纳米铝粉的可控制备及表面包覆研究进展

针对纳米铝粉表面物化性质带来的在含能材料领域中的应用缺陷,综述了纳米铝粉的可控制备方法、活性保护方法,以及保护前后铝粉热性能、能量性能的变化;重点比较了不同制备方法的优劣,并分析了包覆方法对改性体系热反应活性的影响。在此基础上,提出了纳米铝粉未来的发展方向:研发提高纳米铝粉在复合含能材料中分散性的方法;探究包覆材料与纳米铝粉结合方式对体系性能的影响机理;加强改性纳米铝粉的应用研究。指出未来研究应进一步聚焦于改性纳米铝粉与环境兼容性的探索,以提升纳米铝粉在复杂条件下的应用效果。附参考文献66篇。

压强对纳米铝粉点火和燃烧特性的影响

为了揭示压强对纳米铝(n-Al)粉点火和燃烧特性的影响,利用高压燃烧实验台对n-Al粉堆进行了0.1~3.5 MPa的激光点火实验研究。采用高速摄像仪、三色测温仪和光谱分析仪同步获取颗粒堆着火、火焰演变、表面辐射温度和特征辐射光谱等信息,分析了n-Al粉堆点火和燃烧特性。结果表明,空气气氛中的n-Al粉堆在1.5 MPa时,燃烧时间最短且最充分,剧烈燃烧阶段占比最大。随着压强的增加,n-Al粉的燃烧火焰强度和特征辐射光谱均增强,三个燃烧阶段时间从常压下的254.03、864.24、922.69 ms分别缩短至1.0 MPa时的118.85、435.69、452.50 ms,总燃烧时间缩短了50.65%。点火延迟时间和燃烧时间均随压强增加呈现非线性曲线的变化趋势,在0.1~1.5 MPa范围内,提高空气压强可以减小n-Al粉的燃烧时间,增大火焰锋面,提升最高燃烧火焰温度,促进气相燃烧。但过高的压强(1.5~2.5 MPa)会阻碍n-Al粉点火及火焰发展,减小剧烈燃烧阶段占比进而增大燃烧时间,引起中压熄火现象。

硝酸四氨合铜对n-Al/MoO_(3)纳米铝热体系反应特性的影响

为了提高n-Al/MoO_(3)纳米铝热体系的增压能力,改善能量释放性能,合成了高能产气组分硝酸四氨合铜(TACN),并将TACN复合入n-Al/MoO_(3)体系中。利用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)技术研究了复合材料的形貌和微观结构。采用差示扫描量热仪-热重分析(DSC-TG)联用技术探讨了各体系的热反应路径。使用高速摄像机和密闭爆发器分析了纳米铝热体系的火焰增长与传播和压力输出特性,评估了TACN的加入对n-Al/MoO_(3)体系的能量释放速率和增压性能的影响。研究结果表明:n-Al/MoO_(3)体系中加入的TACN能够在铝热反应的温度前放热分解,有效活化纳米铝与金属氧化物间的界面,从而降低体系的初始反应峰温度。此外,TACN的加入显著增强了n-Al/MoO_(3)体系的能量释放和压力输出性能。当TACN的质量分数为6%时,n-Al/MoO_(3)体系的火焰增长速率和火焰传播速率分别增加了32%和30%,峰值压力和增压速率分别提高了26%和70%。综上所述,TACN可提升n-Al/MoO_(3)纳米铝热体系的压力输出,并调控体系的能量释放性能。

聚合物对微/纳米铝粉表面包覆改性的研究进展

介绍了聚合物对微/纳米铝粉表面改性的四种包覆机理,分析认为化学键作用机理、吸附层媒介作用机理相对于库仑静电引力作用机理、过饱和度机理具有作用力强、包覆性好的优点。分析并比较了聚合物包覆微/纳米铝粉常用的几种聚合方法的优缺点及适应性,为后续开展研究工作提供了有益的选择依据。综述了几种常用聚合物包覆微/纳米铝粉的研究进展,指出含能聚合物包覆微/纳米铝粉在固体推进剂中的应用具有广阔的前景。

纳米铝粉/石蜡复合相变储能材料的性能研究

针对石蜡作为固-液相变储能材料存在导热系数小、传热性能差的缺点,采用两步法制备了分散性较好的纳米铝粉/石蜡复合相变材料,并对其热物性能进行了实验研究。研究表明,纳米铝粉的加入有效地提高了石蜡相变储能材料的导热系数,而对相变潜热和相变温度影响不大。

纳米铝粉的活性分析及寿命预测

采用气体容量法测试了不同铝粉的活性,结果表明,球形纳米铝粉的活性为76.1%,片状普通铝粉的活性为43.0%,铝粉颗粒尺寸对活性有显著影响。采用加速老化试验和Berthlot方法对纳米铝粉进行了寿命预测,以铝粉活性变化10%、20%和30%作为失效判据,预测25℃下纳米铝粉的贮存寿命分别为4.73、9.77和14.80年。

纳米铝粉对少烟NEPE推进剂燃烧性能的影响

采用激光粒度分析、扫描电镜、热重分析、高速摄像和元素分析等方法，研究了纳米铝粉和微米铝粉对少烟NEPE推进剂燃烧性能的影响。结果表明，纳米铝粉与微米铝粉相比，具有粒径小、反应活性高、点火能低、对燃面的热反馈强等特点，相应地使少烟NEPE推进剂在1～20 MPa下的燃速提高了50．7％～95．0％，同时推进剂在1～10 MPa范围内的压强指数由0．57提高到0．68，10～20 MPa范围内的压强指数由0．75降至0．49，纳米铝粉的有效铝含量（77．72％）低于微米铝粉的值（98．72％），但由于纳米铝粉的反应活性高，使得含纳米铝粉与含微米铝粉的推进剂的爆热相当。

全氟十四酸包覆纳米铝粉的制备及点火燃烧性能

在氮气气氛下,采用全氟十四酸(FS)对纳米铝粉(nmAl)进行了表面包覆,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外(FT-IR)光谱对其形貌和结构进行了表征。用激光点火装置和低压火药燃烧测试装置对表面处理前后纳米铝粉的点火燃烧性能进行了研究。结果表明,全氟十四酸包覆的纳米铝粉(nmAl/FS),其分散性提高,颗粒分布更均匀;全氟十四酸羧基中的两个氧原子与纳米铝粉表面的Al原子以桥接的方式相结合;与未处理的纳米铝粉相比,在激光热流密度较低时,nmAl/FS的点火延迟时间短;在激光点火燃烧过程中,nmAl/FS的燃烧反应较剧烈,火焰亮度高,在低压火药燃烧测试装置中燃烧时,其燃烧火焰更集中,火焰亮度更高,燃烧更充分。

纳米铝粉在固体推进剂中的应用进展

介绍金属纳米铝粉的制备方法 ,综述了用于固体推进剂的纳米铝粉的突出效应 ,例如燃烧完全、提高推进剂燃烧速率、降低压强指数等 ,阐述其在固体推进剂中可能的作用机理 ,分析应用中存在的问题 ,并提出了可行的解决措施。

纳米铝粉在高能固体推进剂中的应用

用纳米铝粉替代3%(质量分数)的微米级铝粉,获得均匀一致的高能固体推进剂药块。研究了纳米铝粉对药块的安全、力学、燃烧和能量性能的影响。结果表明,含纳米铝粉的药块内部结合更紧密,密度与原高能推进剂配方的相同,安全性能和力学性能相差不大。在PET黏合剂体系中加入纳米铝粉能有效提高体系的动、静态燃速,降低燃速压强指数,但未改变其能量性能。

纳米铝粉在复合推进剂中的应用

考察了不同类型纳米铝粉的能量性能及热氧化特性。结果表明,纳米铝粉的活性铝含量低于普通铝粉,随活性铝含量的降低,纳米铝粉的燃烧热值降低;纳米铝粉呈现出与普通铝粉截然不同的热氧化特性。同时,研究了纳米铝粉对复合推进剂的燃烧性能与能量性能的影响,结果表明,纳米铝粉可提高推进剂的燃速和降低压强指数,有利于改善推进剂的燃烧性能,但纳米铝粉的低活性铝含量导致推进剂的爆热值降低。

不同类型微/纳米铝粉点火燃烧特性研究

微/纳米铝粉在火炸药领域具有广泛的应用前景,为揭示其在推进剂中的燃烧机理,利用CO2激光点火装置对不同类型微/纳米铝粉点火燃烧性能进行了实验研究。研究结果表明:微/纳米铝粉配比中纳米铝粉含量越高,点火燃烧性能越好;80 nm铝粉的点火延迟时间稍大于120 nm铝粉,分析是由于活性铝含量降低其熔化所产生的内外压差变小所致。同时分析了微米铝粉与纳米铝粉的点火燃烧机理:经纳米镍粒子表面改性后微米铝粉点火燃烧性能有所改善,此时纳米镍粒子作为氧的载体;利用有机物包覆改性纳米铝粉,点火延迟时间增加,但结合其防止纳米铝粉氧化及自身能量性能两方面,采用含能聚合物包覆改性纳米铝粉仍具有很好的应用价值。

含纳米铝粉的纳米NC纤维的制备

为了克服纳米铝粉在推进剂使用过程中分散不均匀的问题,采用静电纺丝技术制备了材料表面光滑、直径均匀、且纳米铝粉分散均匀的纳米NC纤维。用扫描电镜研究了含水率、溶液浓度、电压和挤出速率对纤维形态和直径的影响,得到静电纺丝最佳工艺条件：含水率为10%-15%,NC纺丝液质量分数5%-10%,电压25-30 kV,挤出速率0.5-4 mL/h。在此工艺条件下,制备出含纳米铝粉的纳米硝化棉纤维,显示纳米铝粉均匀地分散在硝化棉纤维中。

纳米铝粉及纳米铝粉/煤油凝胶体系能量性能研究

测定了各单组分及纳米铝粉/煤油凝胶体系的燃烧热,表征了纳米铝粉及纳米铝粉/煤油凝胶体系的能量性能。实验结果表明,随着纳米铝粉含量的增加,纳米铝粉/煤油凝胶体系的质量恒容燃烧热呈降低趋势,这是由于煤油的燃烧热值较高,铝粉的燃烧热值较低所致;而各纳米铝粉/煤油凝胶体系的密度随纳米铝粉含量的增加呈升高趋势,体系的体积燃烧热也随纳米铝粉含量增加而升高。

纳米铝粉的活性评价方法研究进展

综述了纳米铝粉活性的2类评价方法:单质铝含量法和热分析参数法。单质铝含量的测定方法主要有气体容量法、氧化还原滴定法、热重分析法和透射电镜分析法,其中氧化还原滴定法又可分为重铬酸钾滴定法、水溶剂高锰酸钾滴定法、非水溶剂高锰酸钾滴定法及硫酸高铈法。基于热分析参数的活性评价方法主要采用:氧化起始温度、最大氧化速率、一定温度范围内铝粉的氧化程度及单位质量铝粉的热效应这4个参数对纳米铝粉的活性进行综合评价。分析了各自的优缺点,并在此基础上提出了对不同纳米铝粉的不同活性表征方法。

纳米铝粉微胶囊的制备及表征

以苯乙烯为聚合单体,无水乙醇为反应介质,在无氧、无水的条件下进行了纳米铝粉的包裹聚合反应,成功地制备出了粒径为2μm左右,且分布较均匀的球形纳米铝粉微胶囊,并运用SEM、TEM、FTIR、XRD、XPS等测试手段对纳米铝粉微胶囊进行了结构表征。

纳米铝粉氧化反应特性研究进展

纳米铝粉具有高的表面活性,在不同氧化剂中表现出不同的热反应性能,有必要对纳米铝粉在氧化剂中氧化反应特性作深入研究。详细综述了纳米铝粉在空气中的氧化反应特性,主要内容包括纳米铝粉室温Caberra-Mott氧化失活机理,纳米铝粉动态氧化过程3个阶段,纳米铝粉由相变和内外压差引起壳层破裂的点火燃烧机理;分析并比较了纳米铝粉动态氧化与点火燃烧之间的区别;讨论了纳米铝粉在水中低温与高温下的氧化反应特性,纳米铝粉在其他氧化剂中的氧化反应特性;指出纳米铝粉在不同氧化剂中氧化反应特性的研究方向;分析认为该研究不仅为纳米铝粉活性保护提供依据,而且对纳米铝粉在推进剂及炸药中的应用研究具有理论指导意义。

纳米铝粉粒径对活性量及氧化层厚度的影响

采用TEM、ESEM及元素分析对25-600 nm的铝粉进行了表征,用FastStone软件对TEM照片进行了处理,提出了纳米铝粉氧化层厚度计算公式,结合实验条件,分析了该公式的合理性与通用性。结果表明,纳米铝粉的氧化层厚度存在一个下限值,当铝粉粒径不小于70 nm时,铝粉的氧化层厚度与粒径呈二项指数增加关系。

纳米铝粉热反应特性的TG-DSC研究

采用TG-DSC法对平均粒径85 nm的纳米铝粉进行了热反应特性研究,并与微米铝粉进行了对比。结果表明,铝粉热反应特性的尺度效应明显,纳米铝粉在517℃附近出现明显增重,500～660℃氧化增重20.4%,放热约4 909 J/g,而微米铝粉在600℃左右才有少量的增重,粒径越大,氧化增重越小,4～6、9～10、16～20μm对应的氧化增重分别为2.02%、1.03%、0.89%;升温速率对纳米铝粉初始氧化阶段的氧化增重影响不大,Δm=22.8%～24.7%,初始氧化反应热为(4 850±350)J/g;但对纳米铝粉氧化速率的影响显著,随着升温速率的加快,初始氧化区间明显变窄,初始氧化速率明显加快,DSC初始氧化峰所对应的起始反应温度和峰值温度差(Tp-Ton)从5 K/min的40 K和10 K/min的33 K缩短为15K/min的2.2 K和20 K/min的4.3 K,最大氧化速率vox从5 K/min的0.019 mg/s增加为20 K/min的0.55 mg/s。

国内外纳米铝粉表面包覆改性研究进展

纳米铝粉表面包覆改性对防止其氧化失活具有非常重要的作用。概括了纳米铝粉表面改性的4种包覆机理,从原位包覆及表面钝化处理后包覆2方面详细综述了国外纳米铝粉表面包覆改性的研究最新进展,比较了原位包覆与表面钝化处理后包覆的异同点,分析了国内纳米铝粉表面包覆改性研究所取得的成果,指出了目前纳米铝粉表面包覆改性所存在的问题及未来的发展方向。