含能纳米铝粉的制备与性能
纳米铝粉的点火机理及制备
纳米铝粉的点火机理及制备摘要：纳米铝粉由于其大比表面、低活化能、高活性等独特的化学物理特性正逐步替代微米粉而作为含能材料添加剂被广泛用于火箭推进剂、高效助燃剂，添加到火箭的固体燃料，大幅度提高燃料燃烧速度、改善燃烧的稳定性、燃料空气炸药(FAE) 、深水炸弹等工程和军事中。
用光触发同步采集技术在多光谱系统上测定纳米铝粉与环氧丙烷快速反应的点火延迟时间和基团光谱强度, 得出诱导激波作用下纳米铝粉的点火机理。
X 射线衍射(XRD) 数据表明, 等离子体方法生产的纳米铝粉由于活性较高表面有部分氧化, 电子能谱(XPS) 给出结果表明氧化层厚度～3 nm , 且其反应生成物的电子能谱显示氧化层厚度随诱导激波强度增加而相应增大。
单色仪测定AlO (46418 nm) 点火时间表明随诱导激波强度增大, 纳米铝粉在环氧丙烷反应系统中的抛撒状态分布更均匀, 颗粒受热面增大, 受热率明显增大, 且激波作用下铝粉表面3 nm 厚氧化层也极易被熔破, 使内核活性铝气化与反应系统中的氧原子及含氧分子反应放热而达到点火状态。
用TEM和XRD分析得，纳米Al粉的平均粒径为50 nm,颗粒基本为球形,放置半年后含氧量为8. 2%,最大的吸收峰出现在波长为253 nm处。
在Ar气流中,在780 ℃时纳米铝粉增重约20%,熔化峰位置为654. 8 ℃,熔化吸热为136 J·g- 1。
目前，在固体推进剂中加入微米级A1粉是提高推进剂能量水平的一个常用手段，但微米级Al粉在燃烧过程中易在燃面互相熔联形成凝滴而降低燃烧效率，同时也有可能产生燃烧不完全、特征信号过强和喷管的两相流损失等缺陷，而使用纳米Al粉替代对克服这些缺陷具有重要的实际应用价值[z’3]。
因纳米Al粉具备以上优点，使其在同体推进剂领域具有广阔的应用前景，但在实际应用中发现，纳米Al粉极易团聚，难以均匀分散到其它组分之中；同时纳米Al粉表面活性很高，其表面极易发生氧化而降低应用效果。
纳米铝
纳米铝——纳米Al粉的制备及性能表征研究1、纳米铝的基本概念标准铝原子只覆盖了其表面积的千分之一，而纳米铝覆盖了百分之五十。
即铝原子表面覆盖了百分之五十，微粒尺寸处于纳米级的铝粉成为纳米铝。
2、纳米铝制备方法及优缺点对比1）蒸发冷凝法蒸发冷凝法是物理方法制备纳米微粒的一种典型方法。
在真空下充人纯净的惰性气体(Ar，He等)，高频感应加热使原料铝锭蒸发，产生铝蒸气，惰性气体的流动驱动蒸气向下移动，并接近冷却装置。
在蒸发过程中，铝蒸气原子与惰性气体原子碰撞失去能量而迅速冷却，这种有效的冷却过程在铝蒸气中造成很高的局域过饱和而均匀成核，在接近冷却装置的过程中，铝蒸气首先形成原子团簇，然后形成单个纳米微粒，纳米微粒随气流经分级进入收集区内而获得纳米粉末。
这种方法耗能大、成本高、粒径难以控制、产品稳定性差。
2）线爆炸法线爆炸法¨是另外一种物理法，首先将爆炸室抽至较高的真空，然后向爆炸室充人一定压力的高纯氩气。
调节高压至34kV，向储能器充电3OkV，使整个系统处于稳定状态。
通过送丝装置将直径为0．3mm的铝丝送入爆炸室，控制A1线爆炸频率为3O次/min。
通过等离子体放电使铝丝在瞬间爆炸，形成高分散的纳米铝粉，然后将纳米铝粉收集后在氮气的保护下进行原位包装。
这种方法制备纳米铝粉的粒径一般在100nm以上，很难做到粒径更小，同时这种方法的生产量很小，难以满足日益扩大的市场需求。
因此，寻求一种新型的方法制备纳米铝粉将会为太阳能电池市场、军工国防事业提供新的技术支撑。
3）机械化学法机械化学法采用氯化铝和金属锂作为反应原料，边研磨边反应制备纳米铝。
所使用的设备是惰性气体手套箱和球磨机。
研磨反应后所得产物经过有机溶剂硝基甲氯化铝溶液洗涤，能够除去大部分副产物氯化锂。
所得纳米铝的平均粒径为55nm。
由于所生成的纳米铝非常活泼，如果使用金属钠与氯化铝球磨制备纳米铝，则副产物氯化钠很难除去。
下式为机械化学法制备纳米铝的反应式：A1C13+3Li—Al+3LiC1(1) AIC13+3Na_Al+3NaC1(2) 这种机械化学法制备纳米铝优点是方法简便，操作简单。
纳米铝热剂与超细RDX复合含能材料的制备与性能
８２ 纳米铝热剂与超细 Ｒ Ｘ复合含 能材料 的制备 与性能 。６ Ｄ
谯志强 聂福德 汤业朋 杨光成
采 用溶 胶一 凝胶方 法 ，制 备 出了纳米 铝热 剂（＿ ｅ ｉ） 其与 超细 Ｒ （Ｆ ＤＸ ￣ 复合含 能材料 。采 ｎｔ ｍ ｔ 及 ｈ ｅ ＤＸ Ｓ Ｒ ）
４ ５ｓ以前 ， 由于样条 的温度 和油浴 的温度 相差 较大 ，使样 条处 于极度 的热 力学不 稳定状 态而产 生大量 的成 核 ，同时伴 随着 泡核 的生长 ，因而 泡孔密度 和 孔径均 快速增 加 。发泡 时 间在 ４ ５ ｓ以后 ，样 条温 度和 油浴 温 度 相差 很小 ，使 得泡核 的产生 很少 ，且 随发泡 时 间的增加 ，Ｐ Ｃ分 子链运 动加剧 ，Ｃ ２ Ｐ Ｏ 从 Ｃ基体 扩 散进 入 泡孔 中 ，使泡 孔孔 径增加 。（）泡 孔密度 Ⅳ 与每 平厘米 泡孔 个数 （， 空隙率（／ 一 ） ２ ０ Ⅳ） 和 １ １ 有关 。泡孔 的成核 （ 数量 主要取决 于浸泡 压力 ， 由于浸泡 压力 基本 相 同，泡 孔 的成核 数量也 就基本 相 同。在 发泡 过程前 期 ，泡 孔 绝 大多数是 孤立 的圆孔 ，随发泡 时间 的增加 ，单位 体 积 内的泡孔 个数 迅速增加 ，同时 由于泡 孔孔径 的增 加 ，使 得 Ｐ Ｃ微孔 泡沫 的空隙率 降低 ，从而 使得泡 孔密度 增加 。
采用 小容积 密 闭爆 发装 置测试 铝热剂与 Ｓ Ｒ Ｆ ＤＸ 配方 的密 闭燃烧压 力一 间 曲线 ， 时 发现 随着 铝热 剂含量
的增加 ，压 力上 升 的前 沿 时间 明显缩 短 ，从 ５ ０ｇ 缩 短至 １ ０ ，见 图 ２ ６ ｓ ５ 。这种 采用 超细 炸药装 药 ，并且 采 用高燃速 添加 物增加 表面 点火 效应 的设计 ，可 以极 大提 高炸药 的燃烧速 度 ，缩短 前沿 时 间，在 高性 能火 工品设计 中具有 重要 的应用 价值 。
纳米铝粉用途
纳米铝粉用途纳米铝粉是一种具有微细颗粒的铝粉，其粒径通常在1-100纳米之间。
纳米铝粉因其微细的粒径和高度的活性而被广泛应用于许多领域。
本文将会介绍纳米铝粉的用途。
纳米铝粉制备方法在介绍纳米铝粉的用途之前，我们先来了解一下纳米铝粉的制备方法。
制备纳米铝粉的方法包括物理法和化学法。
物理法包括机械球磨、高能震荡和惯性碰撞等方法。
在化学法中，通常使用还原法，通过还原剂和铝盐之间的反应来制备纳米铝粉。
在机械球磨法中，机械设备会将铝粉和钢球一起放入磨槽中，通过磨擦和碰撞来研磨铝粉，从而制备出纳米铝粉。
高能震荡法和惯性碰撞法则利用高能量的震荡或碰撞来制备纳米铝粉。
这些机械方法虽然能够制备出高质量的纳米铝粉，但需要较长的研磨时间和大量的能量。
化学法制备纳米铝粉，通常是通过还原法来实现的。
还原剂通常是含有亚铁离子的物质，如溴化亚铁和硫酸亚铁等。
通过控制反应的参数，例如温度、压力和还原剂的浓度，可以制备出不同口径的纳米铝粉。
纳米铝粉的应用纳米铝粉因其高活性和微小的粒径，具有许多应用。
以下是其中一些常见的应用：1. 燃料添加剂纳米铝粉广泛使用于液体燃料的添加剂中，能增加燃烧产物的焓值和燃烧速率，从而提高燃料的效率和功率。
2. 显示器和电子器件纳米铝粉具有良好的电子传导性能，这使得它们在显示器和电子器件中得到广泛应用。
纳米铝粉可以提高电子器件的导电性能和电路寿命。
3. 金属材料加工纳米铝粉被广泛用于制备高强度、高硬度和高耐腐蚀性的金属材料。
纳米铝粉可以增加材料的表面积和反应活性，从而提高金属材料的力学性能和化学稳定性。
4. 能源存储纳米铝粉在能源存储方面具有巨大的潜力。
纳米铝粉可以用于高密度能量储存技术，如燃料电池、锂离子和钠离子电池等。
5. 化学催化剂纳米铝粉在化学催化剂领域中，广泛应用于氧化和加氢反应，例如：铝氧烷和硝基甲烷的催化加氢反应。
纳米铝粉还有其他许多应用领域，如制备纳米铝涂层、医药领域和防腐领域等。
然而，纳米铝粉的高度活性也使得它具有一定的毒性。
纳米铝的快速制备和性能研究
关键词：放电等离子烧结；纳米铝；显微组织；力学性能；热处理
I
北 京 理 工 大 学 硕 士学 位 论 文
Abstract
When compared with common coarse-grained Al, nanocrystalline aluminum (Al) bulk compact has several advantages, such as high strength, large micro-hardness and outstanding wear resistance, etc, due to their ultrafine and uniform crystal, high concentrations of grain -boundary, clean grain surface. However, the preparation conditions of nano -aluminum bulk compact are rigorous. Nano-sized Al powder can not be used directly in air due to its large surface area and the high tendency to react with oxygen. It is difficult to obtain nanocrystalline Al through ordinary sintering process because it will result in grain growth within several sintering hours. The nano-Al powders can not only keep the purity but also keep the high activity when coated with an organic layer, so it can be used in air directly. spark plasma sintering (SPS) fulfills rapid sintering by utilizing a pulsed direct current and Joule heat, so it enables the production of nanocrystalline Al possible by providing a lower sintering temperature, a much more rapid heating rate and shorter holding time. It is apt to obtain materials with high density, ultrafine and uniform grain and excellent mechanical pro perities. Organic-coated aluminum (Al) nano-powders were consolidated by SPS technique in present study, meanwhile, the effects of sintering temperature, heating rate, holding time on microstructure, mechanical and physical properties were investigated systematically as well. The results indicate that the sintering temperature has the greatest influence on properties of nanocrystalline Al. The density, grain size, and strain increase with an increase in temperature, however, the micro-hardness, compressive strength, and tensile stress of the bulk compact increase initially and then decrease with increasing sintering temperature. At the same time, we conclude that the porosity increase as the heating rate increases, the grain size increases with the extension of holding time. The nanocrystalline Al compact bulk with an average grain size of 80 nm , high density of 99.5% and best mechanical properties can be prepared through SPS technique with low initial pressure of 1 MPa, heating rate of 40 ℃ /min, high holding pressure of 300 MPa ,
纳米Al粉的结构和性能表征
第14卷 第3期2006年6月 含 能 材 料CH I N ESE JOURNAL OF ENERGETI C MATER I A LSVol .14,No .3June,2006文章编号:100629941(2006)0320227204纳米A l 粉的结构和性能表征楚 广1,2,唐永建2,楚士晋2,韦建军2,李朝阳2,刘 伟2(1.中南大学冶金科学与工程学院,湖南长沙410083;2.中国工程物理研究院,四川绵阳621900)摘要:采用自悬浮定向流法制备金属纳米A l 粉。
用透射电镜(TE M )、X 射线能量色散谱(E DAX )、X 射线衍射(XRD )、紫外2可见光吸收光谱(UV 2V is )和差示扫描量热2热重法(DS C 2TG )对纳米微晶形貌、粒度、结构和性能进行了研究。
结果表明:纳米A l 粉的平均粒径为50n m,颗粒基本为球形,放置半年后含氧量为8.2%,最大的吸收峰出现在波长为253n m 处。
在A r 气流中,在780℃时纳米铝粉增重约20%,熔化峰位置为654.8℃,熔化吸热为136J ・g -1。
关键词:分析化学;纳米铝粉;性能;热分析;自悬浮定向流法中图分类号:TG113;O65 文献标识码:A收稿日期:2005212201;修回日期:2006203209基金项目:国家自然科学基金(10475069/A0506),中物院面上基金(20050866)作者简介:楚广(1958-),男,博士,高级工程师,长期从事有色冶金及材料研究工作。
e 2mail:chuguang2006@1 引 言纳米A l 粉的制备方法主要有物理法、电爆法[1]和高能球磨(MA )法。
物理法中的常规加热方式有电阻加热、等离子体加热、高频感应加热、电子束加热、激光加热等,并且通过各种加热工艺产生了许多制备纳米铝粉的制作方法[2]。
自悬浮定向流技术[3,4]就是利用高频感应加热金属,采用独特的无接触加热方式,所得到的产物纯度与原料成分完全一致,而且通过调整制备过程中的工艺参数,可以控制金属纳米颗粒的平均粒径和生产效率,非常适合批量生产金属纳米材料和满足各种科学实验的要求。
纳米含能材料国内外研究现状
纳米含能材料国内外研究现状在新型含能材料中，具有高能量释放速率、高能量转化速率和低敏感性的纳米含能材料已成为研究的热点，而介稳态分子间纳米复合含能材料(MIC)由于其高放热性和能量释放率的可调性成为国内外主要研究的对象。
国外研究表明将铝热剂的粒度从微米超细化到纳米级时，它的反应速度会大大的提高，能量释放迅速，最快的可以超过千倍，如纳米Al/MoO3铝热剂，燃速大约为400m/s，反应区温度为3253 K。
因此纳米铝热剂近年来成为国内外研究的热点，其中如何制备性能良好的纳米铝热剂是最为关键。
通常制备MIC的方法分为为机械球磨法、溶胶．凝胶法和物理气相沉积法。
自上世纪90年代开始，就已经见有关纳米级的MIC/HMX 的公开报道，国外对于MIC/HMX的研究比国内要早。
而国内则是最主要集中在Al/CuO等极少数材料，纳米Al/MoO3含能材料在国内则没有见公开的报道，而添加纳米级炸药HMX 的MIC/HMX更是少之又少。
32261Kevin C W[1]等研究者通过采用固相反应的方法，再进一步加入分散剂来改善纳米粒子的团聚问题，制备出了纳米Al/MoO3铝热剂。
方法为：称取一定量的纳米铝粉和纳米三氧化钼粉末，置于反应容器中，然后加入正己烷进行进一步的处理，之后再进行超声分散混合，处理，最后真空干燥，得到复合颗粒。
与微米级这两种成分粒子通过常规物理混合得到的样品相比，纳米铝热剂的燃速更高，可以达到442m/s。
谯志强[2]等研究者基于猛炸药的起爆药替代物的主要原料为超细颗粒猛炸药、纳米铝粉和纳米金属氧化物，采用溶胶-凝胶的方法制备出了纳米级的Fe2O3，采用溶剂-非溶剂的方法制备出超细的RDX 颗粒，最后再采用超声波复合法进一步实现纳米铝热剂对RDX 颗粒表面的包覆。
它是通过一种特殊的复合物微观结构进行设计（如图1所示），在细颗粒炸药表面包裹一层具有很高燃烧速度的添加剂，从而形成一个以细颗粒炸药为核以高速添加剂为壳的核/壳型复合物，壳层添加剂高速燃烧释放的热量可以作为核层细颗粒炸药的点火源。
纳米钴酸铝的制备及其性能研究
纳米钴酸铝的制备及其性能研究随着现代科技的迅猛发展，我们对于新材料的需求也越来越大。
纳米材料由于其巨大的比表面积和优越的物理化学属性，在光、电、磁等方面表现出优异性能，因而引起人们广泛关注。
钴酸铝作为一种重要的材料，在锂离子电池、染料敏化太阳能电池、催化剂等领域具有广泛的应用前景。
因此，如何制备高性能的纳米钴酸铝材料，是目前研究的热点问题之一。
本文将介绍纳米钴酸铝的制备方法及其性能研究。
一、纳米钴酸铝的制备方法1. 传统的化学合成法传统的化学合成法是一种常见的制备纳米钴酸铝的方法，通常将钴盐和铝盐混合，加入氧化剂和还原剂，经过调整pH值等条件，形成纳米结构。
这种方法具有简单、易于控制等快捷、高效的优点，但也存在着晶粒尺寸的难以精确控制和成本较高等缺点。
2. 氧气化学法氧气化学法是一种较新的制备纳米钴酸铝的方法，通常将钴物种和铝物种混合，与氧气反应，生成纳米结构。
这种方法具有无污染、无毒性、省时省力等优良的特点，使得其在钴酸铝的制备领域中受到了广泛关注。
3. 凝胶法凝胶法是一种将配位聚合物转化为多孔凝胶的方法，通过控制反应参数，可以制备出具有不同形貌和尺寸的纳米颗粒。
此法能够制备出高品质的纳米钴酸铝粉末，但是加工成品时容易造成形貌的变化。
二、纳米钴酸铝的性能研究1. 比表面积纳米材料具有特有的巨大比表面积，因此，纳米钴酸铝具有较高的比表面积。
研究表明，纳米钴酸铝的比表面积可以在100~300 m²/g之间，而传统材料的比表面积仅在10~50 m²/g之间。
因此，纳米钴酸铝具有更多的活化位点和更好的反应性能。
2. 循环性能纳米钴酸铝在锂离子电池正极材料中的应用颇受关注。
在循环性能方面，纳米钴酸铝的性能稳定性和循环寿命都比普通材料有了显著的提升，其具有较高的充放电比容量和良好的倍率性能，从而使得其在锂离子电池领域有了广泛的应用前景。
3. 光催化性能近年来，纳米钴酸铝在光催化方面的研究也得到了广泛关注。
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含能纳米铝粉的制备与性能
为了提高火炸药和固体推进剂的能量性能,常采用添加金属粉的方法来实现。
纳米金属粉相比于普通金属粉有着独特的优势,由于纳米铝粉具有高活性、高热值、后燃效应强等优势,所以向火炸药和固体推进剂中加入的纳米金属粉主要是纳米铝粉。
然而,纳米铝粉的高活性使得纳米铝粉极易被氧化而失去活性,因此需要对纳米铝粉的表面进行改性,其中,在纳米铝粉的表面包覆碳层是行之有效的
办法。
本文分别采用直流电弧氢等离子体法和化学法制备碳包覆纳米铝颗粒。
利用直流电弧氢等离子体法在1.0KPa CH4和2.5KPa Ar的气氛下制备的纳米铝颗粒,其XRD和HRTEM表明,部分纳米铝颗粒有碳包覆,部分纳米铝颗粒表面是A1203；通过TG-DTA分析,可以看出所制备的纳米铝颗粒氧化温度降低。
而分别在0.5KPa CH4和2.5KPa Ar 2.0KPa CH4和2.5KPa Ar气氛下制备的纳米铝颗粒,其XRD分析中分别有很多Al2O3、Al4C3的衍射峰,这代表分别形成了大量的AL2O3、Al4C3等杂质。
利用化学法制备碳包覆纳米铝颗粒,用红外碳硫分析仪、XRD、TEM、BET、Raman、TG-DTA等表征方法进行分析。
实验结果表明,制备的纳米粉体碳含量为0.37%；内核铝的表面包覆层没有晶体结构且不同于钝化纳米铝粉表面的包覆层；制备的纳米粉体比表面积为5.967m2·g1计算得到的粒径为373.8nm,结合TEM照片说明纳米铝粉活性很高,极易发生团聚形成二次粒子；在拉曼位移为1601cm-’处,出现碳的G峰,与之对应的是纳米晶石墨。
综上所述,利用化学法所制备的碳包覆纳米铝粉,表面包覆物是纳米晶石墨
和氧化铝。
通过对化学法所制备的碳包覆纳米铝颗粒与钝化处理的纳米铝颗粒进行TG-DTA测试,结果表明,制备的碳包覆纳米铝颗粒抗氧化性和稳定性明显提高。
纳米铝粉的粒径决定其活性,是最基本,也是最重要的性能指标。
为了能够利用直流电弧氢等离子体法批量制备粒径合适的纳米铝粉,探索了阴极电流、惰性气体压力等工艺参数对纳米铝粉产率和粒径的影响并分析了影响机理。
结果表明,利用直流电弧氢等离子体法制备纳米铝粉,阴极电流和惰性气体
的压力对纳米铝粉的粒径和产率影响很大；纳米铝粉的产率随着阴极电流的升高而增大,而纳米铝粉的粒径随着阴极电流的升高先增大后减小；在氢气和氩气的气氛中,随着惰性气体比例的升高,纳米铝粉的产率和粒径都会呈现先增大后减
小的趋势。