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中文摘要
提高金属燃料（如铝）燃烧的能量转换效率一直是一个理想但具有挑战性的目标，这通常涉及铝（Al）在不同混合氧化环境中的氧化还原反应。例如，Al–O反应是释放有限能量的最常见途径，而Al–F反应受到了广泛关注，用于提高铝的燃烧效率。然而，Al–O/Al–F反应动力学的微观动态仍没有得到充分理解，而这是进一步提高铝燃烧效率的基础。在本研究中，首次通过反应分子动力学（RMD）模拟与燃烧实验相结合，揭示了Al–O/Al–F反应动力学对含氧/氟环境中铝纳米颗粒(n-Al)燃烧的影响。对三个反应分子动力学模拟系统进行了研究：铝核/氧气/氟化氢、铝纳米颗粒/氧气/氟化氢和铝纳米颗粒/氧气/四氟化碳，其中氧气比例为0%至100%。通过定容燃烧实验，对铝纳米颗粒在混合氧气/四氟化碳环境中的燃烧进行了研究。反应分子动力学结果显示，Al-O反应在铝纳米颗粒燃烧中表现出动力学优势，而Al-F反应则具有热力学优势。在铝纳米颗粒/氧气/氟化氢动力学模拟系统研究中，Al-O反应的能量释放速率比Al-F反应快1.1倍。通过调整氧气的适当比例，铝纳米颗粒/氧气/氟化氢和铝纳米颗粒/氧气/四氟化碳分别在10%和50%的氧气浓度下可达到最佳的能量释放效率。在燃烧实验中，90%的氧气比例可以最大化增强峰值压力、加压速率和燃烧热。重要的是，Al-O反应主要发生在表面区域，而Al-F反应主要发生在铝纳米颗粒的内部区域，这证实了Al-O反应的动力学优势和Al-F反应的热力学优势。原子级的Al-O/Al-F反应协同效应显著增强了铝纳米颗粒燃烧效率，有助于优化金属燃料的燃烧性能。
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原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.dt.2023.12.004
主要结论
本研究中，通过反应分子动力学模拟与燃烧实验相结合，探究了Al-O/Al-F反应动力学对含氧/氟环境中铝纳米颗粒燃烧的影响。
首先，对反应分子动力学模拟系统（系统包括铝核/氧气/氟化氢、铝纳米颗粒/氧气/氟化氢和铝纳米颗粒/氧气/四氟化碳）进行了深入研究，涉及形态演变趋势、势能、簇、化学键和配位数以及能量释放速率（效率）和相应的能量释放组成。其次，研究了含氧气/四氟化碳环境中铝纳米颗粒的燃烧行为，涉及峰值压力、加压速率、燃烧热和特征燃烧参数（CCPs）的变化。根据反应分子动力学模拟和燃烧实验的结果，得出以下主要结论：
（1）反应分子动力学模拟结果表明，Al-O反应在动力学上具有优势，而Al-F反应在热力学上具有优势。在铝核/氧气/氟化氢和铝纳米颗粒/氧气/氟化氢中，Al-O反应的能量释放速率分别是Al-F反应的2.4倍和1.1倍。然而，Al-O反应的能量释放效率低于Al-F反应。因此，在含氧/氟环境中，通过调整氧气的适当比例，可以获得最佳的能量释放性能。对于铝纳米颗粒/氧气/氟化氢和铝纳米颗粒/氧气/四氟化碳，分别在10%和50%的氧气浓度下，能够最有效地提升铝纳米颗粒燃烧的能量释放效率。
（2）燃烧实验中，峰值压力和加压速率在氧气浓度为90%时达到最佳值，与纯四氟化碳和氧气条件下相比，分别提高了26倍和0.12倍，以及2788和0.14倍。从特征燃烧参数的X射线衍射（XRD)图谱、扫描电子显微镜（SEM）图像和X射线光电子能谱（XPS）图中，可清晰地看到Al-O/Al-F反应的同时发生。最重要的是，Al-O反应主要发生在铝纳米颗粒表面区域，而Al-F反应主要发生在铝纳米颗粒内部区域，这证实了Al-O反应的动力学优势和Al-F反应的热力学优势。因此，反应分子动力学模拟结果与燃烧实验结果一致，表明Al-O/Al-F反应在动力学和热力学方面的优势，以及其在铝纳米颗粒燃烧中的协同效应。这些新发现有望构建一个综合反应路径，从而提升金属燃料燃烧的能量效率。
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编辑：陈微，曹文丽
审核：田丽
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《Defence Technology》是由中国兵工学会主办的科技类综合性学术期刊，目前已被SCI、EI、Scopus、中国科技核心期刊数据库、中国引文数据库核心版和瑞典开放获取指南等多家数据库收录，期刊主要发表基础理论、应用科学和工程技术领域高水平原创性学术论文，包括理论研究、数值模拟和实验研究类文章。
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