微燃烧室内纳米铝粉的激光点火及燃烧特性

周东辉，黄雪峰，李盛姬，徐江荣

(1.杭州电子科技大学 理学院，杭州　310018；2.杭州电子科技大学 材料与环境工程学院，杭州　310018)



微燃烧室内纳米铝粉的激光点火及燃烧特性

周东辉1，黄雪峰1，李盛姬2，徐江荣1

(1.杭州电子科技大学 理学院，杭州310018；2.杭州电子科技大学 材料与环境工程学院，杭州310018)

实验研究纳米铝粉在微尺度下的点火、燃烧现象，结合纳米铝氧化理论、颗粒间烧结模型，提出纳米铝粉在微尺度下的点火、燃烧模式。在微燃烧室内常温常压静止空气流中，纳米铝粉的最低激光点火功率低于13.0 mW(功率密度为1.49×109W/m2)，点火延迟时间在μs量级。当点火功率密度相同时，点火延迟时间受圆形度、等效粒径和堆积密度等综合因素影响。纳米铝粉在微尺度下的典型燃烧过程包括燃烧启动、扩散燃烧、弱火焰和淬熄。纳米铝粉被激光预热、铝核升温熔化导致核壳破裂引起异相着火，破裂过程中可能发生微爆炸。着火后，在自然对流作用下，纳米铝粉发生扩散燃烧，燃烧火焰的锋面、亮度出现振荡，燃烧处于不稳定状态。微尺度下纳米铝粉燃烧存在弱火焰形式，最终发生淬熄。

纳米铝粉；微燃烧；激光点火；不稳定燃烧

0　引言

铝粉具有高能量密度，常作为高能添加剂应用于推进剂、炸药等[1]。了解铝粉点火燃烧性能，对于铝粉的应用具有非常重要的意义，也一直是国内外研究的热点和难点。目前，研究铝粉点火燃烧的方法主要有热分析法[2-3]、平板火焰燃烧器法[4]、激波管法[5-7]、频闪灯法[8]、激光点火法[9-11]。Trunov等[2，12]采用热重分析技术，研究了铝粉的氧化特性。结果表明，铝粉的氧化是一个逐步氧化过程，并伴随着重量的增加。Friedman和Macek[13-14]首先利用平板火焰燃烧器测量30～50 μm铝粉的燃烧时间，获得了铝粉燃烧时间与铝粉直径依赖的指数关系：t-D1.2-1.5。Tim等[7]利用激波管研究了粒径为80 nm～40 μm铝粉颗粒的燃烧峰值温度随铝粉粒径的变化，燃尽时间随气体压强的变化及火焰光谱辐射强度变化。Ohkura等[8]首次采用频闪灯点燃纳米铝粉，点火装置是一个配备氙灯的商业相机闪光灯(Vivitar 285 HV)，用透射电镜显微镜分析在空气和氩气环境下被闪光灯曝光后的纳米铝粉。结果表明，纳米铝粉的氧化机制是熔化分散机理，该研究首次为熔化分散机理提供了直接的实验证据。Marion M等[9]采用激光点火，通过搭建一套电动悬浮装置，实现单颗铝颗粒的悬浮燃烧，实验采用高速摄像的方法，记录铝颗粒燃烧反应的全过程，并采用数值模型，对铝颗粒燃烧速率和粒径变化进行预测。

对于微米级铝粉，颗粒的点火温度高，接近氧化铝的熔点(2 054 ℃)，燃烧过程与液滴相似。此外，充当固体推进添加剂时，易在推进剂表面上凝结成大的“集坎”，引起燃烧时间延长、喷管两相流损失等问题。而纳米铝粉相比于微米铝粉，具有高的反应活性、较低的点火温度(约660 ℃)、更快的燃烧速率，缩短点火延迟时间，减少燃烧时间，燃烧更充分以及更高的燃烧效率[15-16]。纳米铝粉的研究有望解决微米级铝粉燃烧存在的问题，并用在微燃烧能源系统中。

目前，微燃烧能源系统所使用的燃料普遍为气体，其燃烧热值高，易于着火。微尺度下气体燃料(烃类燃料和氢气)的燃烧机理和稳燃特性已进行了大量研究，但气体不易存储、携带，对于微型航空航天设备以及便携式设备而言是一个较大的问题，而且气体燃料在燃烧器内停留时间短[17]，限制了高功率密度输出。微尺度下固体燃料燃烧的研究文献报道较少，主要是由于其实验、测试难度较大，燃烧过程难以控制。但固体燃料来源广、稳定性好、能效高，因此可用在军事和航天航空，如微火箭发动机、微推进器等领域。

本文在于探索纳米铝粉在微燃烧室内的点火和燃烧特性。采用激光点火方式，获取分散在常温常压静止空气流中纳米铝粉的最低点火功率、点火延迟时间、着火模式、燃烧火焰结构、火焰亮度，以及燃烧过程中微爆炸等新特征，提出并分析纳米铝颗粒团在微尺度下的点火和燃烧模式。

1　基本理论

1.1纳米铝粉的熔点

随着粒径的降低，金属粉末的比表面积增大，表面活化能增大，熔点逐渐降低。纳米铝粉表面原子相对于普通铝粉具有更高的表面活性，更容易熔化来降低表面能量。文献[18]给出了半径为r的铝粉颗粒熔点的理论表达式：

(1)

式中Tm(r)为半径为r的铝粉颗粒熔点；Tm(∞)为铝的熔点；ΔHf(∞)为铝的潜热；ρs为铝的密度；σs1为固液界面能。

1.2纳米铝粉的氧化理论

关于纳米铝颗粒的氧化过程主要存在两种理论：扩散氧化机理(DOM)[19-20]和熔化-分散机理(MDM)[21]。DOM适用于缓慢加热速率条件，铝和氧通过氧化壳层相互扩散；MDM适用于较高的加热速率条件，核芯铝熔化引起壳层破裂，分散成较小的铝簇后发生氧化。

扩散氧化机理(DOM)是基于纳米铝颗粒氧化行为与燃烧物理现象而提出[20]。DOM认为，纳米铝颗粒的氧化是一个输运控制的过程，不考虑氧化层核壳破裂或变薄导致的氧化速率增强。氧、铝通过浓度梯度和压力梯度扩散，因此其通量包括扩散通量和对流通量。氧从纳米颗粒外部扩散到颗粒反应界面，铝从铝芯/氧化铝的接触界面扩散到反应界面。铝和氧在反应界面的浓度为零，反应面前锋是动态的。

Levitas[22-23]针对纳米铝颗粒在高加热速率(106～108K/s)下的快速反应，提出了熔化-分散机理。在高加热速率下，纳米铝粉温度迅速上升到铝的熔点，瞬间造成了核芯部的铝熔化，引起核芯体积膨胀，在熔融铝内部产生很大的压力。此压力加载在氧化铝核层上，氧化铝壳产生约11 GPa的环形拉应力，当超过氧化铝的理论强度时，引起纳米铝氧化壳层的快速断裂和分裂。壳层破裂后，液态铝内部的压力保持不变。然而，由于表面张力和周围气体压力，裸露的液态铝表面压力迅速降低到10 MPa，引起一个卸载波，并传播到颗粒中心，产生3～8 GPa的拉应力，导致核芯以160～250 m/s的速度分散成较小的铝簇，而铝簇的反应不再是由通过氧化壳层的扩散控制。

1.3颗粒间烧结模型

在高温条件下，纳米铝粉颗粒间将发生烧结，颗粒中心互相接近，导致有效反应面积减小。对于2个等粒径颗粒间的烧结，可利用KF模型[24-25]来描述颗粒团表面积的变化，公式为

(2)

式中τA为烧结特征时间；A为颗粒团表面积；Af为烧结后表面积。

Koch和Friedlander[24]利用唯象理论，设定烧结特征时间τA=3Vη/Aγ，从而获得了解析解：

初始条件为A(t=0)=A0。假设烧结特征时间是定值，颗粒团表面积将以指数形式减少：

(3)

当粘性流动控制时：

(4)

当晶界扩散控制时：

(5)

在铝颗粒燃烧过程中，氧化层熔化前主要受晶界扩散控制，而熔化后受粘性流动控制。

2　实验

2.1实验装置

实验系统示意图如图1所示。红外激光器发出的光由分光镜分成2束，其中一束经扩束镜扩束，再经镀膜的分光镜反射至物镜，聚焦到微燃烧室中的纳米铝粉，实现点火；另一束由分束镜再分成2束，一束入射到功率计的探头，通过换算可获得激光光束入射到样品的能量，另一束到达硅光电探测器。火焰辐射信号由光电倍增管PMT、CCD相机、数据采集卡和PC等接收并处理。PMT通过多模光纤接收实验样品的辐射信号，同时利用硅光电探测器对激光器的出光信号进行同步记录，分析两者信号的时间差，可确定点火延迟时间。CCD相机记录样品点火、燃烧的全过程。

微燃烧室采用光刻工艺制作，底层为白玻璃，上层为盖玻片。微燃烧室为矩形通道，其宽度约350 μm，深度约100 μm，长度约20 mm。

图1　实验系统装置示意图

2.2实验原料

实验所用的纳米铝粉为平均粒径50 nm的球形颗粒(北京德科岛金科技有限公司)。纳米铝粉经过钝化处理，其氧化层厚度为3～5 nm，活性铝含量约为73.8%。铝粉的物理参数见表1，相比微米级的铝粉，纳米铝粉具有较低的体积密度，更高的比表面积。

表1　纳米铝粉的物理属性

3　结果分析与讨论

3.1纳米铝粉的激光点火

3.1.1最低点火功率

随机选取微燃烧室内的多个纳米铝颗粒团，基本为非球形，测量选取样品的周长、面积、等效粒径和圆形度(等效粒径D=4S/L，圆形度R=4S/L2，其中S和L为纳米铝颗粒团的面积和周长)。在微燃烧室静止空气条件下，逐渐增加激光功率，对所选样品进行激光点火，记录整个点火过程，样品的最低点火功率的统计结果见表2。从表2可见，点燃6个样品的最低功率均为13.0 mW(功率密度为1.49×109W/m2)。因此，判定纳米铝颗粒团的等效粒径、圆形度、周长、面积及堆积密度对最低点火功率基本没有影响，考虑纳米铝粉颗粒团的反射、透射和吸收特，性其最低点火功率低于13.0 mW。

3.1.2点火延迟时间

在相同功率密度条件下，对多个样品进行点火实验，获取纳米铝粉的点火延迟时间。图2为一随机纳米铝粉团在激光功率密度为4.84×109W/m2的典型燃烧辐射信号，实线为PMT记录的颗粒团点火和燃烧的辐射信号，虚线为硅光电探测器记录的激光出光信号。颗粒辐射光强度通过PMT信号电压除以它的最大值进行归一化。打开激光器后，辐射信号第一个较高的峰值时间与激光器打开时刻的差值即点火延迟时间，为0.40 ms。

铝粉点火是一个复杂的过程，受诸多因素影响。在常温常压、功率密度(4.84×109W/m2)相同的点火条件下，纳米铝粉面积、形状(圆形度)和等效粒径对点火延迟时间的影响见表3。由表3可知，在铝粉圆形度相差很小时，随纳米铝粉等效粒径增大，铝粉点火延迟时间有增大趋势。对于金属燃料，其粒径尺寸大大影响点火延迟时间，粒径越小，比表面积越大，获取的热量越多，易于点燃。但表中样品的等效粒径对点火延迟时间的影响，没有呈现严格的单调规律，其原因可能是纳米颗粒团的堆积密度不同，对点火延迟时间造成影响。

表2不同大小纳米铝粉颗粒团的最低激光点火功率

Table 2Minimum laser ignition power for different nano-aluminum aggregate

图2　火焰辐射信号和激光器出光信号(激光关闭定义为0，激光打开定义为1)

3.2纳米铝粉的燃烧

3.2.1纳米铝粉的典型燃烧过程

纳米铝粉在微尺度下的典型燃烧历程见图3，铝颗粒团的等效粒径为7.84 μm，所用激光点火功率密度为4.84×109W/m2。铝颗粒团着火后，发生了气相扩散燃烧；随后，火焰亮度逐渐变得微弱直至熄灭。

图4为PMT记录此纳米颗粒团燃烧的辐射信号，可知颗粒经历0.45 ms的激光加热时间后发生着火。着火之后，PMT信号发生剧烈波动，表明颗粒燃烧辐射的光亮度发生剧烈变化，燃烧以不稳定的振荡方式进行。经估算，激光的加热速率至少可达106k/s量级，符合熔化-分散机理(MDM)对升温速率的要求，结合CCD记录的火焰图像和PMT信号，可推测：在高加热速率下，纳米铝粉温度迅速上升到铝的熔点，瞬间造成了核芯部的铝熔化，从而引起核芯部的体积膨胀，导致纳米铝颗粒的氧化壳层破裂；裸露的液态铝与氧气发生如下异相反应：4Al(l)+3O2(g)→2Al2O3(s)。液态铝与氧气发生的异相反应释放大量的热，再加上激光的持续加热，纳米铝粉的温度迅速升高，并达到铝的沸点，引起气相扩散燃烧，主要发生如下化学反应：Al(l)→Al(g)；Al2O3(s)→Al2O3(l)；4Al(g)+3O2(g)→2Al2O3(l)。

表3　不同粒径的纳米铝粉团在相同点火条件时的点火延时间、燃烧前后等效粒径、面积及圆形度的变化

图3　纳米铝粉的典型燃烧历程

3.2.2火焰结构

图5为等效粒径6.4 μm的纳米铝粉颗粒团燃烧过程中火焰的变化情况，点火功率密度为3.34×109W/m2。此颗粒团火焰面积随时间变化的统计结果见图6。

图4　纳米铝粉燃烧过程中PMT记录的颗粒辐射信号

图5　纳米铝粉燃烧过程的火焰结构和锋面

图6　纳米铝粉燃烧火焰面积随时间的变化

从图5可看出，纳米铝粉着火后发生扩散燃烧，火焰结构在投影面内基本呈现圆形，火焰亮度、面积和锋面发生变化，燃烧处于不稳定状态。随着燃烧的进行，散热损失大于燃烧释放的热量，火焰亮度逐渐降低，面积逐渐变小，燃烧变成弱火焰形式直至淬熄。

3.2.3纳米铝粉的烧结

从图3可知，燃烧后产物的等效粒径为5.42 μm，面积收缩为初始的46.7%，说明纳米颗粒团发生了烧结。纳米铝粉燃烧前后的面积、有效粒径的统计结果见表3。从表3可见，燃烧前后纳米铝粉颗粒团的有效粒径、面积显著变小，表明纳米铝颗粒团中的颗粒间存在一定程度烧结，颗粒团孔隙率下降，内表面减少。

烧结后的颗粒团会阻止空气的扩散，削弱燃烧，导致铝粉不完全燃烧。通过XRD检测燃烧前后铝粉及产物的衍射峰值，对比发现燃烧产物除Al2O3外，还存在未反应的Al粉，这直接证明了纳米铝粉颗粒团在高加热速率下颗粒间会发生显著烧结，并阻碍充分燃烧。

3.2.4纳米铝粉的燃烧爆裂现象

纳米铝粉颗粒团在点火和燃烧过程中的爆裂现象见图7，其等效粒径为4.7 μm，激光点火功率密度为4.84×109W/m2。在燃烧过程中，发生颗粒团爆裂，一颗子团聚物从母团聚物中飞射出来，速度可达2.1 mm/s。该爆裂现象也可称为微爆炸，因为母团聚物爆裂后可飞出多颗子团聚物，与爆炸类似。爆裂后的纳米铝粉依然发生图3中所描述的典型燃烧过程，但通常淬熄时间缩短。

3.3微尺度下纳米铝粉的点火和燃烧模式

根据图3、图5和图7中的点火和火焰结构，纳米铝粉在微尺度下的燃烧过程主要经历4个阶段：燃烧启动、扩散燃烧、弱火焰和淬熄。第1阶段：由于点火功率密度较高，纳米铝粉在加热后温度升高，至铝粉熔点后铝芯熔化引起壳层破裂[22]，熔融态的铝与氧气接触发生异相着火，启动燃烧。第2阶段：液态铝与氧的异相反应放出大量的热，引起颗粒团温度进一步升高，当温度达到铝的沸点，熔融铝气化，发生气相燃烧，在自然对流作用下，火焰迅速传播，火焰锋面扩展，火焰面积增大，且燃烧的推进导致火焰温度升高，亮度增大。由于微燃烧室散热损失较大，而且壁面将会造成一部分自由基的消耗，因此火焰在短暂地达到最高温度后迅速降低，但由于纳米铝粉燃烧释放出大量的反应热，使得火焰温度升高，因此扩散燃烧火焰的温度、亮度和面积出现振荡，即燃烧处于不稳定状态(见图6)。第3阶段：由于散热损失大于燃烧释放的热量，燃烧变为弱火焰形式，但燃烧还在持续进行。第4阶段：由于燃烧不能自持进行，火焰发生淬熄，燃烧停止。

图7　纳米铝粉燃烧过程中的破裂现象

由于纳米铝颗粒团的比表面积大，燃烧过程受气相扩散控制，如果加热速率过大，颗粒团将会爆裂，产生火星四射的现象，与Ohkura等[8]在频闪灯照射铝颗粒堆实验中观察到的现象一致。根据上述实验结果推测，当点火加热速率不同时，纳米铝颗粒团的燃烧存在2种不同的燃烧路线，见图8。

图8　纳米铝粉的燃烧路线

如果加热升温速率很快，颗粒团内产生了巨大的内应力[23]，导致颗粒团可能破碎，产生2个或多个燃料颗粒，颗粒轨迹将有所改变，纳米铝颗粒团的燃烧按照图8a破裂途径进行。如果升温速率较慢，颗粒团内部产生的内应力较小，不能使颗粒涨破，纳米铝颗粒团将完整地进行升温、烧结、反应，由于高温下颗粒团有效反应面积减小，使得反应速率减慢，最终部分铝被封存于颗粒团内部，难以充分燃烧，即按照图8b完整氧化途径进行。

4　结论

(1)通过在微尺度下对纳米铝粉的点火和燃烧特性研究，有助于理解纳米铝粉点火和燃烧的机理。实验发现，在微尺度下常温常压静止空气流中，纳米铝粉的最低点火功率低于13.0 mW(功率密度为1.49×109W/m2)，点火延迟时间在μs量级，点火延迟时间受圆形度和等效粒径等综合因素的影响。着火之后，纳米铝粉颗粒团燃烧非常剧烈，可产生明亮的火焰。纳米颗粒团由于反应表面积大，气体扩散燃烧可能成为控制步骤。在激光高加热速率下，高速升温将产生巨大的热膨胀应力和熔化应力，可使颗粒团爆裂。

(2)纳米铝粉在激光点火方式下着火，符合熔化-分散机理(MDM)对升温速率的要求。相比于微米级铝粉，纳米铝粉熔点降低，在高加热速率下，纳米铝粉温度迅速上升到铝的熔点，瞬间造成了核芯部的铝熔化引起氧化壳层爆裂，随后铝芯分散成较小的铝簇，裸露的铝簇与氧气接触反应引起铝粉着火。

(3)纳米铝粉在微尺度下的典型燃烧包括燃烧启动、扩散燃烧、弱火焰和淬熄。纳米铝粉被激光预热、铝核升温熔化，导致核壳破裂引起异相着火。着火后，在自然对流作用下，纳米铝粉发生扩散燃烧，火焰迅速传播，火焰锋面扩展。在火焰面达到最大值后收缩，扩散燃烧火焰的温度、亮度和面积出现振荡，燃烧处于不稳定状态。由于微燃烧室的散热损失较大，而且壁面将会引起部分自由基损失，造成燃烧的弱火焰形式，最后火焰淬熄。

[1]Hasani S,Panjepour M,Shamanian M.The oxidation mechanism of pure aluminum powder particles[J].Oxidation of Metals,2012,78(3):179-195.

[2]Trunov M A,Schoenitz M,Dreizin E L.Ignition of aluminum powders under different experimental conditions[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,2005,30(1):36-43.

[3]Trunov M A,Schoenitz M,Zhu X,et al.Effect of polymorphic phase transformations in Al2O3 film on oxidation kinetics of aluminum powders[J].Combustion and Flame,2005,140(4):310-318.

[4]Olsen S E,Beckstead M W.Burn time measurements of single aluminum particles in steam and carbon dioxide mixtures[J].Journal of Propulsion and Power,1996,12(4):662-671.

[5]Tim B,Herman K,Nick G.Combustion of nanoaluminum at elevated pressure and temperature behind reflected shock waves[J].Combustion and Flames,2006,145(4):703-713.

[6]Servaites J,Krier H,Melcher J C,et al Ignition and combustion of aluminum particles in shocked H2O/O2/Ar and CO2/O2/Ar mixtures[J].Combustion and Flames,2001,125(1-2):1040-1054.

[7]Tim B,Herman K,Nick G.Evidence for the transition from the diffusion-limit in aluminum particle combustion[J].Proceedings of the Combustion Institute,2007,31(2):2018-2021.

[8]Ohkura Y,Rao P M,Zheng X.Flash ignition of Al nanoparticles:mechanism and applications[J].Combustion and Flame,2011,158(12):2544-2548.

[9]Marion M,Chauveau C,Gokalp I.Studies on the ignition and burning of levitated aluminum particles[J].Combustion Science and Technology,1996,115(4-6):369-390.

[10]Legrand B,Marion M,Chauveau C,et al.Ignition and combustion of levitated magnesium particles in carbon dioxide[C]//Symposium on Combustion,27(2):2413-2419.

[11]Gill R J,Mohan S,Dreizin E L.Sizing and burn time measurements of micro-sized metal powders[J].Review of Scientific Instruments,2009,80(6):1989-1990.

[12]Trunov M A,Umbrajkar S M,Schoenitz M,et al.Oxidation and melting of aluminum nanopowders[J].Journal of Physical Chemistry B,2006,110(26):13094-13099.

[13]Friedman R,Macek A.Ignition and combustion of aluminum particles in hot ambient gases[J].Combustion and Flame,1962,6:9-19.

[14]Friedman R,Macek A.Combustion studies of single aluminum particles[C]//Ninth International Symposium on Combustion,1963,9(1)：703-712.

[15]Dreizin E L.Metal-based reactive nanomaterials[J].Progress in Energy and Combustion Science,2009,35(2):141-167.

[16]李颖,宋武林,谢长生,等.纳米粉体在固体推进剂中的应用进展[J].兵工学报,2005,26(1):121-125.

[17]Waitz I A,Gauba G,Tzeng Y S.Combustors for micro gas turbine engines[J].ASME Journal of Fluids Engineering,1998,120(1):109-117.

[18]Garima C.Influence of aluminum shell on nanoaluminum melting temperature depression[D].Texas Tech.University,2007:3-4.

[19]Rai A,Park K,Zhou L,et al.Understanding the mechanism of aluminum nanoparticle oxidation[J].Combustion Theory and Modelling,2006,10(5):843-859.

[20]Dreizin E L.Metal-based reactive nanomaterials[J].Progress in Energy and Combustion Science,2009,35(2):141-167.

[21]Levitas V I,Asay B W,Son S F,et al.Melt dispersion mechanism for fast reaction of nanothermites[J].Applied Physics Letters,2006,89(7):071909-071909-3.

[22]Levitas V I,Pantoya M L,Dikici B.Melt dispersion versus diffusive oxidation mechanism for aluminum nanoparticles:critical experiments and controlling parameters[J].Applied Physics Letters,2008,92(1):011921-011921-3.

[23]Levitas V I.Burn time of aluminum nanoparticles:strong effect of the heating rate and melt dispersion mechanism[J].Combust.and Flame,2009,156(2):543-546.

[24]Koch W,Friedlander S K.The effect of particle coalescence on the surface-area of coagulating a erosol[J].Journal of Colloid and Interface Science,1990,140(2):419-427.

[25]Eggersdorfer M L,Kadau D,Herrmann H J,et al.Multiparticle sintering dynamics:from fractal-like aggregates to compact structures[J].Langmuir,2011,27(10):6358-6367.

(编辑：刘红利)

Laser-induced ignition and combustion characteristics of nano-aluminum powders in the micro-scale combustor

ZHOU Dong-hui1,HUANG Xue-feng1,LI Sheng-ji2,XU Jiang-rong1

(1.School of Science,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou310018,China；2.College of Materials and Environmental Engineering,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou310018,China)

The ignition and combustion mechanism of nano-aluminum powders at the micro-scale was presented based on nano-aluminum oxidation theory,interacting particle sintering model and the ignition and combustion phenomena of nano-aluminum powders at the micro-scale.In a stagnation air flow of the micro-scale combustor at atmospheric temperature and pressure,the minimum laser ignition power of nano-aluminum powders is less than 13.0 mW (power density of 1.49×109W/m2),and the ignition delay time is in the magnitude of micro seconds order.As the laser ignition power density is the same,the ignition delay time is influenced by the roundness, equivalent diameter and bulk density of nano-aluminum powders.The classical combustion of nano-aluminum powders includes four stages,i.e.,the startup of combustion,diffusive combustion,weak flame and extinction.The nano-aluminum powders are preheated by laser,and then heterogeneously ignited as the alumina shells rupture due to the melting of the core.At the moment of rupture,the micro-explosion might take place.After ignition,nano-aluminum powders combust diffusively in the naturally convective air flow.The fluctuation of the flame front and flame brightness shows instability of combustion.At the micro-scale,the diffusion combustion followed by the weak flame,and the flame eventually extinguishes.

nano-aluminum powders;micro-scale combustion;laser ignition;instable combustion

2015-08-20；

2015-11-17。

国家自然科学基金(51276053)；浙江省自然科学基金(LY15E060006，LY14E060002)。

周东辉(1989—)，男，硕士生，研究方向为微燃烧。

V435+.12

A

1006-2793(2016)05-0642-07

10.7673/j.issn.1006-2793.2016.05.008