铝-氟聚物含能亚稳态复合材料研究进展

21世纪早期,凭借优异的放热特性,纳米金属粉与氧化物、碘化物、氟化物等氧化剂混合制备得到的具有精细结构的双组分或多组分含能亚稳态复合材料逐渐步入人们的视野,其被广泛应用于炸药、推进剂、反应碎片等军事领域。纳米铝粉具有高反应活性和出色的燃烧性能,是制备含能亚稳态复合材料的优先选择。但同时,纳米铝粉也因其高比表面积,易被氧化而形成致密的表面钝化层,这一氧化层的存在是阻碍其性能充分发挥的“屏障”。而将氟聚物引入纳米铝粉体系恰恰可以利用这层氧化层,来开启含能亚稳态复合材料研究的新大门。铝-氟聚物含能亚稳态复合材料的放热和燃烧性能是评价其实际应用可行性的关键技术指标,影响这些性能的主要宏观因素包括制备方法及过程中用的配比和其他改良剂的加入等。目前新兴的几种方法有:原位气相沉积聚合法,利用原位聚合和气相沉积原理可以得到包覆均匀的核壳结构复合材料,但是此方法对过程精度的控制要求高,且存在一定的安全问题;静电喷雾法,基于静电力效应同样可以得到包覆良好的核壳结构粒子,但此方法制备的材料产量极小,工业放大可行性低;机械力活化法,操作简单,单批处理量大,但此方法涉及工艺参数众多,目标材料的最终性能难以定量化;3D打印法,已有工业化实例,且应用广泛,但是其成本昂贵。未来,通过对比分析不同制备方法得到的复合材料的性能差异,可以确定适当的方法来制备满足特定需求的含能亚稳态复合材料。从微观角度来看,预先点火反应的存在可以推动熔融扩散过程,影响含能材料的最终性能,故通过活化铝表面或者改变氟聚物性质可以促进预先点火反应。未来,掌握铝-氟聚物体系完整的反应机理和氟聚物在各个反应阶段起到的作用,可对新材料的合成和应用产生重大意义。本文介绍了几种新兴铝-氟聚物含能材料制备方法的原理及应用范围,同时从氟聚物改性纳米铝粉制备出发,分析了预先点火反应对熔融扩散过程乃至整体性能的影响,并为后续的研究和应用提供参考。

PTFE含量和烧结温度对Al/PTFE复合粒子形貌与燃烧性能的影响

为了探索聚四氟乙烯(PTFE)含量和烧结温度对铝粉(Al)/PTFE复合粒子形貌和燃烧性能的影响规律,采用球磨-烧结工艺,制备了不同配比、不同烧结温度的Al/PTFE复合粒子。用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)对样品进行表征,研究了PTFE含量和烧结温度对复合粒子微观形貌的影响;利用密闭燃烧罐、高速摄像仪及红外热成像仪,对样品的燃烧过程进行分析,探究了PTFE含量和烧结温度对复合粒子燃烧性能的影响。结果表明,340℃烧结能使复合粒子形成规整的核壳结构,PTFE含量小于35%时,粒子包覆完整度随PTFE含量的增大而增大;当PTFE含量继续增加时,复合粒子形状变得不规则,出现颗粒凝聚。随着PTFE含量以及烧结温度的提高,样品的燃速、燃烧剧烈程度、火焰温度等均呈现出先提升再降低的趋势。最优条件(PTFE含量35%,烧结温度340℃)制备的样品较其它条件制备的样品,燃烧压力最高增大16%,燃烧时间最长缩短37%,中心火焰温度提高317.1℃,这表明,适量的(35%最佳)的PTFE含量和合适的烧结温度(340℃最佳)会显著改善复合粒子的燃烧性能。