中國粉體網(wǎng)訊 20世紀(jì)五六十年代，隨著火箭技術(shù)的發(fā)展，人們注意到金屬鋁作為一種推進(jìn)劑添加組份可有效提升推進(jìn)劑的點(diǎn)火性能和燃燒性能，鋁粉作為一種含能材料開始受到廣泛的重視。
圖片來源：中國航天文化
鋁粉具有粒徑小、比表面積大、表面能高等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于鋁熱劑、推進(jìn)劑和煙火藥等配方中。伴隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米鋁粉展示出比傳統(tǒng)鋁粉更為優(yōu)異的性能，成為比較活躍的研究熱點(diǎn)。
為什么鋁粉要進(jìn)行表面包覆？
在粉末的存儲(chǔ)、運(yùn)輸及加工過程中，往往希望納米鋁粉展現(xiàn)低的活性，受外界環(huán)境因素(溫度、濕度等)的影響小，使產(chǎn)品在較長時(shí)間內(nèi)性能穩(wěn)定，但是鋁作為一種活潑金屬材料，極易與空氣中氧氣、水等反應(yīng)，生成一層氧化鋁薄膜覆蓋在納米鋁粉表面，影響納米鋁粉的釋能效果，同時(shí)，納米鋁粉表面容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，阻礙其在體系中的分散和均化，因此國內(nèi)外學(xué)者采取納米鋁粉表面包覆改性的方法試圖去改善這些不足，以期在含能材料領(lǐng)域取得較滿意的效果。
納米鋁粉表面包覆技術(shù)分析
目前，納米鋁粉表面包覆主要采取表面鈍化后包覆和原位包覆的方式。
1納米鋁粉的表面鈍化后包覆
納米鋁粉的鈍化處理過程可用Young-SoonKwon的雙電層模型來描述，如圖1所示。
圖1 空氣中鈍化期間帶電鋁粒子及中性鋁粒子氧化示意圖
鈍化機(jī)理：由于誘導(dǎo)偶極/偶極強(qiáng)烈相互作用，未鈍化的帶電粒子保留在分散介質(zhì)(Ar)中。未帶電的粒子通過擴(kuò)散與Ar相互作用，電子從金屬表面通過氧化層傳輸?shù)窖趸瘎�，同時(shí)氧化劑(質(zhì)子H+)本身通過金屬-氧化物界面?zhèn)鬏敗Ｕ姾闪Ｗ臃e累成靜電場，足以中止氧化還原過程。負(fù)電荷在得到完全補(bǔ)償前氧化還原過程得到加強(qiáng)，為了穩(wěn)定電場，額外的金屬將發(fā)生氧化，這樣能壘的作用將使納米鋁粉趨于穩(wěn)定，增強(qiáng)了納米鋁粉的抗氧化性能。
王建軍等采用高頻感應(yīng)線圈加熱，以蒸發(fā)-冷凝法制備了納米鋁粉，用空氣進(jìn)行表面鈍化處理，得到有鈍化層保護(hù)的納米鋁粉。經(jīng)過鈍化處理的納米鋁粉粒徑范圍為15~60nm，納米鋁粉表面包覆了3~5nm厚的氧化鋁膜，形成明顯的核/殼結(jié)構(gòu)，提高了納米鋁粉的抗氧化能力。
鈍化意義：納米鋁粉的鈍化處理提高了納米鋁粉的抗氧化能力，但這層殼層對納米鋁粉的能量釋放毫無貢獻(xiàn)，需要綜合考慮納米鋁粉的制備方法，以及粒子表面包覆殼層的種類、結(jié)構(gòu)、厚度等，在此基礎(chǔ)上再解決活性控制和抗氧化性能才顯得有意義。
2 納米鋁粉的原位包覆
2.1電爆炸法
電爆炸法是指在鋁絲上施加一個(gè)能量密度為1.0×(106～109)A/cm2的脈沖電流，使鋁絲瞬間加熱融化，以爆炸的形式汽化，產(chǎn)物在惰性氣氛中分散并冷卻形成納米鋁粒子。電爆炸法原位包覆主要考慮以下3方面問題:（1）保證納米鋁粉活性鋁含量達(dá)到微米級活性程度(95%～98%)；（2）高含量納米鋁粉會(huì)顯著提高推進(jìn)劑黏度，選用合適的包覆材料，使之與推進(jìn)劑中的黏合劑具有較好的兼容性；（3）包覆改性后在防止納米鋁粉氧化失活的同時(shí)，對推進(jìn)劑的燃燒性能應(yīng)具有一定促進(jìn)作用。表1是對納米鋁粉表面改性常用包覆材料的總結(jié)。
表1 以電爆炸法進(jìn)行納米鋁粉表面原位包覆的常用材料
2.2 濕化學(xué)法
濕化學(xué)法是用叔胺氫化鋁在異丙醇鈦催化劑作用下分解形成納米鋁粉，催化劑加入后溶液呈黑褐色，在轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏倪^程中加入包覆物，可防止納米鋁粉團(tuán)聚在容器壁表面，最終形成表面包覆的納米鋁粉復(fù)合粒子。
該法具有在液體中處理活性鋁粉的固有安全性，同時(shí)叔胺氫化鋁的分解速度與有機(jī)包覆物的引入時(shí)間對鋁粉的形成及復(fù)合粒子的形貌有非常重要的影響，且不同的有機(jī)物也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。綜上，殼層包覆物除在納米鋁粉表面形成包覆層外，在整個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程中還起著非常重要的作用，且不同的有機(jī)包覆物所產(chǎn)生的作用不同，分析其各自的作用機(jī)理是未來研究的重點(diǎn)。
2.3 其他方法
其他納米鋁粉原位包覆技術(shù)包括機(jī)械粉碎法、輻射加熱法、激光加熱法、電弧放電法、等離子體加熱法、化學(xué)氣相沉積法和固相化學(xué)法等。
3 原位包覆與先鈍化后包覆的比較
從原理上講，原位包覆相對于鈍化處理后包覆表層無Al2O3，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有無氧化物形成與納米鋁粉的制備方法無關(guān)，在納米鋁粉表面都會(huì)形成Al2O3氧化物殼層，可能是有機(jī)物中氧原子與鋁發(fā)生化學(xué)作用所致，其具體形成原理有待進(jìn)一步研究。
原位包覆相對于鈍化處理后包覆工藝流程縮短，即在制備的同時(shí)進(jìn)行了表面包覆處理，但設(shè)備及技術(shù)要求較高，目前已對常見有機(jī)化合物、聚合物及無機(jī)物碳進(jìn)行了研究，取得了一定的成果，但仍存在以下問題：(1)復(fù)合粒子中活性鋁含量較低，應(yīng)用于推進(jìn)劑及炸藥等領(lǐng)域能量性能升高不明顯；(2)對納米鋁粉表面包覆改性過程中殼層物質(zhì)的厚度控制及包覆速率尚缺乏深入研究。
從本質(zhì)上講，表面鈍化處理后包覆納米鋁粉其實(shí)是對Al2O3的包覆，該方法所得粒子相對于原位包覆可理解為雙層包覆的復(fù)合粒子，即內(nèi)層為氧化物，外層為包覆物質(zhì)。由于納米鋁粉經(jīng)過鈍化處理，因而在后續(xù)的包覆過程中對環(huán)境要求較低，可在空氣中實(shí)施，這是因?yàn)楸韺?span style="text-align: justify;">Al2O3可以在一定時(shí)間內(nèi)有效阻止芯部活性鋁與外界氧的接觸。但是，超過這段時(shí)間后，氧原子會(huì)逐層滲入鋁粉芯部繼續(xù)發(fā)生氧化失活，這也是要對鈍化處理的納米鋁粉進(jìn)一步表面包覆改性的原因。
目前，表面鈍化后包覆處理已有較多研究，但與原位包覆存在相同的問題，即包覆處理后活性鋁粉含量相對較低，降低了其潛在應(yīng)用價(jià)值；所選的包覆物基本為惰性不含能物質(zhì)(含能物質(zhì)指可自身發(fā)生激烈氧化還原反應(yīng)且釋放大量能量、氣體和熱的材料)，且包覆處理后防止氧化的時(shí)間也有一定限度，之后仍然會(huì)緩慢失活。因此，選擇含能化合物及合理的方法是納米鋁粉鈍化處理后表面包覆今后研究的重點(diǎn)。
小結(jié)
納米鋁粉表面進(jìn)行包覆改性后，其性能有了較大改變，擴(kuò)寬了其應(yīng)用領(lǐng)域。以上對納米鋁粉表面包覆改性技術(shù)進(jìn)行綜述，以期為未來納米鋁粉的發(fā)展提供參考。
參考文獻(xiàn)：
【1】于倩倩，等.納米鋁粉表面包覆及活性鋁分析研究.當(dāng)代化工.2020.
【2】王建軍，等.表面鈍化納米鋁粉的制備及氧化機(jī)理分析.表面技術(shù).2007.
【3】劉勇，等.含能鋁粉表面改性技術(shù)研究進(jìn)展.含能材料.2020.
【4】李鑫，等.國內(nèi)外納米鋁粉表面包覆改性研究進(jìn)展.材料保護(hù).2013.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)請告知?jiǎng)h除！
