六种金属燃烧基准研究：空气中燃烧状态、动力学与辐射能量释放

《Proceedings of the Combustion Institute》：Combustion benchmark of six metals: Regimes, dynamics, and radiative energy release in air

　　

金属燃烧正成为一个前景广阔的研究领域，其应用涵盖高能燃料、清洁能源载体以及纳米颗粒氧化物合成。尽管铁和铝的燃烧已被广泛研究，但其他金属的基础研究仍然有限。本研究考察了铝、铁、钛、锰、锆和铌——这些金属因其丰度（地球及月球）、工业相关性以及相近的高能量密度而被选取。研究人员采用电动力悬浮器（electrodynamic levitator）、光电倍增管（PMs）和高速成像，对大气空气中单个微米级颗粒的燃烧过程进行分析，识别其燃烧状态、燃烧动力学及辐射能量释放特征。本研究建立了这些金属的首个比较性基准，其中包括若干此前从未开展燃烧研究的金属，从而推进了基础认知及潜在应用的发展。

该论文发表于《Proceedings of the Combustion Institute》，围绕六种代表性金属单颗粒在空气中的燃烧行为开展了系统性基准研究。研究背景在于，金属燃料兼具高体积/质量能量密度与氧化物可回收性，在航天推进和清洁能源循环中具有重要应用潜力。然而，不同金属的燃烧过程具有显著差异，尤其是在燃烧状态、燃烧寿命、传热方式、冷凝燃烧产物（CCPs）形成规律以及辐射释能能力方面，现有认知主要集中于铝和铁，对钛、锰、锆、铌等金属的单颗粒燃烧缺乏统一而可比的基础数据。这种知识缺口限制了金属燃料在高性能推进、可回收能源载体和原位资源利用等场景中的筛选与应用。因此，研究人员以能量密度相近、资源禀赋和工程价值明确的六种金属为对象，建立统一实验平台，对其燃烧状态、动力学演化和辐射能量释放进行横向比较，以形成具有基础意义的燃烧基准图谱。

研究人员选取铝（Al）、铁（Fe）、钛（Ti）、锰（Mn）、锆（Zr）和铌（Nb）六种金属，系统考察空气中单个微米级液态颗粒的点火后燃烧过程。论文首先以平衡温度T_eq与沸点T_b之比R=T_eq/T_b为理论判据，分析金属是否能够蒸发并形成气相反应区，进而区分表面燃烧状态与气相燃烧状态；随后结合高速可视化和多波段光信号测量，获得各金属颗粒的燃烧寿命、尺寸演化、发光强度变化、相对温度变化及爆发现象；最后通过图像像素辐射积分与光电倍增管（PMs）信号关联，评估不同金属将反应释放能量以辐射形式输出的倾向。研究得出三方面核心结论：其一，实验观察到的燃烧状态与热力学预测一致，Al与Mn呈气相燃烧特征，Fe、Ti、Zr、Nb总体表现为表面燃烧特征；其二，表面燃烧金属更易发生爆炸或微爆等非稳态事件，从而干扰预期燃烧时间并可能导致不完全燃烧；其三，辐射释能能力主要由燃烧状态、平衡温度和燃烧时间共同决定，气相燃烧金属因反应区发射率低而辐射效率低，而表面燃烧金属通常更有效地辐射释放能量。该研究的重要意义在于首次为六种金属建立了可直接对比的燃烧基准，为推进剂金属添加剂选择、可循环金属能源设计、冷凝燃烧产物回收以及月壤金属原位利用提供了基础依据。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：构建无接触、无强制对流条件下的电动力悬浮（electrodynamic levitation）单颗粒燃烧平台，利用50 W CO₂激光双侧点火实现均匀加热；采用三路带通滤波光电倍增管（PMs）记录700 nm、760 nm和820 nm发射信号，并通过PM1/PM2比值表征相对温度变化；采用25 000 fps高速彩色相机结合三波段滤光成像追踪颗粒形态与尺寸演化；利用CEA-NASA热化学平衡计算T_eq、氧化物相态与气相氧化物占比；基于类d²定律拟合尺寸增长/回缩常数，并通过相机像素积分与PM信号耦合估算相对辐射能量。

以下结合论文主体结构，对主要研究结果作学术性解读。

燃烧状态（Burning regimes）
论文指出，金属颗粒的燃烧状态本质上受氧化反应向颗粒提供蒸发潜热能力的控制。研究人员以R=T_eq/T_b作为判据：当R>1时，金属可显著蒸发并在液滴外建立反应区；当R<1时，氧化更倾向于在颗粒表面异相进行。结合CEA-NASA平衡计算与实验图像，Al与Mn被归类为气相燃烧。Al表现出远离液滴表面的火焰结构，近液滴可见由AlO亚氧化物导致的蓝色发光，同时液滴表面存在Al₂O₃氧化帽；Mn燃烧状态与Al相似，但未观察到明显亚氧化物发光晕，仅见氧化物云。Fe则表现为典型表面燃烧，氧化反应发生在液滴表面，几乎全部氧化物为液相，因而更利于冷凝燃烧产物收集。Ti的R约为0.93，接近状态转捩边界，虽总体归于表面燃烧，但具有不可忽略的Ti蒸气分压，并伴随明亮发光晕；Zr与Nb同样属于表面燃烧，但二者气相氧化物比例较高，提示氧化物蒸发在过程控制中具有一定作用。总体上，实验观察与理论判据吻合，说明R可作为跨金属比较燃烧状态的有效基础指标。

燃烧动力学（Combustion dynamics）
研究人员对每种金属约进行了10次单颗粒燃烧实验，并将PM1信号按初始粒径平方d₀²归一化后求平均，以比较燃烧寿命与发光过程。结果显示，在同一大类燃烧状态下，平衡温度越高，归一化燃烧时间t_c/d₀²通常越短，这与反应动力学和扩散过程随温度升高而加快一致。但论文同时强调，燃烧时间并非只由温度单独决定，燃烧状态、气态产物比例和爆发现象也会显著影响寿命。

为描述尺寸变化，研究人员统一采用类d²定律形式d²(t)/d₀²=1+K·t/d₀²，其中K>0为增长常数K_g，K<0为回缩常数K_r。这一处理虽然简化了表面反应、氧化层生长和多相蒸发的复杂性，但可作为不同金属燃烧动力学横向比较的指标。

Al：研究人员通过高速成像观察到，点火后Al液滴周围形成Al₂O₃云，随后液滴持续蒸发，发射表面积减小。燃烧中后期氧化帽增大，蒸发变得不对称，颗粒出现旋转与喷射，最终可能因氧化帽生长和偏离观测区域而熄灭。尺寸演化表明其以回缩为主，K_r约为266 μm²/ms，符合强蒸发主导的气相燃烧特征。

Fe：Fe颗粒点火后，研究人员观察到液滴发射率升高，归因于FeO液态氧化层生成。随着表面持续氧化，液滴温度升高且粒径增长；当光强达到峰值时，纯Fe被认为基本消耗完毕，后续FeO进一步向Fe₃O₄转化，放热减弱，发光下降。后期还可能形成Fe₂O₃。实验中可见微爆（micro-explosions）和喷射。由于氧化物主要在表面生成且几乎不进入气相，Fe液滴总体增长，K_g约为60 μm²/ms。

Ti：Ti在点火初期出现近液滴明亮发光晕，提示存在含TiO、TiO₂、Ti₂O₃、Ti₃O₅的小尺度火焰或近表面气相发射。随后该发光晕缩小并消失，燃烧状态转变为完全表面燃烧，同时PM1/PM2信号持续下降，提示液滴表面形成具有不同发射率的氧化物或氧氮化物。之后液滴发生爆炸，燃烧终止。尺寸变化显示Ti整体回缩，K_r约为64.5 μm²/ms，表明在接近R=1的条件下，部分金属蒸发和部分氧化物蒸发均不可忽视。

Zr：Zr点火后发光强度逐渐上升，但粒径变化不显著，研究人员将其与氧在液滴中的溶解及表面ZrO₂生成联系起来。达到最高温度后，尽管发光仍增加，温度却下降，支持高发射率表面氧化层形成的解释。中后期发光下降并伴随温度平台，提示可能发生相变，随后颗粒爆炸。尽管属于表面燃烧，Zr液滴仍表现为尺寸回缩，K_r约为36.6 μm²/ms。论文据此认为，相比表面液态ZrO₂生长，氧化物部分蒸发对尺寸演化影响更大。

Nb：Nb与Zr相似，点火后发光增强而尺寸几乎不变，最大温度在早期达到。之后发光平台与PM1/PM2下降共同支持液态Nb₂O₅表层形成。随后发光和温度共同下降并进入平台，显示可能发生相变，之后颗粒爆炸。与Fe相似，Nb整体呈增长趋势，但增长较弱，K_g约为9.9 μm²/ms。论文认为，Nb的R最低，金属蒸气分压很低，促使更多氧化反应在表面进行，但其较高的气相氧化物比例又抑制了进一步显著长大。

Mn：Mn与Al一样，由于存在多个发光体，PM1/PM2温度指标不适用。点火后，远离液滴表面的明亮氧化云迅速建立，之后强度趋于稳定。在这段稳定燃烧期间，Mn颗粒被持续消耗且尺寸减小，但总体光强近似恒定，研究人员将其归因于某种高发射率表面物种覆盖，文中举例为可能的Mn₃O₄。Mn颗粒后期移出视野，最终发光变化无法进一步解释。有限尺寸追踪仍给出回缩常数K_r约163 μm²/ms，支持其气相燃烧与蒸发控制特征。

辐射能量与综合讨论（Radiated energy and general discussion）
论文基于普朗克定律（Planck’s law），以相机R通道630 nm像素强度时间积分表征相对辐射能量，并通过大视场PM信号修正Al、Mn等动态燃烧金属可能超出相机视野带来的偏差。研究人员将相对辐射能量与颗粒初始可用能量E_avail之比，再以Nb为基准归一化，得到表征辐射倾向的R_rad。

结果表明，Al和Mn具有最低R_rad。二者在气相燃烧中，反应区远离液滴，能量主要分配给气体与低发射率氧化物纳米颗粒；同时液滴蒸发使发射表面积急剧减小，因此辐射效率低。相对地，表面燃烧金属中Nb的R_rad最高，这是因为其反应热主要在颗粒表面释放，金属/氧化物体相具有较高发射率，且燃烧时间较长，从而更利于辐射输出。Ti与Zr同属表面燃烧，R_rad相近，原因在于其T_eq和燃烧时间接近；Fe虽也为表面燃烧且燃烧时间最长，但由于T_eq明显较低，辐射能力反而弱于Ti、Zr和Nb。综合比较表明，尺寸增长或回缩行为并非决定辐射倾向的首要因素，温度和燃烧时间的作用更为关键。论文据此提出：燃烧状态决定辐射传热能否有效发生；气相燃烧中，因反应区发射率低，辐射贡献可忽略；表面燃烧中，若平衡温度高且燃烧持续时间长，则辐射能量释放可占据重要地位。爆炸事件则会缩短燃烧持续时间，并降低向周围环境的总能量传递。

讨论与结论总结
论文讨论部分强调，这项工作提供了一个横跨六种金属的统一比较框架，使燃烧状态、动力学和辐射释能能够在同一实验条件下被定量对照。其主要科学贡献在于：一是验证了基于R=T_eq/T_b的状态判据在不同金属中的适用性；二是揭示了表面燃烧金属中爆炸事件的普遍性及其对燃烧寿命和完全氧化程度的扰动；三是明确了辐射释能能力受燃烧状态、平衡温度与燃烧时间共同控制，而并非简单由粒径增长或回缩决定。对于应用而言，Al和Mn因燃烧快、能量密度高、以气相方式释放能量，适合作为高能推进添加剂；Fe和Nb因更易形成较大冷凝燃烧产物，在可回收金属能源循环中具有吸引力；Ti、Zr则处于具有代表性的中间区域，反映出表面燃烧与部分蒸发并存的复杂机制。

研究结论部分可译为：本研究系统识别并表征了六种金属在空气中的燃烧状态，证实实验结果与理论预测一致。通过高速成像，研究人员揭示了各金属燃烧过程的动力学特征，并发现一个关键现象：以表面状态燃烧的金属在燃烧过程中常发生爆炸事件，这会扰乱预期燃烧时间并可能导致不完全燃烧。此外，基于可视化分析，研究人员对辐射能量释放进行了定量评估。以气相状态燃烧的金属（Al、Mn）由于反应区发射率极低而表现出较低的辐射效率，而以表面状态燃烧的金属（Fe、Nb、Ti、Zr）则能够更有效地以辐射形式释放能量。研究还进一步证实，较高的平衡温度与较长的燃烧时间对应于更高的辐射能量输出。上述发现汇总于表1，为所选金属的燃烧行为提供了全面的基准。本研究不仅推进了基础理解，也为能源系统与材料设计中的实际应用提供了依据。