Study on the mechanism of explosion flame propagation of aluminum powder coated with stearic acid
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摘要: 为了探究包覆铝粉爆炸火焰的发展演化规律与传播机理，采用溶剂蒸发法制备了壳-核结构硬脂酸包覆铝粉（SA@Al），利用改进的哈特曼管进行实验，研究了粉尘云浓度对5%、10%与15%包覆浓度SA@Al粉尘爆炸火焰传播特性的影响；同时采用CHEMKIN模拟分析其气相爆炸反应动力学特征，从而揭示SA@Al爆炸火焰传播机理。结果表明，随着粉尘云浓度的增大，5%、10%和15%包覆浓度SA@Al粉尘爆炸火焰的饱满度和连续性均先增强后减弱，平均火焰传播速度均呈先增大后减小的趋势，当粉尘云浓度为500 g/m3时火焰传播速度均达到最大。相比而言，纯铝粉爆炸火焰传播速度在750 g/m3时达到最大，表明硬脂酸包覆层促进了铝粉爆炸火焰的传播。此外，各粉尘云浓度下，10%包覆浓度SA@Al爆炸火焰最剧烈，平均火焰传播速度最大。SA@Al爆炸火焰升温主要包括快速升温和缓慢升温2个阶段，快速升温阶段R2、R11和R10的温度敏感性较高，缓慢升温阶段R5、R11的温度敏感性较高。粉尘云浓度对缓慢升温阶段的温升速率影响显著，使得500 g/m3时SA@Al的爆炸平衡温度最高。硬脂酸包覆层的燃烧促进了铝核的氧化，使爆炸反应得以强化，但过高的粉尘云浓度会导致O自由基受限，在一定程度上削弱反应强度。Abstract: To investigate the explosion flame development and propagation mechanism of coated aluminum powder, a shell and core structure of stearic acid-coated aluminum powder (SA@Al) was prepared using the solvent evaporation method. The influence of dust cloud concentration on the explosion flame propagation characteristics of SA@Al dust with coating concentrations of 5%, 10%, and 15% was experimentally studied using an improved Hartmann tube. Flame propagation behavior was observed through high-speed photography, and the flame propagation speed was calculated. The kinetic characteristics of the gas-phase explosion reaction were analyzed using CHEMKIN-PRO software to reveal the mechanism of SA@Al dust explosion flame propagation. The results indicated that as the dust cloud concentration increased, the fullness and continuity of the explosion flames for 5%, 10%, and 15% SA@Al dust first increased and then decreased, with the average flame propagation speed showing a trend of first rising and then falling. The flame propagation speed reached its maximum at a dust cloud concentration of 500 g/m³. In contrast, the explosion flame propagation velocity of pure aluminum powder reached its maximum at 750 g/m³, suggesting that the stearic acid coating layer promotes the propagation of the aluminum powder explosion flame. Additionally, under each dust cloud concentration, the explosion flame of 10% coating concentration SA@Al was the most intense, with the highest average flame propagation speed. The temperature rise of the SA@Al explosion flame with different dust cloud concentrations mainly consisted of two stages: a rapid heating stage and a slow heating stage. The rapid heating stage exhibited higher temperature sensitivity for reactions R2, R11, and R10, while the slow heating stage exhibited higher temperature sensitivity for reactions R5 and R11. The dust cloud concentration significantly affected the rate of temperature rise in the slow heating stage, resulting in the highest explosion equilibrium temperature for SA@Al at 500 g/m³. The combustion of the stearic acid coating promoted the oxidation of the aluminum core, thereby strengthening the explosion reaction. However, high dust cloud concentration led to limitations in O radicals, which weakened the reaction intensity to some extent.
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为了防止超细铝粉氧化，保持铝粉活性，学者们研发了一系列包覆技术以改良超细铝粉的综合性能，诸如镍、金属氧化物、有机酸、聚合物、含氟高聚物以及碳氢化合物[1-7]等皆可作为表面包覆材料。目前，包覆型铝粉因其卓越的抗氧化性、耐水化性和良好的流变性[1-2]，被广泛应用于含能材料、耐火材料和颜料涂料等领域[3-4]。然而，铝粉具有爆炸危险性[5-6]，研究表明，大部分表面包覆材料在一定程度上可以提升铝粉的点火及燃烧性能，加强铝粉的爆炸强度。例如：Bocanegra等[7]发现，微米Al颗粒经Ni包覆后，由于液态Al核与Ni固体壳之间的高能金属间反应，粒子点火时间大大减少。Jiang等[8]研究了Al-Ni机械合金的爆炸强度和点火敏感度，结果表明，随着镍含量的增加，镍铝化物的合成热先增大后减小，铝粉的爆炸强度也随之先增大后减小。粉末对静电点火的敏感性将随着镍含量的增加而增加。Lyu等[9]研究了n-Al/CuO铝热剂对煤油燃料点火和燃烧性能的影响，结果表明，CuO的加入促进了n-Al颗粒的放热过程，从而促进了n-Al基煤油液滴的着火和燃烧，其中n-Al/CuO（5%）/煤油在团聚体燃烧阶段表现出最高的发射光谱强度，燃烧产物粒度均匀，燃烧效率最高。Xiao等[10]对单宁酸（TA）和Fe(Ⅲ)离子包覆铝粉（Al@TA-Fe）的着火温度进行了研究，结果表明，Al@TA-Fe中的TA-Fe界面层能有效促进铝粉着火，抑制燃烧过程中铝液的团聚，使其具有更高的燃烧速度。Xu等[11]研究了Al/聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）复合材料中PTFE含量对铝基材料爆炸特性的影响，结果表明，随着F含量的增加，火焰传播速度先降低后增加，PTFE添加剂可以加速氧化过程，释放更多的热量，避免或减少了因生产冷凝相而造成的两相损失。
硬脂酸（stearic acid，SA）是一种成本低廉的长链饱和脂肪酸，常用作铝粉的表面包覆剂，其良好的疏水性能能够有效防止电解液和水分渗透至铝表面，从而抑制铝的腐蚀反应，提高铝粉的适应性、耐水性和稳定性[12]。此外，硬脂酸易受热分解氧化，其燃烧焓变较高，可提高铝单位质量释放的燃烧焓，有利于提高铝在固体推进剂中的转化率和热释放率[13]。这一特点也说明硬脂酸包覆铝粉在生产、处理和加工过程中具有潜在的爆炸危险性。Li等[14]研究了硬脂酸包覆铝粉尘的爆炸特性，结果表明，硬脂酸包覆铝粉的最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率均大于铝粉，硬脂酸显著增强了铝粉的爆炸危险性和破坏性。研究硬脂酸包覆铝粉的火焰传播特性及机理，有助于了解其爆炸发生的本质规律，对于从根源上防控硬脂酸包覆铝粉爆炸事故具有重要的理论意义。因此，本文中，以硬脂酸为表面包覆剂，采用溶剂蒸发法制备了壳-核结构的硬脂酸包覆铝粉（SA@Al），并利用改进的哈特曼管实验装置进行实验，研究在半开敞空间内不同粉尘云浓度的SA@Al粉尘爆炸时的火焰传播特性，分析SA@Al粉尘爆炸的火焰传播规律并探讨其爆炸火焰传播机理，以期为预防包覆型铝粉的爆炸和制定有效防护措施提供依据。
1. 实 验
1.1 实验材料的制备与表征
1.1.1 实验材料的制备
实验采用的高纯铝粉样品平均粒径为30 μm，由湖南省宁乡市吉伟鑫金属粉末有限公司提供；硬脂酸样品由上海TCI化成工业发展有限公司提供，并对硬脂酸样品进行破碎过筛（200目标准筛）处理。实验开始前，将2种材料全部放置在真空干燥箱中，于40 ℃下干燥12 h，以减少水分的影响。
实验用硬脂酸包覆铝粉的制备方法如图1所示。具体制备方法为：首先，称取一定质量的硬脂酸与铝粉，将硬脂酸置于无水乙醇中，待硬脂酸完全溶解后，将铝粉分散到硬脂酸溶液中[15-16]，在65 ℃下搅拌2 h，直至充分混合，用无水乙醇清洗3遍；然后，在溶剂蒸发即将干燥的阶段，将样品放入10 ℃的冷水中急冷，以防止液态硬脂酸从铝粉表面流失，保证硬脂酸完全固化在铝粉表面；最后，将样品放入真空干燥箱中常温烘干，即可得到硬脂酸包覆铝粉（SA@Al）样品。定义硬脂酸的理论包覆浓度CSA为硬脂酸的质量mSA与铝粉尘质量mAl的比值，即CSA=mSA/mAl。制备不同硬脂酸包覆浓度的SA@Al样品，分别记为5% SA@Al、10% SA@Al和15% SA@Al。
1.1.2 实验材料的表征分析
为了验证硬脂酸成功包覆于Al粉表面，采用型号为FEI Nova NanoSEM 450的扫描电子显微镜（scanning electron microscope，SEM）和X射线衍射仪（D8 Advance），对Al和10% SA@Al粉尘样品的微观形貌及物质成分进行了测试，结果如图2和3所示。从图2可以看出：Al颗粒的形状近似球形，表面光滑，具有良好的分散性；10% SA@Al颗粒表面不平整，有明显的包覆痕迹。
图 2 铝粉和10% SA@Al的扫描电子显微镜图像Figure 2. Scanning electron microscope images of Al and 10% SA@Al dust图3给出了SA、Al和10% SA@Al粉体的X射线衍射图谱。从图3可以看出，SA在11.25°、16.12°、22.23°、24.74 °的特征衍射峰在10% SA@Al谱图中有微弱呈现。与铝晶体的PDF标准卡片（JCPDS: 89-
4037 ）比较，10% SA@Al在2θ 为38.47°、44.72°、65.09°、78.20°及 82.43°的衍射峰与标准Al的衍射峰一致，且该图谱中5条衍射峰的角度对应的衍射晶面分别为(111)、(200)、(220)、(311)和(222)，说明铝粉的晶体结构并未发生改变，硬脂酸以包覆的形式黏附于铝粉表面。此外，采用激光粒度分析仪（型号为Malvern Mastersizer 3000）对Al和10% SA@Al的粒度分布进行表征，结果如图4所示。可以看出，Al粉的粒径分布范围为13.32～49.70 μm，其中表面积平均径D[3,2]为25.27 μm，体积平均径D[4,3]为30.04 μm，中位粒径D[50]为28.44 μm。10% SA@Al粒子的直径分布为16.73～50.0 μm，其中D[3,2]为26.59 μm，D[4,3]为31.98 μm，D[50]为28.97 μm。10% SA@Al的粒径与Al相比整体均有所增大，这也从侧面验证了硬脂酸成功包覆于铝粉表面。
图 4 纯铝粉及10% SA@Al粉尘的粒度分布Figure 4. Particle size distribution of Al and 10% SA@Al dust1.2 实验仪器
采用改进的哈特曼管实验装置测定实验样品的火焰传播特性[17]，装置如图5所示。该装置主要由哈特曼燃烧管、扬尘点火系统及高速摄影系统等组成。改进的哈特曼燃烧管作为爆炸发生室，是一个半封闭透明的圆柱形石英玻璃管道，其上端开口，体积为2.4 L。扬尘系统包括高压气罐、进气阀、储气罐、电磁阀及蘑菇状喷头。点火系统包括高压储能器、电火花能量发生器和安装在蘑菇状喷头上部50 mm处的点火电极。高速摄影系统使用Phantom系列v641高速摄像机，使用Phantom Camera Control软件实现对实时图像区间的处理。实验设定粉尘扩散压力和点火延迟时间分别为0.3 MPa和30 ms，点火能量为20 J。
2. 结果与分析
2.1 硬脂酸包覆铝粉的爆炸火焰传播规律研究
以5% SA@Al、10% SA@Al和15% SA@Al粉尘及纯铝粉为研究对象，开展爆炸火焰传播实验，研究粉尘云浓度对SA@Al粉尘爆炸火焰传播特性的影响，结果如图6～9所示。理论粉尘云浓度由c=m/V计算，其中，c为粉尘云浓度（g/m3），m为粉尘质量（g），V为半开放燃烧管的体积（m3）。
图 6 不同粉尘云浓度的Al粉尘云爆炸火焰传播行为Figure 6. Flame propagations of Al dust clouds with various dust cloud concentrations
图 7 不同粉尘云浓度的5% SA@Al粉尘云爆炸火焰传播行为Figure 7. Flame propagations of 5% SA@Al dust clouds with various dust cloud concentrations
图 8 不同粉尘云浓度的10% SA@Al粉尘云爆炸火焰传播行为Figure 8. Flame propagations of 10% SA@Al dust clouds with various dust cloud concentrations
图 9 不同粉尘云浓度的15% SA@Al粉尘云爆炸火焰传播行为Figure 9. Flame propagations of 15% SA@Al dust clouds with various dust cloud concentrations从图6可以看出：Al粉尘云燃烧反应剧烈，爆炸火焰发出刺眼的黄白亮光，火焰前锋扩散特征显著。随着粉尘云浓度的增大，爆炸火焰传播连续性及火焰饱满度不断增加，火焰前锋传播至燃烧管道顶端的时间呈先减小后增大的趋势。当粉尘云浓度为250 g/m3时，粉尘云浓度较低，热量传递效率较弱，反应过程中燃料的持续消耗使得火焰在171 ms时燃烧强度骤然降低，火焰下方连续性减弱，亮度及饱满度急剧下降，火焰于190 ms时停止继续向上扩散传播，逐渐消逝。当粉尘云浓度为750 g/m3时，Al粉尘云火焰整体发光强度较高，连续性与饱满度较好，火焰传播时间最短，燃烧强度最大。当粉尘云浓度为1 000 g/m3时，粉尘颗粒过量，形成贫氧燃烧，未燃区内的粒子数增加，铝微粒燃烧不够充分，此时火焰虽然仍较饱满，但亮度略有降低。
从图7可以看出：对于5% SA@Al粉尘，当粉尘云浓度为250 g/m3时，由于粉尘云浓度较低，火焰强度低，火焰前锋未能传播至燃烧管顶端。当粉尘云浓度增大到500 g/m3时，参与反应的粒子数增多，粒子间距离缩短，铝粉表面的硬脂酸热解产生的高浓度挥发分相互融合，在铝粒子周围形成较连续的橙色预混气相火焰，可促进铝核的氧化燃烧进程，火焰内部颜色分布较均匀，火焰亮度及饱满度显著提升，火焰前锋于100 ms时传播至燃烧管顶端。当粉尘云浓度继续增大到750和1 000 g/m3时，火焰传播不规则性增大，火焰亮度及传播连续性均有所减弱，火焰传播后期均出现了明显断层，火焰内部出现大量向上聚集的明暗相间的火焰纹理，火焰前锋离散特征显著，这可能是由于当粉尘云浓度继续增大时，单位体积内粉尘颗粒数量激增，单个SA@Al粒子可利用的氧气相对较少，同时高浓度下，硬脂酸包覆层燃烧需要消耗更多的氧气，导致铝核燃烧不充分。750和1 000 g/m3的5% SA@Al粉尘云火焰分别于110和131 ms时传播至燃烧管顶端，传播时间显著延长。
从图8可以看出：不同粉尘云浓度下的10% SA@Al爆炸火焰均能较连续地传播至燃烧管口，火焰整体亮度及传播时间随粉尘云浓度的增大呈现先增大后减小的趋势。当粉尘云浓度为250 g/m3时，参与燃烧的粒子数密度较小，火焰连续性与饱满的较低，亮度较暗。当粉尘云浓度为500 g/m3时，爆炸火焰整体亮度最大，火焰传播到燃烧管顶端的时间最短。当粉尘云浓度增大至750和1 000 g/m3时，火焰前期发展较缓慢，亮度较低，火焰颜色类似硬脂酸爆炸火焰，火焰发展到中后期，燃烧强度增大，管道上半部分火焰局部亮度明显。此外，与图7和9相比，10% SA@Al粉尘云爆炸火焰的发光强度和火焰形态的饱满度均大于其他包覆浓度的SA@Al粉尘云爆炸火焰，表明此包覆浓度下硬脂酸包覆层良好地发挥了铝的爆炸活性，对铝爆炸反应的促进作用最强。
图9给出了不同粉尘云浓度下15% SA@Al粉尘云火焰的传播过程，与5% SA@Al和10% SA@Al粉尘云火焰相比较，各粉尘云浓度下的15% SA@Al粉尘燃烧强度均大幅降低。这是因为在高包覆浓度之下，包覆层热解产生的短链烷烃类气相组分增加，形成的预混可燃气体主导了粉尘云的燃烧过程，使得火焰亮度大幅减弱；且粉尘云浓度越大，粉尘颗粒和包覆层热解吸收的燃烧热增加，粉尘云燃烧不充分，对爆炸燃烧火焰的发展具有一定抑制作用。粉尘云浓度低于500 g/m3时，随着粉尘云浓度逐渐增大，爆炸火焰亮度略有提升，火焰饱满度及连续性有所增强；当粉尘云浓度继续增大到750和1 000 g/m3时，火焰亮度显著降低，火焰传播连续性及火焰饱满度均大幅减弱。相比之下，当粉尘云浓度为500 g/m3时，爆炸火焰能够自持传播至燃烧管顶端，且火焰连续性较强。
除此之外，从图6～9可以发现，铝粉表面包覆不同浓度的硬脂酸后，SA@Al的火焰亮度及饱满度均有所下降，火焰前锋扩散程度逐渐减小，这可能是由于包覆浓度的增大使得硬脂酸的热解燃烧对铝爆炸的干预作用逐渐加强，由铝粉尘燃烧所驱动的扩散火焰逐渐转变为硬脂酸燃烧所驱动的预混气相火焰[18]。
图10给出了不同粉尘云浓度下的Al、5% SA@Al、10% SA@Al和15% SA@Al粉尘云爆炸火焰传播速度曲线。从图10(a)可以看出，Al火焰传播速度随粉尘云浓度增大呈现先增大后减小的变化趋势，粉尘云浓度为750 g/m3的Al粉尘火焰的传播速度明显快于其他3种浓度，且平均火焰速度最大，为5.77 m/s，火焰传播最迅速。从图10(b)和(c)可以看出，5% SA@Al和10% SA@Al火焰的传播速度亦随粉尘云浓度增大出现先增大后减小的变化趋势。不同的是，在粉尘云浓度为500 g/m3时，5% SA@Al和10% SA@Al粉尘云的火焰传播最快，平均火焰速度分别为5.98和8.15 m/s，爆炸破坏性最强。可见包覆层的存在促进了Al爆炸火焰的传播，使其在更低的粉尘云浓度下达到了最佳火焰传播效果。15% SA@Al粉尘云火焰的传播速度曲线如图10(d)所示，与5% SA@Al和10% SA@Al粉尘云相比变化明显。当粉尘云浓度为250 g/m3时，粉尘云爆炸火焰传播速度极低，基本维持在1.35 m/s左右且波动不大，结合图9可以看出，这与其火焰并未充分向上扩散燃烧有关。而粉尘云浓度为750 g/m3时，火焰传播速度呈波动状态。当粉尘云浓度为1 000 g/m3时，火焰传播速度前中期较低，后期出现了一个较大的攀升，结合图9可知，这是由于其火焰稀疏暗淡不连续，导致火焰前锋位置出现跳跃。其原因可能是，在高包覆比例和高粉尘云浓度下，硬脂酸包覆层热解挥发需要更多的热量以及燃烧需要消耗大量氧气，导致铝核燃烧不充分进而减弱了火焰强度。当粉尘云浓度为500 g/m3时，火焰传播速度则随时间增加整体上保持不断增长的趋势，爆炸火焰传播最快，平均火焰速度为6.34 m/s，破坏性最强。
图 10 不同粉尘云浓度下Al、5% SA@Al、10% SA@Al和15% SA@Al粉尘云的爆炸火焰传播速度Figure 10. Explosion flame propagation velocity of Al, 5% SA@Al, 10% SA@Al, and 15% SA@Al dust clouds under different dust cloud concentrations综合来看，在粉尘云浓度为250 g/m3时，不同包覆浓度的SA@Al粉尘云火焰传播速度随时间的延长均呈现先增大后减小的趋势，此时，由于粉尘云浓度较低，始终处于贫燃料燃烧，爆炸强度较低，火焰传播速度整体基本保持在较低水平。当粉尘云浓度增大到500 g/m3时，参与爆炸反应的粒子数密度增大，SA@Al火焰的传播速度均随传播时间增加而增大，相比之下，10% SA@Al爆炸火焰传播速度增幅最大。当粉尘云浓度增加到750和1 000 g/m3时，Al、5% SA@Al和10% SA@Al粉尘云火焰的传播速度变化趋势与粉尘云浓度为500 g/m3时类似，呈不断攀升状态，直至火焰传播到燃烧管口仍未出现下降趋势，15% SA@Al粉尘云火焰传播速度则均呈现一定的波动，并在后期有较大的攀升，且由于包覆比例较大，包覆层热解挥发需要更多的能量，导致前期火焰速度较低。
2.2 SA@Al粉尘爆炸动力学研究
为了进一步研究SA@Al的爆炸反应动力学机理，通过CHEMKIN-PRO软件中的零维闭式均相反应器（close homogeneous batch reactor），在2 500 K的初温下建立了10% SA@Al的爆炸反应动力学模型[19]，并对爆炸反应过程中主要物质与自由基摩尔分数的变化规律、温度上升演化趋势及温度敏感度特征进行了系统分析。
图11给出了粉尘云浓度为500 g/m3时Al和10% SA@Al在爆炸过程中主要物质的摩尔分数的变化。相较于Al而言，SA@Al在10-16 s时开始反应，此时体系中C2H3和C2H4等小分子开始生成，同时H自由基逐渐增加，可见此时有机气体开始燃烧，系统内热导效率增强，引起部分Al发生氢化和氧化反应，其含量出现轻微下降。10−10 s时铝开始发生氧化反应，10−9 s时Al和O2的含量开始快速下降，AlO和O含量逐渐增加，点火发生后，反应更加剧烈，部分AlO转化Al2O和Al2O2，随着反应的进行，燃料基本耗尽，AlO、Al2O和Al2O2等中间产物最终均转化为Al2O3(l)，与此同时，SA@Al中残余的有机分子在高温下迅速分解并发生复杂氧化还原反应，最终生成H2、H2O和CO2气体。
图 11 Al和10% SA@Al粉尘爆炸火焰中主要物种的摩尔分数分布Figure 11. Mole fraction distribution of major components in the explosion flame of Al and 10% SA@Al dust图12给出了不同粉尘云浓度下Al和10% SA@Al在爆炸过程中的温度变化过程，图13呈现了10% SA@Al爆炸过程中的温度敏感度变化。从图12可以看出，Al和10% SA@Al在不同粉尘云浓度下的爆炸过程中，温度随时间变化均可分为3个阶段：第1阶段为初步反应阶段，第2阶段为快速升温阶段，第3阶段为缓慢升温阶段。值得注意的是，由于硬脂酸包覆层的存在，10% SA@Al的第1阶段存在明显的温度降低，并且爆炸反应过程中的自由基种类更丰富。对于Al的爆炸反应过程已有较详细和深入的研究，本文中重点针对SA@Al的各阶段温度变化进行分析。第1阶段，SA@Al出现了明显的降温现象，且粉尘云浓度越大，温度降幅越大。结合图13可知，降温是由于SA@Al中有机小分子的分解反应R22（C4H9
<=> C2H4+C2H5）吸热所致。进入第2阶段后，铝核发生爆炸反应，反应空间内温度急剧升高，且在爆炸初始阶段，高浓度的SA@Al爆炸温度逐渐反超低浓度下SA@Al的爆炸温度，由图13可知，是由于R2（Al+O2<=> AlO+O）、R11（Al2O<=> AlO+Al）和R10（AlO2<=> AlO+O）在此时间段内的温度敏感性系数迅速提升，且其开始反应时间随粉尘云浓度增大而不断提前所致，可见此时粉尘云浓度越高，SA@Al中硬脂酸燃烧所起的预热作用越强，可以极大程度地促进铝的初步氧化燃烧。在快速升温阶段，粉尘云浓度越大，温度上升越快，反应温度越高，当粉尘云浓度超过750 g/m3时，继续增大粉尘云浓度，由于氧含量的限制，温度上升速率基本不变。
图 12 Al和10% SA@Al粉尘爆炸温度变化曲线Figure 12. Variation curves of explosion temperature for Al and 10% SA@Al dust
图 13 不同粉尘云浓度的10% SA@Al粉尘爆炸过程中的温度敏感度变化Figure 13. Variation of temperature sensitivity during explosion of 10% SA@Al dust at different dust cloud concentrations随着爆炸的进行，约10−7 s时进入第3阶段，在缓慢升温阶段，对温度上升贡献最大的化学反应为R5（Al2O3
<=> Al2O2+O），对温度下降起主要作用的是R11（Al2O<=> AlO+Al）。在此阶段，粉尘云浓度为250和500 g/m3的SA@Al的温度上升速率均有所下降，且粉尘云浓度为500 g/m3的SA@Al的升温速率减小更明显，由图13可知，这是由于R5的反应强度减弱所致，但最终平衡温度较粉尘云浓度为250 g/m3的SA@Al更大，归因于快速升温阶段，粉尘云浓度为500 g/m3的SA@Al达到的反应温度更高。粉尘云浓度为750 g/m3的SA@Al的温度变化趋势与500 g/m3的SA@Al相近，但由于粉尘云浓度增大使得O自由基相对不足，以及未燃反应物的吸热，粉尘云浓度为750 g/m3的SA@Al在缓慢升温阶段R5的敏感度更小，反应温度渐渐低于粉尘云浓度为500 g/m3的SA@Al。粉尘云浓度为1 000 g/m3的SA@Al升温趋势在这一阶段减缓最明显，过高的粉尘云浓度下氧气更显匮乏，O自由基严重不足，燃烧更不充分，粉尘云浓度为750、500和250 g/m3的SA@Al爆炸温度分别于1×10−7、2.2×10−7和2.3×10−6 s时超过粉尘云浓度为1 000 g/m3的SA@Al。随着燃料和氧气逐渐消耗，爆炸反应逐渐达到平衡，不同浓度的SA@Al爆炸温度均逐渐趋向平稳，粉尘云浓度为250、500、750和1 000 g/m3的10% SA@Al的平衡温度分别为4 297、4 427、4 380和4 256 K，可见当粉尘云浓度为500 g/m3时，SA@Al爆炸平衡温度最高。由于快速升温阶段的主要反应R2、R11、R10和缓慢升温阶段的主要反应R5、R11均与O自由基密切相关，为进一步分析爆炸升温过程中的基元反应动力学特征，给出了不同粉尘云浓度下10% SA@Al爆炸过程中的O自由基含量变化和敏感度分析，如图14和15所示。从图14可以看出，一方面，粉尘云浓度越高，O自由基在10−9～10−8 s内的产生速度越快，但当粉尘云浓度高于500 g/m3时，由于O2含量的限制，O自由基浓度的增长速率相差无几；另一方面，随着粉尘云浓度的增大，O自由基开始缓慢增长的时间节点在不断提前，这是因为氧气含量受限以及浓度的增大加快了反应进程。从图15可以看出，O自由基主要来自于R2（Al+O2
<=> AlO+O），粉尘云浓度逐步增大，氧气主要被R2所消耗，R4（AlO+O2<=> AlO2+O）的敏感度系数在不断减小，当粉尘云浓度为1 000 g/m3时，R4对O自由基含量变化的贡献度已低于R11（Al2O<=> AlO+Al）而未在图中显示出来。此外，结合图12、14和15可以发现，R5的敏感度系数随粉尘云浓度的增加逐渐减小，因此，在缓慢升温阶段，SA@Al粉尘云浓度越高，O自由基浓度变化越小，升温速率增幅越小。
图 14 不同粉尘云浓度的10% SA@Al粉尘爆炸过程中的O自由基含量变化Figure 14. Variation of O radical content during the explosion of different dust cloud concentrations of 10% SA@Al dust
图 15 不同粉尘云浓度下10% SA@Al粉尘爆炸过程中的O自由基敏感度分析Figure 15. O radical sensitivity analysis during explosion of 10% SA@Al dust under different dust cloud concentrations2.3 SA@Al粉尘爆炸火焰传播机理
综合考虑SA@Al粒子中硬脂酸包覆层和铝核从热解到燃烧的全过程，结合Al粉尘云和SA@Al粉尘云爆炸火焰传播特性及爆炸反应动力学分析，建立了描述SA@Al粉尘云火焰传播机理的物理模型，如图16所示。该模型将SA@Al粉尘云火焰阵面传播结构分为4个区域进行阐述。在预热区，铝颗粒表面的硬脂酸涂层开始被加热，逐渐熔化，随着燃烧区的接近，熔化的硬脂酸层首先受热分解为小分子可燃气体，产生C2H4、C2H5和C3H3等有机小分子，这些可燃气体迅速与空气混合形成可燃预混气，粉尘云浓度越大，包覆层吸热越强，初始降温越明显。与此同时，由于硬脂酸的剥离导致铝表面暴露在空气中，且由于预混气体和铝颗粒之间发生热量和质量传递，促使铝核在较早时间内迅速发生初始氧化反应，爆炸体系中的铝和O2含量有所下降。在燃烧区，可燃预混气发生氧化燃烧反应，在铝颗粒周围形成预混气相火焰，火焰的热传递和热辐射作用促使铝表面温度迅速升高，加快了铝核熔化和氧化膜的破裂进程[20]。当温度达到Al2O3熔点时，氧化膜开始发生晶型转变[21]，熔化的铝核心向外扩散，当温度达到铝沸点时，铝粒子开始蒸发并进行气相燃烧，在预混气相火焰内部形成大量发光点。因此，SA@Al粒子的传播火焰类似于可燃预混气相火焰耦合铝粒子的扩散燃烧火焰。粉尘云浓度低于500 g/m3时，反应空间内氧气相对充足，包覆层挥发分形成的预混气相火焰与铝核燃烧之间相互促进效果明显，火焰强度与传播速度随粉尘云浓度增加而增大。当粉尘云浓度高于500 g/m3，单位空间内粒子数增多，氧气相对不足，能够产生的O自由基有限，随着粉尘云浓度增大，SA形成的预混气相火焰会消耗较多的O自由基，阻碍铝核燃烧的进一步扩大，以致于在较高的粉尘云浓度下，火焰传播速度减小，爆炸平衡温度更低。
图 16 SA@Al粉尘云火焰传播机理物理模型Figure 16. Physical model of flame propagation of SA@Al dust cloud3. 结 论
采用溶剂蒸发法制备了壳-核结构的硬脂酸包覆铝粉，探究了包覆铝粉尘的爆炸火焰的发展演化过程及爆炸燃烧机理，并对SA@Al粉尘云爆炸火焰传播特性及爆炸反应动力学开展了一系列研究，得到以下主要结论。
(1) 探究了粉尘云浓度对SA@Al粉尘爆炸火焰传播的影响，当粉尘云浓度为500 g/m3时，SA@Al粉尘云火焰传播最快，爆炸破坏性最强，硬脂酸包覆层的存在促进了Al爆炸火焰的传播，使其在更低的粉尘云浓度下达到了最佳火焰传播效果。
(2) 在研究范围内，10% SA@Al爆炸火焰的平均速度最大，爆炸火焰传播效果最佳，对其进行爆炸反应动力学分析，发现粉尘云浓度为500 g/m3时，爆炸平衡温度最高。
(3) SA@Al火焰传播机制类似于预混气相燃烧耦合铝粒子的扩散燃烧。硬脂酸包覆层的燃烧加快了铝核的熔化及爆炸反应进程，使燃烧反应得以强化，但粉尘云浓度过高又会对反应产生削弱作用，在此基础上提出了粉尘云浓度影响下的SA@Al爆炸火焰传播物理模型。
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图 2 铝粉和10% SA@Al的扫描电子显微镜图像
Figure 2. Scanning electron microscope images of Al and 10% SA@Al dust
图 4 纯铝粉及10% SA@Al粉尘的粒度分布
Figure 4. Particle size distribution of Al and 10% SA@Al dust
图 6 不同粉尘云浓度的Al粉尘云爆炸火焰传播行为
Figure 6. Flame propagations of Al dust clouds with various dust cloud concentrations
图 7 不同粉尘云浓度的5% SA@Al粉尘云爆炸火焰传播行为
Figure 7. Flame propagations of 5% SA@Al dust clouds with various dust cloud concentrations
图 8 不同粉尘云浓度的10% SA@Al粉尘云爆炸火焰传播行为
Figure 8. Flame propagations of 10% SA@Al dust clouds with various dust cloud concentrations
图 9 不同粉尘云浓度的15% SA@Al粉尘云爆炸火焰传播行为
Figure 9. Flame propagations of 15% SA@Al dust clouds with various dust cloud concentrations
图 10 不同粉尘云浓度下Al、5% SA@Al、10% SA@Al和15% SA@Al粉尘云的爆炸火焰传播速度
Figure 10. Explosion flame propagation velocity of Al, 5% SA@Al, 10% SA@Al, and 15% SA@Al dust clouds under different dust cloud concentrations
图 11 Al和10% SA@Al粉尘爆炸火焰中主要物种的摩尔分数分布
Figure 11. Mole fraction distribution of major components in the explosion flame of Al and 10% SA@Al dust
图 12 Al和10% SA@Al粉尘爆炸温度变化曲线
Figure 12. Variation curves of explosion temperature for Al and 10% SA@Al dust
图 13 不同粉尘云浓度的10% SA@Al粉尘爆炸过程中的温度敏感度变化
Figure 13. Variation of temperature sensitivity during explosion of 10% SA@Al dust at different dust cloud concentrations
图 14 不同粉尘云浓度的10% SA@Al粉尘爆炸过程中的O自由基含量变化
Figure 14. Variation of O radical content during the explosion of different dust cloud concentrations of 10% SA@Al dust
图 15 不同粉尘云浓度下10% SA@Al粉尘爆炸过程中的O自由基敏感度分析
Figure 15. O radical sensitivity analysis during explosion of 10% SA@Al dust under different dust cloud concentrations
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