Page 179 - 《爆炸与冲击》2025年第5期

第 45 卷 赵江平，等： 增材制造用铝及铝硅合金粉尘的爆炸特性 第 5 期

在较高的点火能量下，影响爆炸压力的主要因素是增大的点火能量。较高的点火能量扩大了有效
点火区域，使更多铝硅合金粉尘颗粒被点燃，并提高了反应体系的温度。同时，这也缩短了颗粒的着火
弛豫时间，促使更多颗粒在更短的时间内燃烧 [30] ，进而加速了反应过程。由于反应速率大大加快，通过
罐壁热传导和热辐射方式损失的热量减少，使更多的热量用于提高反应温度，维持爆炸反应。此外，高
点火能量诱发的湍流进一步提高了整个体系内铝硅合金粉尘的燃烧速率，使得更多粉尘参与燃烧反应，
最终导致最大爆炸压力增大。
随着硅含量的增加，合金粉尘颗粒外包覆的氧化层更不易发生破裂，在相同点火能量和质量浓度
下，未参与反应的颗粒基数更大。因此，当点火能量增加时，铝硅合金粉尘的被点燃颗粒数增加，反应物
总量增加导致爆炸后气体膨胀产生的压力升高，致使铝硅合金粉最大爆炸压力的增幅大于纯铝粉。

2.1.4 环境温度对最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率的影响
3
利用 5 kJ 能量点火头 [26] ，在 ρ=600 g/m 的条件下，利用恒温水浴控制系统，对 3 种样品在环境温
度分别为 15、25、35、45 和 55 ℃ 进行测试，以探究环境温度对 3 种样品最大爆炸压力和最大压力上
升速率的影响，结果分别如图 10 和 11 所示。可以看出，ρ=600 g/m 、点火能量为 5 kJ 时，环境温度对 3 种
3
样品的最大爆炸压力无明显影响，但 3 种样品的最大爆炸压力上升速率随环境温度的升高而逐渐增
大，在环境温度为 55 ℃ 时达到最大，分别为 35.345 MPa/s（Al）、12.700 MPa/s（Ai-12Si）和 10.600 MPa/s
（Al-20Si）。

0.9 60
Al Al
0.8 Al-12Si 50 Al-12Si
Al-20Si Al-20Si
0.7 40
p max /MPa 0.6 (dp/dt) max /(MPa·s −1 ) 30

0.5 20

0.4 10
0.3 0
10 20 30 40 50 60 10 20 30 40 50 60
Ambient temperature/℃ Ambient temperature/℃
图 10 环境温度对最大爆炸压力的影响 图 11 环境温度对最大压力上升速率的影响
Fig. 10 Effect of ambient temperature on the Fig. 11 Effect of ambient temperature on the
maximum explosion pressure maximum explosion pressure rise rate
根据热爆炸理论和粉尘爆炸热爆炸判据公式 [25] ，环境温度升高导致壳体表面的热流量减少，影响热
传递，并造成壳体内部温度升高，爆炸的反应速率和热量产生速率增加。尽管爆炸压力上升速率增大，
但由于反应物总量不增加，生成的热量也不会有所增加。因此，爆炸后气体膨胀产生的压力大小不会改
变，从而导致最大爆炸压力变化不大。

2.1.5 不同硅含量对爆炸温度的影响
爆炸温度是评价爆炸反应强度的重要参数。使用精密热电偶（温度范围为室温至 1 600 ℃）测量爆
炸过程中的温度演变，并利用温度补偿公式对测量数据进行校准，以消除热惯性的影响 [31] 。利用 5 kJ 能
量点火头 [26] 测试粉尘云质量浓度对 3 种样品爆炸温度的影响。
图 12 展示了 3 种样品在不同质量浓度下的爆炸峰值温度（T ）和达到爆炸峰值温度的时间（t ）。对
p m
实验结果进行非线性拟合，所有公式的决定系数 R 均大于 0.99，表明数据和回归曲线之间具有很强的拟
2
合度。3 种样品达到最大爆炸峰值温度的质量浓度与达到其最大爆炸压力的质量浓度相同，最大值分别
为 867 ℃（Al）、702 ℃（Al-12Si）和 694 ℃（Al-20Si）。由于精密热电偶的响应速度不足，测得的爆炸温度
实际为爆炸产物温度，因此，低于实际火焰温度。达到爆炸峰值温度的时间与爆炸峰值温度的变化呈负
相关，当爆炸峰值温度随质量浓度的增大而上升时，达到爆炸峰值温度的时间随之下降。

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