗑嘧冏詈笥肿優(yōu)殡x子擴(kuò)散控制。其中多晶相變對(duì)反應(yīng)的促進(jìn)作用主要通過(guò)增加氧化層內(nèi)微觀缺陷來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于燃燒過(guò)程,由于顆粒升溫速率快,氧化層結(jié)晶和鋁核熔化將共同促進(jìn)氧化層內(nèi)的離子擴(kuò)散,使得燃燒反應(yīng)的控速步為表面化學(xué)吸附,其表面化學(xué)吸附的活化能約為35 kJ/mol。利用分子動(dòng)力學(xué)模擬了無(wú)定型氧化鋁內(nèi)離子擴(kuò)散及結(jié)晶的微觀過(guò)程,獲得了鋁離子擴(kuò)散活化能約為100 kJ/mol,與熱重實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近;得到了結(jié)晶的TTT(Temperature-time-transformation)相圖,發(fā)現(xiàn)在1250 K時(shí)結(jié)晶速度最大。通過(guò)建模分析了顆粒團(tuán)聚對(duì)燃燒的影響,發(fā)現(xiàn)顆粒團(tuán)聚可改變著火模式。低團(tuán)聚時(shí)顆粒與環(huán)境散熱充分難以實(shí)現(xiàn)完全著火。但隨著團(tuán)聚體增大,顆粒燃燒溫度升高并最終實(shí)現(xiàn)充分燃燒,著火溫度也隨團(tuán)聚而降低至鋁熔點(diǎn)以下(例如790 K)。不過(guò)高溫下顆粒團(tuán)將發(fā)生燒結(jié),使得燃燒特性更接近微米大顆粒,燃盡時(shí)間變長(zhǎng)。最后探究了鋁/氧化鋁顆粒在激光場(chǎng)中的消融機(jī)制,分析了非均相激光診斷技術(shù)在納米鋁燃燒中的可行性,發(fā)現(xiàn)激光誘導(dǎo)白熾光方法很難適用于鋁/氧化鋁體系。
【關(guān)鍵詞】：納米鋁顆粒 燃燒特性 離子擴(kuò)散 表面吸附 氧化鋁結(jié)晶
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TK16
【目錄】：

• 摘要3-4
• abstract4-9
• 主要符號(hào)對(duì)照表9-14
• 第1章 引言14-28
• 1.1 研究背景與意義14-16
• 1.1.1 應(yīng)用背景14-15
• 1.1.2 科學(xué)意義15-16
• 1.2 研究現(xiàn)狀16-26
• 1.2.1 納米鋁顆粒燃燒特性表征16-20
• 1.2.2 納米鋁顆粒燃燒機(jī)理20-21
• 1.2.3 納米鋁顆粒燃燒模擬21-24
• 1.2.4 非均相燃燒的在線激光診斷24-25
• 1.2.5 納米鋁顆粒燃燒研究存在的問(wèn)題25-26
• 1.3 本文研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線26-28
• 第2章 納米鋁顆粒燃燒特性分析28-45
• 2.1 本章引言28
• 2.2 燃燒實(shí)驗(yàn)裝置及診斷方法28-34
• 2.2.1 Hencken平焰燃燒器29-31
• 2.2.2 顆粒表征與給粉系統(tǒng)31-32
• 2.2.3 光譜診斷32-33
• 2.2.4 顆粒采樣方法33-34
• 2.3 納米鋁顆粒燃燒特性分析34-41
• 2.3.1 火焰形貌觀察34
• 2.3.2 火焰發(fā)射光譜分析34-37
• 2.3.3 顆粒團(tuán)聚對(duì)著火的影響37-38
• 2.3.4 特征燃燒時(shí)間分析38-39
• 2.3.5 燃燒顆粒形貌表征39-41
• 2.4 單顆粒燃燒模型41-44
• 2.4.1 模型介紹41-42
• 2.4.2 模型擬合與預(yù)測(cè)42-44
• 2.5 本章小結(jié)44-45
• 第3章 納米鋁顆粒氧化機(jī)理及動(dòng)力學(xué)分析45-63
• 3.1 本章引言45
• 3.2 納米鋁顆粒氧化實(shí)驗(yàn)方法45-47
• 3.2.1 熱重-差熱分析儀45-46
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程介紹46-47
• 3.3 熱重曲線與產(chǎn)物形貌分析47-51
• 3.3.1 典型熱重曲線47-48
• 3.3.2 氧化層結(jié)晶對(duì)反應(yīng)速率的影響48-49
• 3.3.3 氧化性氣氛（CO_2和O_2）的影響49-51
• 3.4 氧化過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析51-61
• 3.4.1 連續(xù)氧化層覆蓋下的氧化機(jī)理概述51-52
• 3.4.2 氧化層內(nèi)離子擴(kuò)散速率分析52-57
• 3.4.3 無(wú)定型氧化鋁結(jié)晶動(dòng)力學(xué)分析57-59
• 3.4.4 相變-反應(yīng)耦合模型59-61
• 3.5 不同加熱條件下氧化過(guò)程探討61
• 3.6 本章小結(jié)61-63
• 第4章 無(wú)定型氧化鋁擴(kuò)散與結(jié)晶微觀機(jī)理探究63-84
• 4.1 本章引言63
• 4.2 分子動(dòng)力學(xué)方法簡(jiǎn)介63-65
• 4.3 氧化鋁體系相圖及MD模擬過(guò)程65-66
• 4.4 無(wú)定型氧化鋁內(nèi)離子擴(kuò)散行為66-76
• 4.4.1 靜態(tài)結(jié)構(gòu)描述66-67
• 4.4.2 無(wú)定型結(jié)構(gòu)中離子運(yùn)動(dòng)軌跡67-69
• 4.4.3 基于連續(xù)時(shí)間隨機(jī)游走模型的擴(kuò)散描述69-73
• 4.4.4 自擴(kuò)散系數(shù)73-75
• 4.4.5 MD模擬與實(shí)驗(yàn)的比較75-76
• 4.5 無(wú)定型氧化鋁結(jié)晶分析76-82
• 4.5.1 TTT相圖76
• 4.5.2 結(jié)晶過(guò)程的微觀結(jié)構(gòu)變化76-79
• 4.5.3 結(jié)晶機(jī)理分析79-80
• 4.5.4 實(shí)際結(jié)晶生長(zhǎng)過(guò)程80-82
• 4.5.5 結(jié)晶模擬與實(shí)際結(jié)晶過(guò)程的關(guān)系82
• 4.6 本章小結(jié)82-84
• 第5章 納米鋁顆粒團(tuán)燃燒模型分析84-107
• 5.1 本章引言84
• 5.2 鋁顆粒團(tuán)的結(jié)構(gòu)演變及影響84-96
• 5.2.1 顆粒團(tuán)致密化過(guò)程84-86
• 5.2.2 顆粒團(tuán)致密化機(jī)理分析86-89
• 5.2.3 顆粒團(tuán)致密化的定量描述89-95
• 5.2.4 顆粒團(tuán)聚對(duì)燃燒特性的影響95-96
• 5.3 納米鋁顆粒（團(tuán)）燃燒機(jī)理分析96-106
• 5.3.1 關(guān)于納米鋁顆粒燃燒研究總括96-97
• 5.3.2 納米鋁顆粒團(tuán)燃燒模型97-101
• 5.3.3 納米鋁顆粒（團(tuán)）燃燒的控速機(jī)理分析101-106
• 5.4 本章小結(jié)106-107
• 第6章 脈沖激光與亞微米Al/Al_2O_3顆粒的作用機(jī)制107-119
• 6.1 本章引言107
• 6.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹107-108
• 6.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果108-112
• 6.3.1 光譜信號(hào)分析108-110
• 6.3.2 時(shí)間衰減信號(hào)分析110-112
• 6.4 激光-顆粒相互作用機(jī)制分析112-117
• 6.4.1 激光-顆粒相互作用機(jī)理112-115
• 6.4.2 激光誘導(dǎo)鋁原子輻射模型115-117
• 6.4.3 模擬結(jié)果分析117
• 6.5 激光診斷在納米鋁非均相燃燒中的應(yīng)用117-118
• 6.6 本章小結(jié)118-119
• 第7章 結(jié)論119-123
• 7.1 主要結(jié)論119-121
• 7.2 建議與展望121-123
• 參考文獻(xiàn)123-131
• 致謝131-133
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷、在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果133-134

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 李鑫;趙鳳起;郝海霞;羅陽(yáng);徐司雨;姚二崗;李娜;;不同類(lèi)型微/納米鋁粉點(diǎn)火燃燒特性研究[J];兵工學(xué)報(bào);2014年05期

2 何麗蓉;肖樂(lè)勤;菅曉霞;周偉良;;氧化鋁殼層對(duì)納米鋁粉的熱反應(yīng)特性影響研究[J];固體火箭技術(shù);2012年03期

3 繆萬(wàn)波;夏智勛;胡建新;趙建民;羅振兵;;金屬/水反應(yīng)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬[J];推進(jìn)技術(shù);2007年02期

，

本文編號(hào)：895952