镁（Mg）作为重要的含能材料，因为点火温度低、燃烧时间短、燃烧效率高等优势,在火炸药及航天航空等多个领域获得广泛应用^[1−2]. 毫米级镁颗粒因为兼顾装填密度与燃烧可控性，被广泛应用在爆震推进系统，用于改善爆震波质量和发动机性能^[3]. 毫米级镁颗粒作为新型能源载体的潜力也逐渐受到重视^[4]. 毫米级镁颗粒燃烧的安全性不容忽视. 毫米级镁颗粒与微米级镁颗粒相比，不会发生“微粉尘”爆炸，但毫米级镁屑自燃是镁合金机加车间最常见的火源之一^[5]. 燃烧时间和燃烧效率等燃烧特性是评估含能燃料的重要标准之一，深入研究不同氧化剂浓度及环境条件对毫米级镁颗粒燃烧特性（包括燃烧产物）的影响，对于提高毫米级镁颗粒能量释放效率具有重要意义.

以往针对镁颗粒点火与燃烧的研究，多在单一的氧化氛围和固定氧化剂浓度下进行. Dreizin等^[6]对空气中自由下落的单颗粒镁燃烧进行研究，结果表明火焰中的气相氧可以通过传热作用扩散至颗粒表面，引发异相燃烧. 孙璐^[7]采用激光点火的方式在相同氧浓度下点燃微米级球形镁颗粒，发现了脉动火焰现象. Maghsoudi等^[8]对预混镁燃烧中镁、氧化镁轨迹和脉动火焰进行评估，进一步揭示了火焰的结构组成. Zhao等^[9]在二氧化碳和氧气的混合环境下研究一系列因素对镁基纳米燃料燃烧特性的影响. Yang等^[10]在碳氧化介质中探索镁颗粒大小对燃烧效率和燃烧产物形态的影响. 氧化剂浓度的变化显著改变镁的燃烧行为，极大地影响镁颗粒的能量释放过程.

金属燃烧生成的氧化产物及其团聚形态同样对能量释放有着重要的影响. Wang等 ^[11]观察到燃烧产物的3层疏松结构对镁蒸发和燃烧速率产生影响. Rosenband等 ^[12]对空气中金属颗粒的非均相燃烧进行研究，结果表明氧化膜通常将金属和氧化剂隔开，反应速率在很大程度上取决于氧化膜的保护性能. Zhu等^[13]采用密闭高温炉和气动引射装置，研究移动微米级镁颗粒的着火和燃烧特性，发现由于非均相反应的存在，产物颗粒周围形成不均匀的保护. Brykov等^[14]研究固体推进剂中氧化物的传热和阻力时，建立金属液滴表面附着有凝聚态氧化物颗粒（氧化物帽）的几何模型. Huang等^[15]发现镁颗粒在熔化和蒸发过程中，新生成的非致密氧化物沿着镁颗粒表面不均匀生长，导致氧化层机械强度的不均匀性. 刘龙等^[16]研究氧化镁在颗粒表面的沉积对反应速率的影响.

上述成果仍难以全面揭示镁的燃烧细节及氧化膜的演变规律. 现有实验多采用微米级镁颗粒，由于其颗粒直径较小，燃烧时间极短，研究微米级单颗粒燃烧存在一定的难度；使用毫米级镁颗粒以及平焰燃烧的方法可以更加清晰地分析单颗粒的燃烧路径和特性，可以保证燃烧产物更加完整，有利于对燃烧产物的结构组分进行充分研究. 爆震推进系统中镁特性和产物团聚对爆震波和颗粒能量释放存在显著影响，研究毫米级镁颗粒的燃烧过程、燃烧特性和燃烧产物特性，可以提高爆震发动机和推进器的应用效果.

选用直径为3 mm的毫米级镁颗粒，以甲烷火焰构建可调控氧化剂体积分数和高温氧化环境，旨在实现对镁在不同氧化剂体积分数下的点火燃烧全过程的动态研究. 系统探讨毫米级镁颗粒的燃烧机理，揭示各关键参数（如燃烧时间、氧化膜演变及燃烧产物形成）之间的相互作用和释能机理，以期提升镁的能量释放效率.

平焰燃烧实验系统如图1所示，采用平焰燃烧器产生稳定、可控的富氧甲烷火焰，以提供足够的热能点燃镁颗粒. 燃气在预混室中充分混合后，通过金属介质均匀输送至喷口，形成直径为60 mm 的燃烧面. 采用3台七星CS-200型流量控制器（精度误差为设定值的±1%）调控甲烷、氧气和氮气的流量，总流量固定为 10.0 L/min，其中甲烷的流量恒定为 1.0 L/min，其余为氮气和氧气. 使用Beckstead^[17]提出的方法定义有效氧化剂体积分数X_eff为

(1)$ {X}_{\mathrm{eff}}=X\left({\mathrm{O}}_{2}\right)+0.533X\left({\mathrm{H}}_{2}\mathrm{O}\right)+0.135X\left(\mathrm{C}{\mathrm{O}}_{2}\right)\text{.} $

式中：X(O₂)为甲烷完全燃烧后的氧气剩余体积分数，X(H₂O)为甲烷完全燃烧产生的水蒸气体积分数，X(CO₂)为甲烷完全燃烧产生的二氧化碳体积分数.

根据配气流量并以甲烷完全燃烧为依据，计算CO₂和H₂O体积分数，可以得到有效氧化剂体积分数. 通过调节氧气与氮气的流量，进行不同环境温度下14组有效氧化剂体积分数工况实验，X_eff范围为13.0%~26.0%，间隔1.0%. 每组实验重复3次，实验结果为相同工况下所有结果的平均值；当实验结果波动超过10%时，则认为该组工况失败，重新进行实验.

镁颗粒近似球形，平均镁质量分数为98.88$ {\text{%}} $，颗粒直径为3 ± 0.2 mm，中央预制 1 mm 孔以便于插入钨丝固定，并通过控制步进式电机来调整镁颗粒悬挂高度. 悬挂高度定义为镁颗粒中心距离平焰燃烧器燃烧面的高度，本研究中设置的高度分别为15、20、25、30和35 mm. 在配气流量调整好后，采用点火枪点燃平焰燃烧器，点火枪触发信号同步启动高速摄像机（天眼狼X型）和光纤光谱仪，使得数据采集严格同步. 光纤光谱仪同步监测 382 nm 镁的特征谱线以划分燃烧阶段. 燃烧时间为光谱强度从0变为正数时刻开始到从正数变为0时刻结束.

采用K型热电偶测量不同高度处的平焰气流温度（即镁颗粒的环境温度），依据能量平衡方法修正对流换热和辐射换热造成的测量误差，得到图2所示不同悬挂高度处的温度校正结果. 在所考察的氧化剂体积分数范围内，甲烷平焰的温度随高度上升而略有下降，在1220~1058 K变化. 尽管对样品质量和气体流量等因素做严格把控，由于外界环境温度、设备操作、数据处理等不可控原因，实验数据存在一定的误差，误差在可接受范围内.

不同有效氧化剂体积分数下单颗粒球形镁的着火与燃烧过程基本一致. 根据不同特征，颗粒的燃烧过程有多种划分. Derevyagea等^[18]根据燃烧强度将燃烧过程分为4个阶段：泡沫段、气相氧化段、过渡段和溅射燃烧段. 根据火焰面积的变化，将燃烧过程分为5个阶段：着火段、火焰扩张段、火焰收缩段、产物凝聚段和熄火段. 图3给出有效氧化剂体积分数为17.01%和h = 15 mm 的3 mm 镁颗粒的着火燃烧全过程图像，各燃烧阶段的划分总结如表1所示.

在预加热阶段（图像NO.1~NO.3，约0 ~100 ms），镁颗粒由固态逐渐熔化，表面颜色由银白色转为黑色，同时伴随局部短暂闪光，表明初步局部点燃. 在着火阶段（图像NO.4~NO.6，约150~250 ms），颗粒外围出现低亮度、椭圆形的气相火焰，火焰直径超过原颗粒，标志着燃烧由局部扩展为整体燃烧；从150 ms起，颗粒正式进入燃烧过程. 在持续燃烧阶段（图像NO.7~NO.46，约250~7 450 ms），燃烧过程经历几个演变过程：在火焰扩张阶段（NO.7~NO.22，约450~3 450 ms），火焰亮度和尺寸迅速增大，火焰形态由椭圆状逐步转变为液滴状，同时观察到颗粒内部黑色区域逐渐缩小，并伴有分散的白色小颗粒出现，这些小颗粒是镁蒸气燃烧生成的氧化镁；在火焰扩张阶段，存在着一小段相对稳定的部分，该部分火焰亮度及面积呈现波动性收缩与扩张现象；在随后的阶段（NO.23~NO.41，约3450~6 950 ms），火焰开始出现明显收缩，并在火焰底部逐渐生成微小白色颗粒；在产物聚集阶段（NO.42~NO.46，约6 950~7 450 ms），燃烧产物由颗粒表面向外扩散并逐步堆积，最终形成体积略大于原颗粒的不规则球形；在燃烧后期（NO.47~NO.50，约7 450~7 850 ms），气相火焰完全消失，颗粒内部仍持续缓慢燃烧，直至燃烧产物完全覆盖并熄灭.

通过光纤光谱仪测得的燃烧火焰光谱显示出明显的镁蒸气谱线（382.3、518.0 nm）和氧化镁谱线（372.0、500.0 nm），如图4所示，其中λ表示波长，I表示光谱强度，证实金属镁蒸发并在气相中与氧气反应. 这一机制短暂闪光，但在后期燃烧产品聚集阶段则无明显气相火焰，表明该阶段气相反应减弱；在火焰扩展和火焰收缩阶段，以远离颗粒表面的火焰峰为主要特征，反映气相的扩散燃烧. 整体燃烧过程在一定程度上符合双膜混合模型的描述（即表面变暗、金属熔化、表面化学反应、气相燃烧和氧化物沉积的多阶段过程）^[19].

图5给出不同有效氧化剂体积分数下燃烧最剧烈时刻火焰图像. 随着有效氧化剂体积分数的增大，燃烧最剧烈时刻的火焰亮度随之变亮，火焰面积也随之变大，在较低有效氧化剂体积分数范围内这种变化尤为明显. 有效氧化剂体积分数的提高加强了燃烧的剧烈程度，缩短了镁颗粒的燃烧时间. 图6展示在不同环境温度和有效氧化剂体积分数条件下的3 mm镁颗粒的燃烧时间. 随着有效氧化剂体积分数的增大，燃烧时间均呈现明显的下降趋势. 在相同有效氧化剂体积分数下，环境温度越高，燃烧时间越长. 以有效氧化剂体积分数为13.01%为例，当温度从1 058.4 K升至1 220.3 K时，燃烧时间从7.2 s增加至10.77 s，增幅达49.6%；在有效氧化剂体积分数为26.01%时，同样的温度变化仅导致燃烧时间从3.88 s增加至4.81 s，增幅降低至24.0%.

在不同环境温度下，图6中曲线在低有效氧化剂体积分数区域（13%~17%）的分离较为明显，在高有效氧化剂体积分数区域（23%~26%）逐渐趋于接近，对燃烧时间的促进效应减弱，如图7所示. 随着有效氧化剂体积分数的增加，燃烧时间对环境温度变化的敏感度逐渐降低，表现为高有效氧化剂体积分数条件下的温度-燃烧时间曲线更为平缓，环境温度对燃烧时间的影响逐渐减弱.

有效氧化剂体积分数和环境温度共同作用于燃烧时间，图8给出三者关系，从图中可知有效氧化剂体积分数对燃烧时间的影响显著大于环境温度的影响. 在同一温度条件下，燃烧时间随有效氧化剂体积分数的变化幅度（例如，在1 220.3 K下，在有效氧化剂体积分数13.01%~26.01%范围内，燃烧时间从10.77 s降至4.81 s，缩短在5.96 s）显著大于同一有效氧化剂体积分数下燃烧时间随环境温度的变化幅度（例如，在有效氧化剂体积分数为13.01%时，在1 058.4~1 220.3 K下，燃烧时间从7.20 s增至10.77 s，缩短了3.57 s）.

以统一预测模型来定量描述温度和有效氧化剂体积分数对镁颗粒燃烧时间的耦合影响：

(2)$ t\left(X_{\mathrm{eff}},T\right)=\frac{A}{{X_{\mathrm{eff}}}^{\beta }}\cdot \exp \left[-\mu \left({T}_{\text{base}}-T\right){X_{\mathrm{eff}}}^{\delta }\right]\text{.} $

式中：t($ X_{\mathrm{eff}} $,T)为燃烧时间；$ X_{\mathrm{eff}} $为有效氧化剂体积分数；T为环境温度；T_base为基准温度，取1 220.3 K（最高测试温度）；A、β、μ、δ为待拟合参数.该模型的第1项$ {A}/{{X_{\mathrm{eff}}}^{\beta }} $描述在基准温度下燃烧时间随有效氧化剂体积分数（范围为13.01%~26.01%）的幂律衰减关系，符合经典扩散控制燃烧理论；第2项$ \exp \left[-\mu \left({T}_{\text{base}}-T\right){X_{\mathrm{eff}}}^{\delta }\right] $表征温度与有效氧化剂体积分数的交互作用对燃烧时间的修正.

通过非线性最小二乘法对实验数据进行拟合，获得以下参数值：A = 184.98，β =1.14，μ = 0.026 5，δ = −0.95. 模型拟合数据与实验数据详见图9，平均相对误差仅为3.42%，表明模型能够高精度预测不同条件下的燃烧时间. β > 1.0表明燃烧时间对有效氧化剂体积分数的响应是超线性的，与图4中的低有效氧化剂体积分数区域敏感度高、高有效氧化剂体积分数区域敏感度低的现象一致. μ > 0，值为0.026 5，定量描述温度降低导致燃烧时间缩短的作用大小，这里称为温度负面效应. 温度负面效应表明在毫米级镁颗粒燃烧中，达到一定的环境温度不再是限制因素，氧化剂扩散起主导作用；在燃烧产物分析部分，也进一步解释了燃烧时间随着环境温度升高而延长的现象. δ = 0.95，表示随着有效氧化剂体积分数的增加，温度效应被逐渐减弱的数学机制.

在常压、有效氧化剂体积分数为15.01%、环境温度为1 220.3 K下3 mm镁颗粒燃烧后的产物形态如图10所示. 燃烧产物呈不规则纺球形，外层覆盖有白色氧化物，内层则为直径略小于原颗粒尺寸的黑色氧化物空壳. X射线衍射（XRD）测试结果表明产物样品中主要存在氧化镁，未检到单质镁的相关峰，如图11所示. 能量色散X射线谱（EDS）测试结果显示白色产物中氧与镁的原子比约为53.94∶46.06，黑色产物的该比例约为52.08∶47.92，接近1∶1，可以认为均为氧化镁. 产生该现象的原因，可能有2种：1）镁颗粒在高温下融化并生成镁蒸气，与氧气迅速发生气相反应，生成氧化镁微粒，聚集在火焰外围形成白色疏松的外壳，外层生成的氧化镁外壳阻碍氧气向内扩散，内部可能处于缺氧环境^[20]；2）内层液体镁处于缺氧环境，燃烧反应受液体镁-气态氧扩散控制，属于异相反应，反应缓慢，产生的颗粒致密，吸光性强，颜色较深. 白色产物和黑色产物的扫描电镜（SEM）图像如图12所示. 在相同放大倍数下，白色产物晶体直径较大，排列松散且形状不规则，多数呈层状分布；黑色产物则呈现较小晶体直径；排列致密且近似规则的立方体结构.

在不同温度条件下所收集到的燃烧产物质量占比随环境温度的下降而减小（假设镁颗粒完全燃烧），变化范围为60%~40%，表明高温有利于镁颗粒蒸发脱离颗粒球燃烧，形成氧化镁烟随气流弥散. 对不同环境温度条件下的3 mm镁颗粒燃烧产物进行SEM分析，结果如图13第1列所示. 随着环境温度的降低，黑色产物（主要为MgO）从紧密排列向疏松排列转变，大孔隙比率增加；在低温条件下，白色燃烧产物（主要为MgO凝聚物）层厚度明显减小，黑色燃烧产物更多地暴露出来. 这些微观结构变化对燃烧过程产生重要影响：在该温度变化范围内，高温环境条件下形成的致密氧化层阻碍氧化剂与镁蒸气的接触，低温环境条件下形成的疏松结构有利于扩散和混合. 高速相机拍摄的完整产物图像如图13第2列所示. 高温促进氧化产物在原颗粒位置的团聚，形成更厚的氧化层，减缓镁和氧气的燃烧反应进行.

通过精确改变甲烷火焰下的有效氧化剂体积分数和温度环境，系统研究毫米级（3 mm）球形镁颗粒的点火燃烧行为和释能机理，获得以下主要结论.

（1）根据火焰形态3 mm 球形镁颗粒在含氧环境中燃烧过程分为5个阶段：着火段、火焰扩张段、火焰收缩段、产物凝聚段和熄火段. 燃烧火焰中同时出现 Mg 和 MgO 的特征谱线.

（2）观察到燃烧产物呈明显的双层结构，外层晶体片状排列规则、疏松呈白色，内层晶体无序分布、较紧密呈黑色，成分均为MgO. 镁颗粒距离平焰燃烧器越近，环境温度越高，外层氧化物越紧密.

（3）当有效氧化剂体积分数从13.01%提高至 26.01%时，镁颗粒的燃烧时间显著缩短，缩短幅度随环境温度变化可达46.1%~55.3%，且有效氧化剂体积分数越低，燃烧时间对其变化越敏感.

（4）当环境温度从1 220.3 K较低至1 058.4 K时，镁颗粒的燃烧时间明显缩短，缩短幅度随有效氧化剂体积分数变化可达18.1%~33.5%.

（5）有效氧化剂体积分数和环境温度共同影响燃烧时间，燃烧时间可按式（2）计算，定量地揭示出3 mm镁颗粒的燃烧时间对有效氧化剂体积分数的响应是低体积分数区敏感的，环境温度的影响效应随着有效氧化剂体积分数增大逐渐减弱.