纳米铝热剂的制备及老化研究进展

纳米铝热剂含能材料因其比表面积大、体积能量密度高、高反应速率等特点,在各领域中得到广泛应用。为了使纳米铝热剂组分之间混合均匀以及性能改变,产生了多种形式的制备方法。随着纳米铝热剂的应用多样化,它在长期储存过程中的贮存性能有待进一步观察,防止其在环境或其他应力条件下失效或者意外发火。因此,开展对纳米铝热剂的制备方法以及在存储过程中的老化性能研究非常有必要。本文综述了纳米铝热剂的制备方法和老化研究,并总结了制备方法的优缺点和老化研究的方法、性能评估、机理研究和抑制措施,以期望对纳米铝热剂的应用具有借鉴意义,并在此基础上进一步优化纳米铝热剂的制备方法、老化研究。

Al/Fe_(2)O_(3)铝热剂粉尘着火敏感性

为明确铝热剂反应的着火特性,利用最低着火温度(minimum ignition temperature,MIT)和最小点火能(minimum ignition energy,MIE)测试装置,结合TG-DSC方法对4种Al粉与Fe_(2)O_(3)质量比为1∶4,1∶3,1∶2,1∶1的层状和云状Al/Fe_(2)O_(3)铝热剂进行了着火敏感性研究.结果表明,4种配比试样的粉尘层、粉尘云MIT均超出相关标准常规测试范围,在空气中质量比为1∶3铝热剂的反应触发温度为888℃,活化能为248.49 kJ/mol,说明铝热反应不容易触发;相同质量比的Al/Fe_(2)O_(3)粉尘云的MIE远高于粉尘层,层状MIE最低值为0.7 J,着火敏感性较强,这是因为Fe_(2)O_(3)在粉尘云状态的反应中充当惰化剂,而在粉尘层状态反应中为反应提供了活性氧自由基.

多组分铝热剂神经网络预测研究

近年来各种添加剂开始用于改良铝热剂的性能,包括金属粉无机物及有机物等,这些物质的加入使其性能的预测变得困难。针对这些困难,本文采取纯数据驱动方式,使用BP神经网络进行预测。BP神经网络是一种强大的非线性建模工具,利用BP神经网络对不同配比的复合铝热剂进行反应温度的预测研究。通过将铝粉,三氧化二铁,二氧化硅,硝酸钾以不同用量进行了81次实验,将各组分含量作为BP神经网络输入,对应的温度时间图像作为BP神经网络的输出,对模型进行训练与评估,旨在通过已知反应物配比的性能来预测未知配比的性能。该模型平均绝对误差(MAE)为212.5℃,这个误差在可接受的范围内,表明该方法对工程实践有一定的参考价值。

铝热剂应用研究进展

为深入理解铝热剂的应用情况,首先回顾了其发展历程,以实际应用问题为导向,对铝热剂在微含能器件(如微点火器和微推进器)、含能药剂(如烟火药、推进剂及其添加剂、起爆药和炸药添加剂)、材料制备(包括材料制备与合成、材料焊接)及其他领域(如安全装置、微生物灭杀、金属热切割和油井封堵)的应用研究进行了综述,并探讨了铝热剂应用中的安全性问题(包括感度和毒性问题);总结了当前铝热剂应用研究存在的不足,如性能优异的铝热剂种类较为单一、对新应用场景开拓不足、对铝热剂的安全性研究不够深入等问题。最后对铝热剂应用研究未来的研究方向和发展趋势进行了展望,认为未来应朝着开发新型铝热剂、拓展新的应用领域以及深入研究铝热剂应用安全性等方向发展。附参考文献124篇。

核壳结构Al/B/Fe_(2)O_(3)铝热剂的制备及点火性能研究

铝热剂,是一类富有前景的复合含能材料。其组分为由金属铝和金属氧化物或非金属氧化物经复合处理得到的金属基反应体系。为提升铝热剂的点火性能,通过表面功能化技术制备Al/B复合物,纳米铝粉与氧化剂提前反应,释放大量热量,为B粒子发火提供能量,同时作为第二能源提升所制得的核壳式铝热剂的反应速率和反应活性。基于此,采用乳液溶剂挥发法制备Al/B/Fe_(2)O_(3)核壳式铝热剂。对样品的形貌和结构进行表征,此外,对铝热剂进行点火性能测试与点火模拟实验。结果表明:组分配比为Fe_(2)O_(3)占比65%、粘合剂5%、Al/B复合物占比30%的铝热剂最小发火能量为389.04 J/g,其燃烧最高温度为950.9℃且能成功引爆废弃生物质基破岩型燃烧剂。

超级铝热剂在固体推进剂中的应用研究进展

超级铝热剂具有高放热和高活性的特点,其反应速率和能量释放效率均显著高于传统铝热剂,应用于固体推进剂有望改善释能速率、效率、感度等指标,已成为固体推进剂的发展方向。总结了超级铝热剂的制备工艺、特点及其工业化应用潜力;论述了超级铝热剂在固体推进剂中的适用性;综述了超级铝热剂的微结构(燃料/氧化剂界面控制、核壳结构、多层膜结构)和组分(金属氧化物、氟材料、碳纳米材料)对固体推进剂燃烧性能和能量释放的影响。超级铝热剂的添加显著提高了热反应活性和放热量,增强了推进剂的点火及燃烧性能,同时存在工业生产成本高、工艺控制要求复杂、燃烧过程精密控制难度大等问题,展望了未来超级铝热剂在固体推进剂中应用的研究重点和发展方向。

聚合物基Al/CuO纳米铝热剂的制备及表征

为研究聚合物基铝热剂的性能,制备了以GAP-ETPE和F2311作为黏结剂的Al/CuO纳米铝热剂。然后利用油墨直写技术(DIW)配制出固含量高达80%的含能油墨GAP/F2311-MICs(GF-MICs),在此基础上加入高氯酸铵(AP),探索AP/GF-MICs模型推进剂的可打印性,并研究了AP含量对于AP/GF-MICs模型推进剂燃烧性能的影响规律;采用FTIR方法测试了混合黏结剂的相容性和稳定性,通过TG-DSC和静态拉伸研究了GF-MICs纳米铝热剂的热性能,并测试了其流变性和聚合物的力学性能。结果表明,GAP-ETPE与F2311质量比为1∶4时,混合黏结剂的相容性、稳定性和力学性能最好;纳米Al/CuO的加入使得F2311和GAP-ETPE的热分解温度分别提前89.0℃和32.9℃;随着模型推进剂中Al/CuO含量的增加,AP高温分解温度最高提前101.58℃,预先点火反应提前29.68℃,放热量提升135%;GF-MICs能够很好地提高模型推进剂的反应活性和燃烧速率,且当模型推进剂中Al/CuO质量分数由10%增至40%时,到达P max时间缩短了71%,平均燃烧速率提升了293%。

球形纳米SiO_(2)的制备及其铝热剂的燃烧性能研究

采用溶胶-凝胶法,通过正交试验优化,制备平均粒径为120nm的球形纳米SiO_(2)。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪、红外光谱仪及全自动比表面及孔隙度分析仪等手段对该纳米SiO_(2)进行了表征。将制得的纳米SiO_(2)与Al粉和纳米MnO_(2)混合,配制成零氧平衡的复合铝热剂,详细测试了该铝热剂的燃烧性能。结果表明:低温有利于颗粒粒径的控制和分散度的调整。溶液的介电常数对颗粒形成有较大影响。正硅酸乙酯和氨水的浓度与SiO_(2)颗粒大小成正比。BET数据表明,纳米SiO_(2)比表面积较大,为微孔和介孔的混合结构。SiO_(2)的粒度大小对铝热剂的燃烧时间与效率有很大影响。随着SiO_(2)粒径的减小,铝热剂的燃烧压力峰值及增压速率得到了显著的提升,这为纳米SiO_(2)在复合铝热剂中的应用提供了参考。

核壳结构nAl@Cu(BTC)/Fe(BTC)纳米铝热剂的制备及燃烧性能

为了解决纳米铝热剂的制备工艺中组分分布不均匀和燃烧效率低等问题,采用层层组装技术将铜‐均苯三甲酸(Cu(BTC))和铁‐均苯三甲酸(Fe(BTC))交替包覆在nAl表面,制备核壳结构nAl@Cu(BTC)/Fe(BTC)纳米铝热剂,并对其结构、形貌、热反应性能(铝热反应温度)和燃烧性能(燃烧时间、点火延迟时间和燃烧温度等)进行研究。结果表明:层层组装技术可以调控包覆层的厚度和形貌,随着包覆层厚度的增加纳米铝热剂从粗糙疏松逐渐变得光滑致密;交替包覆12层Cu(BTC)/Fe(BTC)的纳米铝热剂燃烧剧烈,火焰传播速率较快,在0.710 s内火焰达到最大,具有适中的点火延迟时间(0.509 s)、最短的燃烧时间(2.036 s)和最高的燃烧温度(1425℃),此时,Cu(BTC)和Fe(BTC)的协同作用使其铝氧化反应温度峰值降低到552.5℃和735.0℃。

含聚四氟乙烯铝热剂销毁薄壁弹药的试验研究

为了满足在特殊环境和特殊要求下对废弃弹药的销毁工作。根据理论计算和大量相关试验研究合理设计了一种烟火药的配方,最终得到了一种含化学腐蚀性的铝热剂配方。该配方以Al+Fe_(2)O_(3)为主反应体系,CuO为产气剂,并添加少量聚四氟乙烯为粘结剂组成一种新型铝热剂。为了便于使用和操作,将铝热剂装入一种耐高温耐腐蚀的燃烧炬中,组成一种高效的切割装置。该切割装置不仅轻型便携、易于操作,而且无需外界提供能源,通过试验证明用设计的切割装置在装药量200 g时能熔穿10 mm的模拟弹。因此该装置可以广泛地用于特殊环境和特殊要求下对废弃弹药的销毁,极大地提升了废弃弹药销毁的效率和安全性。

纳米多孔CuO对硼基铝热剂药线燃烧性能的影响

为研究多孔Cu O对B/Cu O药线燃烧性能的影响,选用多孔、立方和针状Cu O分别与无定型硼进行微观复合,借助微笔直写技术制得相应配方的药线。使用流变仪对油墨的动态粘度进行测试,通过高速摄影技术测试药线的线性燃速,并采用扫描电镜、X射线衍射装置对固体反应物、产物进行测试。结果表明:借助微笔直写技术制得的B/Cu O药线中各组分分布均匀、燃烧性能稳定;多孔Cu O的加入最高可将B/Cu O药线的燃烧速度提升300%,氧化物形貌的改变并不会改变B/Cu O的反应进程,多孔Cu O的加入提高了药线反应过程中的热对流,从而提升了药线的燃烧性能。

钻具熔切用铝热剂及其喷射机构研制

为实现管柱的快速解卡,采用铝热药剂燃烧产生的高能火焰经特殊的喷射机构引流后,对遇卡管柱实施快速环向熔融,是深井管柱遇卡故障高效快速处置的重要手段之一。文章结合大量地面金属板熔融穿透烧蚀测试,研发了适用于管柱熔融切割作业的专用铝热药剂,同时根据喷射火焰特征,研制了可对火焰实现径向引流作用的喷射机构,并开展了实验测试。实验结果表明:专用铝热药剂对金属板具有较强的烧蚀穿透能力,采用直径38 mm、高90 mm的铝热剂药柱在5 s内实现了厚度12 mm金属板的有效熔融穿透。喷射机构对轴向高速火焰经过流孔加速和引流面径向转向后,可完成对管柱的360°环向全覆盖,保证了管柱环向熔融切割的顺利实施。该研究为高温熔融井下钻具内切割工具的研制提供了重要技术支撑,为遇卡管柱高效快速切割技术的形成奠定了关键基础。

多组元铝热剂的反应特性

采用热分析法对多组元铝热剂Fe2O3－CrO3－NiO－Al的反应行为进行了研究．结果发现，CrO3的分解、气化、挥发等热特性强烈影响铝热剂反应行为和反应产物的成分．

超级铝热剂的制备、表征及其燃烧催化作用

用纳米铝粉和纳米氧化铅、纳米氧化铜和纳米三氧化二铋为原料,采用超声分散复合的方法,制备了纳米超级铝热剂Al/PbO、Al/CuO和Al/Bi2O3。采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜及能谱分析(SEM-EDS)和红外光谱(IR)对原料和产物的物相、组成、形貌和结构进行分析表征;运用差示扫描量热仪(DSC)评估三种超级铝热剂与双基推进剂主要组分的相容性;研究了3种超级铝热剂对双基推进剂燃烧性能的影响。结果表明,Al/PbO、Al/CuO和Al/Bi2O3与推进剂主要组分硝化棉(NC)、硝化棉/硝化甘油(NC/NG)混合物和吉纳(DINA)的相容性均良好,而与黑索今(RDX)和1,3-二甲基-1,3-二苯基脲(C2)相对较为敏感;含三种纳米超级铝热剂的双基推进剂表现出优异的燃烧性能。

纳米铝热剂的研究进展

介绍了物理混合、溶胶凝胶、物理气相沉积、自组装和反应抑制球磨法5种制备纳米铝热剂的方法及不同方法制得的纳米铝热剂的燃烧性能,分析了纳米铝热剂在制备、表征以及应用中存在的问题,提出了纳米铝热剂未来的研究重点,即纳米铝热剂的制备新方法研究、燃烧传播机理和有机含能材料与纳米铝热剂的复合等。附参考文献65篇。

超级铝热剂的制备及其与双基系推进剂组分的相容性

以纳米铝粉、纳米氧化铅和纳米三氧化二铋为原料,利用超声分散复合法制备了超级铝热剂Al/PbO和Al/Bi2O3。采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电镜及能谱分析(SEM-EDS)和红外光谱(FT-IR)对原料和产物的物相、组成、形貌和结构进行分析表征;利用真空安定性实验仪(VST)和差示扫描量热仪(DSC)研究了两种超级铝热剂与硝化棉(NC)、吸收药(NC+NG)、黑索今(RDX)、吉纳(DINA)和二号中定剂(C2)五种双基系推进剂主要组分的混合体系的相容性。结果表明,VST法和DSC法实验一致判断纳米超级铝热剂与双基系推进剂主要组分NC,NC+NG和DINA有较好的相容性;而Al/PbO和Al/Bi2O3分别与RDX和C2组成的混合物体系则有不同的分析结果,VST法判断为相容,而DSC法却认为体系敏感,分析了不同方法得出不同结论的原因。

超级铝热剂Al/CuO前驱体的制备、表征、热分解机理及非等温分解反应动力学

以硝酸铜、无水乙醇、1,2-环氧丙烷和纳米铝粉为原料,在超声振荡条件下,采用溶胶-凝胶法制备了纳米复合含能材料——超级铝热剂Al/CuO的前驱体.利用热重-差示扫描量热-傅里叶变换红外-质谱(TG-DSC-FTIR-MS)联用技术,研究了纳米Al/CuO溶胶-凝胶前驱体的热行为和分解过程及机理.利用不同升温速率下的TG-DTG分析,研究了纳米超级铝热剂Al/CuO的溶胶-凝胶前驱体的热分解反应机理,采用了6种动力学分析方法进行动力学参数计算,得到前驱体分解反应的表观活化能、反应级数、频率因子等动力学参数,纳米Al/CuO前驱体分解反应的动力学方程为:dα/dt=1014.0×4α3/4exp(-2.0×104/T).

铝热剂法原位合成农机刀具Al_2O_3-Ti(C,N)复合涂层组织结构及性能

为了提高旋耕刀、犁铧等农机触土刀具表面强度,以铝热剂的放热反应提供内在热源、等离子弧作为外在热源,采用反应等离子熔覆技术在Q235钢表面原位合成了Al_2O_3-Ti(C,N)复合材料涂层。利用扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪、显微硬度计、金相显微镜等对复合涂层的微观结构及强质硬化相的成分、组织及性能进行了分析。结果表明:涂层与基体呈冶金结合,涂层主要由网状、嵌套、球状等3种结构组成,硬质相Al_2O_3、Ti(C,N)与粘结相Fe-Ni之间相互包裹、互相嵌套,构形成空间网状骨架结构;涂层硬度最高可达HV_(0.5)2160,平均硬度HV_(0.5)1870,约为基体Q235钢的7.7倍;涂层摩擦系数约为0.372,其磨损量约为65Mn钢及Q235钢的1/7和1/17,与基体相比,复合涂层具有较高的硬度和较好的摩擦磨损性能,可以为农机材料表面强化提供参考。

2Al/Fe_2O_3铝热剂的点火温度

为确定2Al/Fe2O3铝热剂的点火温度,对铝粉重量、电阻和形貌随温度变化的特性进行了实验观测,用均匀体系热爆炸理论计算了铝热剂球的临界点火温度并通过实验检验。结果表明,对于粒径约30μm的铝热剂,温度超过铝的熔点(933K)时铝粉氧化膜胀裂,流出的铝液铺展到邻近的氧化铁粉表面;点火温度约1600K,低于氧化铁分解点(1730K),点火前化学反应为液-固相型;点火温度与铝热剂球的体积无明显关系,均匀体系热爆炸理论不适用。

超级铝热剂对双基推进剂燃烧性能的影响

为了考察超级铝热剂对双基推进剂燃烧性能的催化效果,采用超声分散复合法制备了铝热剂Al/PbO、Al/CuO和Al/Bi2O3,利用螺压工艺制备了含超级铝热剂的推进剂样品,研究了超级铝热剂对双基推进剂燃烧性能的影响。结果表明,超级铝热剂对双基推进剂的燃烧具有良好的催化作用,能显著提高双基推进剂的燃速,但对推进剂压力指数的改善并不明显;纳米级超级铝热剂的改善效果明显优于微米级超级铝热剂;超级铝热剂对双基推进剂催化作用的大小顺序为Al/PbO>Al/Bi2O3>Al/CuO。