《Defence Technology》：Study on the rationality of applying traditional inerting methods to nano-aluminum powder in additive manufacturing processes
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为应对增材制造（3D打印）工艺产生的纳米金属粉尘（如nAl）所特有的高燃爆风险，本研究系统评估了八种传统惰性粉体（包括NaHCO3、NH4H2PO4、MCA、CaCO3、B2O3、CaCl2、nmAl2O3和nmTiO2）对堆积态纳米铝（nano-aluminum, nAl）粉尘层点火敏感性与火焰传播特性的影响。结果发现，尽管所有惰性粉体都能降低点火敏感性，但实现完全惰化所需剂量过高；更关键的是，分解型惰性粉体会显著促进纳米铝粉尘层的气相燃烧，而nmTiO2因置换反应也具有助燃效应。研究揭示了传统惰化方法应用于此类新型工艺粉尘的局限性与潜在危险性，为制定针对性安全防控策略提供了重要实验证据与理论指导。
近年来，3D打印技术（又称增材制造）在航空航天、汽车制造等高端领域的应用突飞猛进，被誉为金属加工业的革命性创新。然而，这种光鲜背后却潜藏着一个致命的安全隐患。与传统车铣刨磨产生的微米级金属粉尘不同，3D打印过程中，高能束（如激光、电子束）汽化金属原料，产生了产率高、金属纯度极高、粒径极细（可达纳米尺度）且易于堆积的烟尘副产物。2023年9月14日上海汉邦科技有限公司的爆炸事故，以惨痛的方式证实了这些纳米金属粉尘蕴藏着远超传统行业的燃烧爆炸风险。这些粉尘主要收集在粉尘罐中，以堆积层的形式存在，构成了独特且严峻的火险情景。
面对这一新挑战，一个自然而然的应对思路是借鉴传统金属工业的成熟经验——使用惰性粉体进行抑爆。无论是矿山中沿用百年的石灰岩粉，还是工业中常用的重质碳酸钙（CaCO3），亦或是具有化学抑爆效果的碳酸氢钠（NaHCO3）、ABC干粉（主要成分为磷酸二氢铵，NH4H2PO4）等，都曾被认为是抑制铝粉爆炸的有效手段。然而，纳米金属的物理化学性质与其微米级同类存在显著差异，其燃烧特性也更为特殊。更棘手的是，粉尘云与粉尘层的火焰传播机理不同，一些对粉尘云有效的惰性粉体，反而可能加剧粉尘层的燃烧。对于像镁粉这样低熔点、高活性的金属，已有研究表明，常见的惰性粉体会引发极其剧烈的气相燃烧。那么，对于增材制造产生的、同样具有高反应活性的纳米铝粉（nano-aluminum, nAl），传统的惰化方法还管用吗？它们会是安全的“防火墙”，还是危险的“助燃剂”？为了回答这个关乎新兴行业安全生产的核心问题，由Fanyi Meng、Zhenmin Luo、Chunmiao Yuan、Kai Liu、Yingying Yu、Tao Wang、Bin Su、Gang Li和Xiaochen Hou组成的研究团队，展开了一项系统性研究，其成果发表在《Defence Technology》期刊上。
为了深入探究传统惰化方法对纳米铝粉层的适用性，研究人员主要采用了以下几项关键技术方法：首先，通过自建装置，分别采用电火花和高温热表面点火的方式，系统测定了纯nAl粉尘层及其与八种惰性粉体混合后的最小点火能量（Minimum Ignition Energy of dust layers, MIEL）和最小点火温度（Minimum Ignition Temperature of dust layers, MITL），以此评估点火敏感性。其次，为了评估实际火灾中的火焰传播危险，研究团队设计了一套粉尘层火焰传播实验装置。他们在特定尺寸的陶瓷模具中铺设5毫米厚的粉尘层，一端预留10毫米纯nAl作为引燃区，使用1000°C的氮化硅加热棒点燃，利用高清摄像机从顶部和侧面同步记录火焰传播过程，通过分析视频计算火焰传播速度（Flame Spread Velocity, FSV），以此表征燃烧波的传播强度。所有实验条件均进行三次重复以确保准确性。
3.1 惰性粉体对nAl粉尘层点火敏感性的影响
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3.1.1 电火花点火
研究人员将八种惰性粉体根据其作用机理分为三类：高分解型（NaHCO3、NH4H2PO4、MCA）、熔化型（B2O3、CaCl2）和物理吸热型（CaCO3、nmAl2O3、nmTiO2）。通过测定混合粉尘层的MIEL，他们发现所有惰性粉体都能提高nAl粉尘层的点火能量阈值，但所需剂量极高。具体而言，高分解型和熔化型惰性粉体在含量达到70%以上时，才能完全阻止电火花点火；而物理吸热型则需要80%以上的含量。这表明，仅从抑制点火的角度看，高分解型和熔化型惰性粉体的效率略优于物理吸热型。
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3.1.2 热表面点火
在热表面点火测试中，趋势与电火花点火类似。纯nAl粉尘层的MITL在450°C至500°C之间。随着惰性粉体含量的增加，MITL逐渐升高。完全防止点火所需的含量阈值同样很高：高分解型需≥80%，熔化型需≥80%，物理吸热型需≥80%–90%。由于热表面作用时间更长，达到相同抑爆效果所需的惰性粉体比例通常比电火花点火时更高。
3.2 惰性粉体对nAl粉尘层火焰传播的影响
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3.2.1 渐进惰化效应
纯nAl粉尘层以异相燃烧为主，伴有微弱的气相火焰，火焰传播速度（FSV）约为10 mm/s。研究表明，五种惰性粉体（nmAl2O3、nmTiO2、B2O3、CaCl2和CaCO3）对nAl粉尘层主要表现出惰化效应，但效率较低。例如，nmAl2O3和nmTiO2需要90%的含量才能实现完全惰化，其余三种也需要80%。值得注意的是，nmTiO2在含量≤50%时，反而会增强燃烧，其气相火焰最为剧烈，这是由于铝与二氧化钛之间的置换反应放热所致。
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3.2.2 显著的火焰增强效应
与上述五种粉体不同，三种高分解型惰性粉体（NaHCO3、NH4H2PO4、MCA）在大多数浓度下对nAl粉尘层产生了出乎意料的、显著的燃烧增强效应。混合层不仅从微弱气相燃烧转变为极其剧烈的气相火焰，而且FSV呈指数级增长。在25%–60%的浓度范围内，燃烧过程甚至出现了“飞火”现象，即喷射的燃烧粒子引燃前方的未燃粉尘，导致瞬时火焰传播速度远高于平均值。只有当这些惰性粉体含量达到80%或以上时，才能完全防止点火。
在讨论与结论部分，研究团队深入剖析了不同惰性粉体产生截然不同影响的深层机理。对于高分解型惰性粉体，其剧烈的燃烧增强效应源于其低温分解产生大量气体。nAl粉尘层燃烧时，表面会形成一层脆弱且多裂纹的氧化物硬壳，这层硬壳限制了内部金属与空气的接触。分解产生气体的压力会破坏这层硬壳，并将内部的nAl颗粒抛射到空气中，使更多的金属参与气相燃烧，从而引发剧烈火焰和“飞火”现象。对于物理吸热型惰性粉体，情况则更为复杂。nmAl2O3仅通过物理吸热作用抑制燃烧，因此是唯一未表现出任何助燃效应的惰性粉体，但效率低下。而nmTiO2由于能与铝发生放热的置换反应，在低于50%的含量下表现出明显的助燃效应，其放热效应甚至强于纯nAl燃烧。对于熔化型惰性粉体，其设想中的“液体密封”机制在nAl面前几乎失效。由于nAl的熔点较低，它在惰性粉体熔化前就可能已熔化成可燃液体，导致熔化的惰性物质难以有效包裹铝液。因此，CaCl2和B2O3的惰化效率很低，且B2O3还会因置换反应和局部沸腾导致火花喷射。
综上所述，本研究得出了明确而重要的结论：传统惰化策略对于增材制造产生的堆积态纳米铝粉尘层不仅效率低下，而且可能极度危险。虽然所有测试的惰性粉体都能在一定程度上提高nAl粉尘层的点火能量阈值，但实现完全惰化所需的剂量高得不切实际（分解/熔化型≥80%，物理吸热型≥90%）。更为关键的是，在火焰传播方面，大多数惰性粉体非但未能有效抑制，反而在宽浓度范围内显著增强了燃烧，尤其是高分解型惰性粉体会引发剧烈的气相燃烧和不可预测的“飞火”现象。只有nmAl2O3作为纯物理吸热剂未表现出助燃效应，但其惰化效率依然很低。
这项研究的意义重大而深远。它首次系统揭示了传统惰化方法在应对增材制造等新型工艺产生的纳米金属粉尘风险时的局限性、复杂性及潜在反效果。它明确警示工业界和安全监管部门，不能简单照搬传统粉尘的防控经验。选择用于此类纳米粉尘的惰性介质时，必须超越仅考虑点火抑制的旧有范式，高度重视其在火灾传播过程中引发燃烧增强的潜在风险。该研究为理解不同类型惰性粉体影响纳米金属粉尘层燃烧行为的复杂机理提供了关键的实验证据，也为制定针对下一代金属制造工艺的特异性安全措施奠定了坚实的理论基础，对保障新兴战略产业的安全生产具有紧迫的指导价值。
