应用探析|高速摄像机在化学反应观测中的应用

1.背景介绍

 化学反应是指分子破裂成原子，原子重新排列组合生成新分子的过程。在反应中常伴有发光、发热、变色、生成沉淀物等，判断一个反应是否为化学反应的依据是反应是否生成新的分子。在一些实验中，反应现象速度很快，为了观察到这“昙花一现”的实验现象，研究者想到了采用高速摄像机来采集实验现象。

图1 元素燃烧

2.研究内容

 航天推进剂是一种含能化学物质，通过在燃烧室内燃烧产生大量高温高压气体，经过喷嘴形成推力，为火箭等航天飞行器提供动力。其中液体推进剂相较于气体和固体推进剂，具有比冲高、允许多次点火、利于航天器的姿态修正与轨道转移等优点，在航天领域得到了广泛应用。近年来，一种名为含能离子液体的概念被提出，并迅速进入了研究人员的视野。这种新型含能材料是由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的熔融盐类物质，具有毒性低、能量密度高、性质稳定的优点。

 来自西安交通大学的高煦尧老师科研团队，采用1-己基-３-甲基咪唑二氰胺（[EMIm]DCA）离子液体和三个变量设计实验，碰撞速度、液滴尺寸和燃料含量。在这项研究中，酒精燃料被用作可燃物并混合到提高燃油经济性的[EMIm]DCA中。实验装置整体可分为液滴滴落和拍摄记录两部分，液滴滴落部分包括微量进样针、夹持器、支撑棒、玻璃培养皿和升降台。实验装置如图2所示。

图2 高速摄像观测系统组成示意图

 注射器作为液滴发生器，液滴在以自由落体状态离开注射器并以特定的速度与池中的氧化剂碰撞，拍摄采用千眼狼的X113高速摄像机，以1280×1024@5000fps的速度进行采集记录图像。

3.研究结论

图3 高速摄像记录点火过程

 该项研究中，自燃点火时间和现象使用高速摄像机记录。结果表明了混合普通燃料自燃的可行性，[EMIm]DCA和酒精燃料的选择应遵循以下原则：

（1）酒精燃料和离子液体在任何给定比例下必须不混溶；

（2）酒精燃料的粘度应尽可能低；

（3）酒精燃料必须既可燃又经济。

 结果表明：碰撞速度应尽可能高，液滴尽可能小。如果液滴很大，则碰撞速度会很低，导致自燃点火失败。

4.行业应用总结

 化学反应中常伴有发光、发热、变色、生成沉淀物等，其中一些反应速度比较快，或者瞬间伴随着其他不易察觉的现象，高速摄像机可以为化学反应观测提供完 美解决方案，捕捉反应细节，助力科研工作者！（高煦尧等的《Influence of Adding Carbonaceous Fuels to Ionic Liquids onPropellant Properties》）