Page 181 - 《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

对铝及铝硅合金的爆炸残留物进行 XRD 分
Si SiO 2 Al Al 2 O 3
析，图谱如图 14 所示。结果表明，铝硅合金的爆
Al-20Si
炸残留物中，除与铝粉爆炸残留物相同的 Al O 、Al
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外，还有 SiO 和 2 Si，证明合金中的硅元素也参与 Al-12Si
了反应。随着硅含量的增加，爆炸残留物中 SiO Intensity
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的含量也随之增加，Al O 的含量小幅减少，说明
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合金中硅含量的变化会显著影响爆炸反应的产 Al
物组成和反应机制。通过爆炸产物表征与爆炸
实验结果推断出铝硅合金粉爆炸反应的过程，如 10 20 30 40 50 60 70 80 90
2θ/(°)
图 15 所示。图中，Al-Si(S) 和 Al-Si(L) 分别表示
图 14 爆炸产物的 XRD 分析
铝硅合金的核心处于固体和液体状态。反应开
始前，样品粉尘通过负压从储粉仓喷入球形容器 Fig. 14 XRD analysis of explosion products
形成粉尘云；化学点火头被引燃后，反应区释放的热量为颗粒加热，合金粉所含的水分开始蒸发，表面开
始氧化反应，如图 15(b) 所示。到达一定温度后，氧化铝和氧化硅组成的氧化膜熔化。此时部分悬浮的
熔化后变为液态的铝硅合金颗粒受热汽化，形成由气态铝和气态硅组成的可燃气体 [32] 。这些可燃气体
加热到一定限度后冲破氧化膜，与空气中的氧气混合燃烧，放出热量，热量以热传导和火焰辐射的形式
传递给悬浮的铝硅合金颗粒，使燃烧循环继续进行，如图 15(c) 所示。随着每个循环的进行，反应速度加
快，通过剧烈燃烧导致爆炸；反应结束后，氧化铝及氧化硅堆积在颗粒表面，氧化层有明显破裂痕迹 [33] ，
如图 15(d) 所示。

(a) (b) Moisture (c) Heat (d) Oxide layer
release transfer damage
End of
Al-Si(S) Ignition Al-Si(L) Heat Al-Si(L) reaction Al-Si
core core droplet
core
Dust cloud formation Formation of oxide layer
Al 2 O 3 & SiO 2
Al-Si particles O 2 Al Si

图 15 铝硅合金粉尘的爆炸反应过程
Fig. 15 Explosive reaction process of aluminum-silicon alloy dust
3 结 论

采用 20 L 球形爆炸装置，通过实验研究了封闭空间内的增材制造用 Al、Al-12Si、Al-20Si 等 3 种样
品的爆炸特性，结合热氧化特性测试，并对爆炸产物进行了 XRD 测试，得到如下主要结论。
(1) 随着硅含量的增加，铝硅合金粉尘的最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率及爆炸温度下降，爆
炸敏感质量浓度及爆炸下限升高，爆炸危险等级降低，但仍具有爆炸危险。
(2) 当点火能量增加时，铝硅合金的最大爆炸压力上升速率的增幅低于铝粉。环境温度变化对样品
爆炸下限的影响小于粒径变化带来的影响。当环境温度上升时，爆炸压力未显示出显著变化，爆炸压力
上升速率小幅增加。3 种样品的爆炸峰值温度和最大压力与质量浓度呈正相关，到达峰值温度的时间随
粉尘云质量浓度的升高先减小后增大。
(3) 随着硅含量的增加，铝硅合金热氧化过程的熔融氧化阶段的起始温度小幅降低，但放热量明显
减少，说明氧化速率减小，燃烧剧烈程度降低，进而影响了爆炸剧烈程度。
(4) 铝硅合金的爆炸产物中除 Al O 、Al 外，还有 SiO 和 2 Si，证明合金中的硅元素也参与了爆炸反
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应。铝硅合金爆炸是由颗粒受热汽化形成的气态铝和气态硅组成的可燃气体与氧气混合燃烧导致。

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