核-殼結(jié)構(gòu)納米鋁粉的制備及其活性變化規(guī)律的研究.pdf

1、納米鋁粉是含能材料的一種新型金屬燃燒劑，由于其具有普通鋁粉不具備的特性近年來倍受關(guān)注。納米鋁粉可顯著提高推進(jìn)劑的燃燒速率、比沖，降低其特征信號(hào)等。然而活性喪失的納米鋁粉在含能材料中反而起到相反的作用，因此系統(tǒng)地研究納米鋁粉的活性及其活性保持機(jī)制顯得尤為重要和迫切。 本論文基于激光－感應(yīng)復(fù)合加熱技術(shù)，制備了慢氧化鈍化、碳包覆及推進(jìn)劑有機(jī)組分包覆三類不同核/殼結(jié)構(gòu)的納米鋁粉，采用XRD、SEM、TEM、HRTEM、XPS及FTIR等

2、手段對制備的粉末進(jìn)行表征，采用TG-DSC/DTA及氣體容量法測量粉末的熱學(xué)性能及活性鋁含量，研究了納米鋁粉特征因素及環(huán)境因素對納米鋁粉活性的影響。 氧化鋁鈍化納米鋁粉通過引入小劑量氧氣獲得，是一個(gè)“鈍化-自飽和”的過程。碳包覆納米鋁粉是在甲烷氣氛中制備的，由于碳在鋁中的溶解度較低，甲烷分解的碳原子沉積于鋁粒子表面。有機(jī)物包覆納米鋁粉的形成則通過有機(jī)分子的官能團(tuán)結(jié)合（如粘結(jié)劑HTPB）或吸附沉積于鋁粒子表面（如增塑劑DOS）。表

3、征結(jié)果表明這些納米鋁粉呈球形的核/殼結(jié)構(gòu)，粒徑范圍10-90nm，平均粒徑50nm；粒子的內(nèi)核均為結(jié)晶鋁，而外殼分別為非晶氧化鋁、類洋蔥狀石墨及非晶有機(jī)物，且外殼厚度約3.5nm左右。 三種不同包覆核/殼結(jié)構(gòu)納米鋁粉在鋁熔點(diǎn)(～660℃)之前均出現(xiàn)早期氧化，但碳包覆及有機(jī)物包覆納米鋁粉的早期氧化展現(xiàn)了比氧化鋁鈍化納米鋁粉較低的氧化開始溫度(Ton，約30℃)及氧化峰溫(Tpeak，約20℃)，較高的氧化熱焓(△H)及氧化增重(△

4、m)，這是由于石墨碳層及有機(jī)物層在加熱過程中首先燃燒和熱解，從而較早的觸發(fā)納米鋁粉點(diǎn)火并加速氧化，這表明包覆層類型對納米鋁粉的活性有影響。氧化鋁鈍化納米鋁粉的DTA結(jié)果表明，隨著鋁粒子粒徑從50nm減少到20nm，早期氧化的放熱焓變從3.72 kJ/g減少到0.93 kJ/g，小尺寸粒子活性反而降低與其相對低的活性鋁含量有關(guān)。激光－感應(yīng)復(fù)合加熱方法制備的納米鋁粉的氧化放熱焓變是高頻感應(yīng)方法制備的3倍，這與不同制備方法的蒸發(fā)情況及能量注入

5、方式有關(guān)。因此，納米鋁粉特征因素對其活性的影響是多方面的。 為了評價(jià)不同包覆層對納米鋁粉活性的保持能力，研究了環(huán)境因素（濕度、溫度及時(shí)間）對不同包覆納米鋁粉活性的影響。結(jié)果表明，氧化鋁鈍化納米鋁粉對濕度極為敏感，其水解產(chǎn)物是Al(OH)3；碳包覆納米鋁粉由于包覆不均勻在一定程度上仍受濕度的影響，而有機(jī)物包覆則由于有機(jī)物的疏水特性使其活性較少受濕度影響。 氧化鋁鈍化納米鋁粉在300℃之前基本可以穩(wěn)定存在，說明了致密的非晶氧化

6、鋁鈍化層在低溫階段具有一定的抗氧化能力；在400℃之前，由于石墨碳?xì)ご嬖谌紵袡C(jī)物存在熱解，外殼對納米鋁粉活性的保持能力隨著溫度的升高而下降，表明碳包覆納米鋁粉與有機(jī)物包覆納米鋁粉受溫度的影響很大。隨儲(chǔ)存時(shí)間的延長，氧化鋁鈍化納米鋁粉活性下降，開始階段的氧化尤為明顯；時(shí)間對碳包覆納米鋁粉活性也有一定影響；而在大氣環(huán)境下儲(chǔ)存2年的HTPB包覆納米鋁粉仍有較高的活性表明隨著儲(chǔ)存時(shí)間的延長有機(jī)物能有效的保持納米鋁粉的活性。 最后討論