Исследование механизма горения частиц Al и Ti

1. Общая формулировка проблемы.

Горение металлов имеет громадный прикладной аспект и представляет комплексную научную задачу, включающую различные аспекты фазовых превращений и химических реакций. Механизмы горения частиц металлов отличаются большим разнообразием вследствие различий в физико-химических характеристиках исходных веществ, прежде всего металла и его оксида. В этой области имеющаяся информация ограничена в основном формальными кинетическими данными по скоростям горения, и практически отсутствуют данные по законам образования первичных конденсированных продуктов горения – наночастиц оксидов. Знание этих законов должно позволить целенаправленно осуществлять синтез наноразмерных оксидов и оценивать экологические последствия горения металлов.

2. Формулировка конкретной задачи.

Изучение закономерностей образования оксидного аэрозоля при горении частиц алюминия и титана на воздухе. Исследование морфологии и распределения частиц нано оксидов по размерам.

3. Авторы исследования, лаборатория.
Глотов О.Г., Симоненко В.Н., Зарко В. Е., Карасев В. В. (Лаб. ГКС, зав. лаб. Зарко В.Е.) Онищук А. А., Бакланов А. М. (Лаб. НЧ, зав.лаб. Онищук А. А.), C.-J. Tsai (Taiwan), P. K. Hopke (USA).

4. Используемый подход.

Частицы металлов закладываются в матрицу модельного смесевого топлива и зажигаются в проходящей волне горения. Их реагирование происходит в пламени топлива и затем на воздухе. Образовавшиеся наночастицы оксидов отбирают из газового потока и анализируют с помощью электронного микроскопа, диффузионной батареи, оптической и рентгеновской микроскопии.

5. Полученные результаты.

В случае горения Al испаряющийся металл реагирует в газовой фазе, и образующийся мелкодисперсный оксид уносится обдувающим газовым потоком и частично осаждается на поверхности горящей частицы. Обнаружено уменьшение размера первичных наночастиц (сферул) с ростом диаметра горящей материнской частицы. На Рис. 1 представлены данные по зависимости среднего размера сферул от размера материнской частицы. Данные, соответствующие полидисперсному порошку исходного Al с эффективным размером частиц 10 мкм, укладываются на единую кривую (показано на врезке).
В случае горения Ti экзотермическая реакция окисления преимущественно происходит на поверхности частицы. Зависимость размера сферул от размера материнской частицы не обнаружена, однако зарегистрировано уменьшение диаметра сферул с 23 до 17 нм при увеличении скорости движения горящих частиц c 5 до 15 м/с (Рис. 2). Горение частиц Ti обычно сопровождается взрывом. Полученные данные используются для построения экспериментально обоснованных механизмов горения и указывают на возможности управления параметрами оксидных наночастиц, образующихся в режиме горения.

Подробно изложено в статьях:
  1. Глотов О. Г., Зарко В. Е., Симоненко В. Н., Онищук А. А., Бакланов А. М. Размер и морфология нанооксидного аэрозоля, образующегося при горении алюминиевых и титановых частиц в воздухе. Сб. докл. VII Всероссийской конфер. с международным участием. Издательство Института теплофизики СО РАН, 2009. Часть 3, с. 184-190.
  2. Глотов О. Г., Жуков В. А. Эволюция 100-микронных алюминиевых агломератов и изначально сплошных алюминиевых частиц в пламени модельного твердого топлива. Экспериментальный подход. // Физика горения и взрыва. 2008. Т. 44, № 6, С. 52–60.
  3. Глотов О. Г., Жуков В. А. Эволюция 100-микронных алюминиевых агломератов и изначально сплошных алюминиевых частиц в пламени модельного твердого топлива. Результаты // Физика горения и взрыва. 2008, Т. 44, № 6, С. 61–71.
  4. Глотов О.Г., Онищук А.А., Карасёв В.В., Зарко В.Е., Бакланов А.М. Размер и морфология нанооксидного аэрозоля, образующегося при горении частицы алюминия // Доклады Академии Наук. 2007. Т. 413, № 2. С. 206–209.
  5. Карасев В.В., Онищук A. A., Хромова С. А., Глотов O. Г., Зарко В. Е. и др. Образование наночастиц оксида металла при горении капель Ti и Al // Физика горения и взрыва. 2006. Т. 42, № 6. С. 33-47.
  6. V. V. Karasev, A. A. Onischuk, S. A. Khromova, O. G. Glotov, V. E. Zarko, E. A. Pilyugina, C.-J. Tsai, P. K. Hopke. Peculiarities of oxide nanoparticle formation during metal droplet combustion. Energetic Materials – Insensitivity, Ageing, Monitoring. 37th International Annual Conference of ICT. Karlsruhe, Germany, June 27 - June 30, 2006. P. 124(1-12).
   

Рис.1. Влияние размера горящих частиц Al на распределение сферул Al2O3.

   

Рис.2. Влияние скорости движения горящих исходных частиц Ti на распределения по размерам образующихся наночастиц TiO2 (аппроксимация логарифмически-нормальным законом). Кривая 1 соответствует движению горящих частиц со скоростью 10÷15 м/с, кривая 2 – со скоростью 2÷5 м/с. На врезке показан типичный агрегат, состоящий из сферул с размерами от 10 нм до 1 мкм. Справа – фотография взрыва частиц в полете.