《納米鋁粉在二氧化碳氣氛中的點火燃燒機理研究》是依託安徽工業大學，由孫運蘭擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：納米鋁粉在二氧化碳氣氛中的點火燃燒機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：孫運蘭
- 依託單位：安徽工業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鋁/二氧化碳反應具有較高的能量，是未來實現載人登火星探測的理想燃料。火星大氣中含有95%的二氧化碳氣體，採用鋁/二氧化碳作為燃料可以實現就地資源利用（ISRU）。但目前，鋁/二氧化碳反應所遇到的瓶頸問題是：點火困難，燃燒效率低。納米鋁粉有許多優良的特性，將其套用於鋁/二氧化碳燃料中，將有可能降低鋁/二氧化碳燃料的點火溫度，提高其燃燒效率。本項目將採用多種先進的實驗技術結合量子化學計算，深入研究納米鋁粉在二氧化碳氣氛中的點火和燃燒過程，分析其點火和燃燒機制，揭示其燃燒特性與內在的燃燒機理以及燃燒反應動力學過程。綜合權衡多種因素的利弊，降低鋁/二氧化碳燃料的點火溫度，提高其反應效率。通過該項目的實驗與理論研究，掌握鋁在二氧化碳氣氛中的點火和燃燒機制，尋求解決鋁/二氧化碳燃料點火困難及燃燒效率低的方法，為鋁/二氧化碳燃料配方研製提供實驗依據和理論指導。該項目具有很強的太空探測套用前景。
結題摘要
火星大氣中96%為二氧化碳，採用納米鋁粉/二氧化碳作為探測器燃料能有效地減輕火箭的發射質量，降低探索成本。鋁粉粒度，納米鋁粉含量、二氧化碳濃度及添加劑等對鋁/二氧化碳燃料的點火及燃燒性能具有重要影響。本項目採用實驗與模擬相結合的研究手段，全面深入分析並揭示了納米鋁粉在二氧化碳氣氛中的燃燒機理。首先，採用熱分析技術對不同粒度的鋁粉在二氧化碳氣氛中的熱反應特性反應動力學進行了研究。研究發現，納米鋁粉/二氧化碳的反應機制主要為固-固反應機制，其熱反應過程分為三個增重階段，主要氧化過程發生在溫度較低的增重階段I。微米鋁粉/二氧化碳的反應機制主要為液-氣擴散機制，其熱反應過程分為兩個增重階段，主要氧化過程發生在溫度較高的增重階段II。納米鋁粉/二氧化碳熱反應過程的氧化鋁晶型變化為無定型→γ→α-Al2O3；而微米鋁粉/二氧化碳熱反應過程中氧化鋁的晶型變化為無定型→γ→θ→α-Al2O3。微米初始氧化階段機理函式符合化學反應級數RO（n=1）模型，其方程為f(a)＝1-a；劇烈燃燒階段的機理函式符合三維擴散Z-L-T模型，其方程為f(a)=1.5(1-a)4/3 [(1-a)-1/3-1]-1。納米鋁粉在第一和第二增重階段的機理函式分別G(a)=-1.4ln(1-a)0.4和G(a)=-2.6ln(1-a)1.6。其次，研究了KNO3添加劑對納米、微米鋁粉/二氧化碳熱反應過程的影響，同時通過可視化管式爐探究了納米鋁粉/二氧化碳的點火燃燒過程及KNO3對納米鋁粉/二氧化碳點火過程的影響。發現添加KNO3可以降低納米鋁粉/二氧化碳的起始反應溫度，提高微米鋁粉/二氧化碳高溫階段的反應速率。再次，採用不同濃度的包覆劑對納米鋁粉進行了包覆處理，獲得了既能提高納米鋁粉低溫穩定性，又能促進其著火燃燒的包覆劑。最後，採用自行設計的懸浮燃燒裝置研究了納米鋁粉/二氧化碳單次及連續噴吹燃燒時火焰傳播過程的影響因素。同時，採用CHEMKIN研究了納米鋁粉在二氧化碳及二氧化碳/水蒸氣中的詳細反應進程，並獲得了其反應的關鍵中間組分和關鍵反應路徑。
