纳米铝粉在二氧化碳气氛中的点火燃烧机理研究

The aluminum/carbon dioxide fuel is a promising fuel to realize a manned mission to Mars in the future due to the reaction of aluminum and carbon dioxide with higher energy. The Martian atmospheres consists of 95% carbon dioxide. Using aluminum/carbon dioxide as a fuel can realize in situ resource utilization (ISRU).At present, however, the reaction of aluminum with carbon dioxide has encountered "bottleneck" problems which are the high ignition temperature and low combustion efficiency. Nano-metal powder has many excellent characteristics. If nano-metal powder is applied to aluminum/carbon dioxide fuel, it will make possible to reduce the ignition temperature and improve the reaction efficiency. Using advanced technology experiments together with quantum chemistry computation, the ignition and combustion process of aluminum in carbon dioxide atmosphere will be deeply investigated. At the same time, the mechanism of the aluminum ignition and combustion process in carbon dioxide atmosphere will be analysised.Then,their combustion characteristics and internal combustion mechanism as well as combustion dynamics will be revealed. The purpose of this project is to obtained the detailed knowledge of ignition and combustion mechanisms of aluminum in carbon dioxide atmosphere and to look for the methods which can reduce the aluminum/carbon dioxide fuel ignition temperature and improve the reaction efficiency through the experimental and theoretical studies. So it can provide a scientific basis for optimizing formula for reference of applicable departments. This project possesses very strongly applicable prospects for space detection.

铝/二氧化碳反应具有较高的能量，是未来实现载人登火星探测的理想燃料。火星大气中含有95%的二氧化碳气体，采用铝/二氧化碳作为燃料可以实现"就地资源利用（ISRU）"。但目前，铝/二氧化碳反应所遇到的"瓶颈"问题是：点火困难，燃烧效率低。纳米铝粉有许多优良的特性，将其应用于铝/二氧化碳燃料中，将有可能降低铝/二氧化碳燃料的点火温度，提高其燃烧效率。本项目将采用多种先进的实验技术结合量子化学计算，深入研究纳米铝粉在二氧化碳气氛中的点火和燃烧过程，分析其点火和燃烧机制，揭示其燃烧特性与内在的燃烧机理以及燃烧反应动力学过程。综合权衡多种因素的利弊，降低铝/二氧化碳燃料的点火温度，提高其反应效率。通过该项目的实验与理论研究，掌握铝在二氧化碳气氛中的点火和燃烧机制，寻求解决铝/二氧化碳燃料点火困难及燃烧效率低的方法，为铝/二氧化碳燃料配方研制提供实验依据和理论指导。该项目具有很强的太空探测应用前景。

火星大气中96%为二氧化碳，采用纳米铝粉/二氧化碳作为探测器燃料能有效地减轻火箭的发射质量，降低探索成本。铝粉粒度，纳米铝粉含量、二氧化碳浓度及添加剂等对铝/二氧化碳燃料的点火及燃烧性能具有重要影响。本项目采用实验与模拟相结合的研究手段，全面深入分析并揭示了纳米铝粉在二氧化碳气氛中的燃烧机理。首先，采用热分析技术对不同粒度的铝粉在二氧化碳气氛中的热反应特性反应动力学进行了研究。研究发现，纳米铝粉/二氧化碳的反应机制主要为固-固反应机制，其热反应过程分为三个增重阶段，主要氧化过程发生在温度较低的增重阶段I。微米铝粉/二氧化碳的反应机制主要为液-气扩散机制，其热反应过程分为两个增重阶段，主要氧化过程发生在温度较高的增重阶段II。纳米铝粉/二氧化碳热反应过程的氧化铝晶型变化为无定型→γ→α-Al2O3；而微米铝粉/二氧化碳热反应过程中氧化铝的晶型变化为无定型→γ→θ→α-Al2O3。微米初始氧化阶段机理函数符合化学反应级数RO（n=1）模型，其方程为f(a)＝1-a；剧烈燃烧阶段的机理函数符合三维扩散Z-L-T模型，其方程为f(a)=1.5(1-a)4/3 [(1-a)-1/3-1]-1。纳米铝粉在第一和第二增重阶段的机理函数分别G(a)=-1.4ln(1-a)0.4和G(a)=-2.6ln(1-a)1.6。其次，研究了KNO3添加剂对纳米、微米铝粉/二氧化碳热反应过程的影响，同时通过可视化管式炉探究了纳米铝粉/二氧化碳的点火燃烧过程及KNO3对纳米铝粉/二氧化碳点火过程的影响。发现添加KNO3可以降低纳米铝粉/二氧化碳的起始反应温度，提高微米铝粉/二氧化碳高温阶段的反应速率。再次，采用不同浓度的包覆剂对纳米铝粉进行了包覆处理，获得了既能提高纳米铝粉低温稳定性，又能促进其着火燃烧的包覆剂。最后，采用自行设计的悬浮燃烧装置研究了纳米铝粉/二氧化碳单次及连续喷吹燃烧时火焰传播过程的影响因素。同时，采用CHEMKIN研究了纳米铝粉在二氧化碳及二氧化碳/水蒸气中的详细反应进程，并获得了其反应的关键中间组分和关键反应路径。