鋁熱反應(yīng)性材料的冷凍球磨制備及其熱性能.pdf

1、鋁熱反應(yīng)性材料一般是由Al粉與氧化性較強(qiáng)的金屬或非金屬氧化物混合而成，在受到熱或機(jī)械力引發(fā)后能發(fā)生非常劇烈的氧化還原反應(yīng)并放出大量的熱。鋁熱反應(yīng)性材料具有能量密度高、質(zhì)量密度大、力學(xué)敏感度和熱感度低、配方靈活等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防等領(lǐng)域。采用常規(guī)的反應(yīng)抑制球磨技術(shù)制備鋁熱反應(yīng)性材料時(shí)，Al粉的活性低并且與氧化劑的結(jié)合程度較低，導(dǎo)致鋁熱反應(yīng)的起始溫度較高、反應(yīng)速度慢、放熱量低，在實(shí)際應(yīng)用中受限制。本課題旨在利用改進(jìn)的反應(yīng)抑制球磨技

2、術(shù)，即冷凍球磨技術(shù)，制備出反應(yīng)起始溫度更低、反應(yīng)放熱量更大的鋁熱反應(yīng)性材料。
　　 本課題首先利用冷凍球磨技術(shù)在不同的球磨時(shí)間下制備Al/Fe2O3鋁熱反應(yīng)性材料，利用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)等方法研究冷凍球磨過程中Al/Fe2O3混合粉末的組織結(jié)構(gòu)變化、顆粒細(xì)化及分散情況，采用差示掃描量熱法(DSC)研究冷凍球磨產(chǎn)物的熱性能，揭示了冷凍球磨粉末的物相、微觀形貌與熱性能之間的關(guān)系;將上述結(jié)果與常規(guī)的室溫球磨的結(jié)果

3、對比，探索球磨溫度對球磨過程的影響，研究球磨產(chǎn)物的性能差異;最后，對冷凍球磨的樣品進(jìn)行反應(yīng)動力學(xué)研究，分析Al/Fe2O3鋁熱反應(yīng)過程的反應(yīng)機(jī)理。根據(jù)以上研究結(jié)果確定冷凍球磨的最佳時(shí)間，在該時(shí)間下分別進(jìn)行冷凍球磨和室溫球磨，制備Al/MnO2和Al/V2O5兩種鋁熱反應(yīng)性材料，利用XRD、SEM、DSC等手段分析球磨產(chǎn)物的物相、微觀形貌和熱性能，并對冷凍球磨樣品進(jìn)行反應(yīng)動力學(xué)分析，研究各樣品發(fā)生鋁熱反應(yīng)的機(jī)理。
　　 研究結(jié)果表

4、明，隨著冷凍球磨時(shí)間的延長，Al/Fe2O3樣品的晶粒和顆粒尺寸逐漸減小，發(fā)生鋁熱反應(yīng)的起始溫度降低，反應(yīng)放熱量顯著增大，當(dāng)冷凍球磨時(shí)間延長到60min后，樣品在機(jī)械力作用下誘發(fā)自蔓延反應(yīng)。與室溫球磨結(jié)果相比，冷凍球磨能夠大幅提高球磨效率，在更短的時(shí)間內(nèi)得到更細(xì)小的晶粒和分散更均勻的粉體，并且其粉體發(fā)生鋁熱反應(yīng)的起始溫度降低，放熱量顯著提高。對冷凍球磨得到的Al/Fe2O3樣品進(jìn)行反應(yīng)動力學(xué)分析，表明該樣品發(fā)生鋁熱反應(yīng)主要分三步進(jìn)行，F(xiàn)

5、e2O3被逐步還原為Fe3O4、FeO和Fe。
　　 Al/MnO2樣品在冷凍球磨和室溫球磨20min后均未引發(fā)反應(yīng)，但球磨產(chǎn)物的形貌和熱性能有較大差異。室溫球磨樣品呈尺寸不均勻的球狀顆粒，熱分析測試時(shí)反應(yīng)過程簡單，放熱量很小;而冷凍球磨樣品呈粗大的板狀顆粒，在加熱過程中表現(xiàn)出復(fù)雜的MnO2分解過程和鋁熱反應(yīng)過程，通過計(jì)算得到各反應(yīng)的活化能。
　　 Al/V2O5樣品經(jīng)過室溫球磨20min過程中鋁熱反應(yīng)被引發(fā)，產(chǎn)物顆粒粗