微米鋁粉氧化鋁殼增強(qiáng)及其抗氧化性能研究

李相波 黃松濤

摘 要：隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，化工行業(yè)也得到了相應(yīng)的進(jìn)程，在推進(jìn)劑、鋁熱劑等藥物中，微米鋁粉是一種主要的添加材料，它以典型的殼核結(jié)構(gòu)存在，主要是通過內(nèi)部活性鋁核以及外層氧化鋁殼兩者組合而成，鋁粉的殼和芯結(jié)構(gòu)可以對(duì)含能材料的能量釋放造成極大的影響。文章通過對(duì)微米鋁粉相關(guān)實(shí)驗(yàn)的開展，研究了微米鋁粉氧化鋁殼增強(qiáng)以及微米鋁粉的抗氧化能力，以供后續(xù)參考。

關(guān)鍵詞：微米鋁粉;殼核結(jié)構(gòu);氧化鋁殼增強(qiáng);抗氧化性能

在實(shí)際生活中，微米鋁粉是一種應(yīng)用十分廣泛的燃燒劑，并且大多被使用與火箭推進(jìn)劑以及燃料空氣和烈性的炸藥當(dāng)中。鋁粉呈球形殼形態(tài)，其氧化膜的厚度（殼厚），它對(duì)于含鋁炸藥的燃燒和爆轟技能起著至關(guān)重要的作用。因?yàn)楹X的炸藥是一種具有典型性的非理想的炸藥，因此在爆炸的時(shí)候其鋁粉的氧化反應(yīng)十分的繁雜，為了能夠詳細(xì)的了解含鋁炸藥的反應(yīng)機(jī)理和釋放順序，我們有必要知道鋁粉殼芯結(jié)構(gòu)的形成以及氧化膜厚度隨粒度的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)開展

1.1 實(shí)驗(yàn)的原料以及儀器

實(shí)驗(yàn)使用的原材料：微米鋁粉，材料的樣品主要有2.51、5.20、13.35、24.02μm四種粒度，編號(hào)為A#、B#、C#、D#。實(shí)驗(yàn)使用的儀器設(shè)備：Hitachi S2700 SEM、馬爾文Mastersizer激光粒度儀2000、Philips PW1710 XRD、元素GD輝光放電質(zhì)譜儀。

1.2 制備實(shí)驗(yàn)以及氧化實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)中，使用熱分析儀分別對(duì)微米鋁粉四種原材料在氧氣環(huán)境中實(shí)行慢速提高溫度，其速度是1分鐘20℃。在慢速的升溫環(huán)節(jié)中，因?yàn)闇囟葮O為均衡，所以可以對(duì)樣品幾種的溫度梯度進(jìn)行合理的忽略。在溫度超過650℃以后，將環(huán)境調(diào)節(jié)為氬氣，這樣可以有效控制室內(nèi)的溫度，以此來收氬氣加強(qiáng)的鋁粉樣品，其編號(hào)分別是A#、B#、C#、D#。利用熱重分析儀對(duì)微米鋁粉進(jìn)行了氧化性能試驗(yàn)，把干燥樣品（3±0.2）mg在氧化鋁坩堝底部均勻的放下，在氧化環(huán)境中，樣品處于持續(xù)加熱的狀態(tài)，氧氣的流量恒定為每分鐘50mL，溫度提升的間隔為300℃到1350℃，溫度提升的速度為每分鐘20℃，冷卻過程往往是在氬氣保護(hù)的環(huán)境中實(shí)施。以此來保證實(shí)驗(yàn)的重復(fù)和可靠性。因此，每一組實(shí)驗(yàn)應(yīng)該開展三次。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 微鋁粉的物理化學(xué)性能研究

2.1.1 粒度表面的特征

通過應(yīng)用激光粒度的一起來對(duì)氧化鋁加強(qiáng)前后的微米鋁粉的粒度進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)試，其數(shù)據(jù)如（表1）。通過觀察能夠發(fā)現(xiàn)，氧化鋁殼在加強(qiáng)以后和加強(qiáng)以后的力度并沒有出現(xiàn)突出的變化。

2.1.2表觀形態(tài)表征

觀察實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，原材料的微米鋁粉以及氧化鋁殼加強(qiáng)以后的微米鋁粉的掃描電子顯微鏡結(jié)果。我們可以發(fā)現(xiàn)，原材料鋁粉顆粒表面完整性好，球度好。同時(shí)我們還能夠觀察出，樣品的形態(tài)良好，并且其外部的氧化鋁層極為完善。研究結(jié)果表示，在加強(qiáng)微米鋁粉以前和對(duì)微米鋁粉加強(qiáng)以后的外觀并沒有出現(xiàn)突出的改變。

2.1.3 X射線衍射表征

經(jīng)過上述實(shí)驗(yàn)可以得出原料微粉和氧化鋁殼層的XRD表征結(jié)果。通過對(duì)比我們可以發(fā)現(xiàn)，以前的鋁粉特征峰是38.47°，相對(duì)應(yīng)的Al（111）、44.71°，通過實(shí)驗(yàn)，我們對(duì)原料樣品的活性鋁進(jìn)行了確認(rèn)。沒有氧化鋁的特征峰是氧化鋁的外殼為無定形態(tài)。通過除開鋁峰外，特征峰同時(shí)出現(xiàn)在19.44°、37.60°、39.47°、45.85°和60.90°處都分別出現(xiàn)了γ-Al2O3。根據(jù)上述能夠看出，將微米級(jí)鋁粉的氧化鋁殼晶緩慢加熱到650℃以后，其結(jié)構(gòu)由無定形態(tài)氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3。

2.1.4 TG分析

通過研究我們了解到氧化鋁殼體強(qiáng)化過程的TG曲線。把原料鋁粉加熱到650℃以后，質(zhì)量略有提高，其主要原因是一些活性鋁隨著大氣氧化，并且，隨著晶體結(jié)構(gòu)不斷的進(jìn)行改變，氧化鋁殼層厚度也不斷增加。同時(shí)，呈現(xiàn)了氧化鋁殼層在加強(qiáng)以前和加強(qiáng)以后鋁粉的熱重曲線緩慢升溫圖。原鋁粉在慢速加熱條件下有三個(gè)氧化階段：600℃的時(shí)候?yàn)橐浑A段，增重隨顆粒尺寸的增大而減小，這與放熱過程相對(duì)應(yīng)。與此同時(shí)，氧化層從無定形態(tài)逐步轉(zhuǎn)化為γ態(tài)，667℃下是活性鋁熔融的吸熱環(huán)節(jié)。在850℃以后為第二階段，在950℃的時(shí)候，試樣的最大增重速率對(duì)應(yīng)于主要反應(yīng)階段的放熱過程。超過1200℃以后，則是第三階段，鋁粉不斷發(fā)生反應(yīng)，但是強(qiáng)化的速度不斷的降低，在超過1350℃以后，樣品的最后產(chǎn)物質(zhì)量隨著粒徑的增大而減小，氧化殼最終轉(zhuǎn)變?yōu)楱粦B(tài)。鋁殼加強(qiáng)微米鋁粉熱響應(yīng)的時(shí)候，失去了階段性的增長(zhǎng)。1350℃以下時(shí)，4種鋁殼增強(qiáng)微米鋁粉的增重都沒有超越6%。顆粒尺寸越小，它的直徑越大，這一現(xiàn)象表明，通過對(duì)殼體進(jìn)行強(qiáng)化的處理，微米鋁粉在氧氣環(huán)境中的氧化反應(yīng)遭受了限制，同時(shí)具有抗氧化技能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論

3.1 計(jì)算了鋁粉的殼體厚度和有效成分

為了有效對(duì)氧化鋁殼厚以及活性鋁含量進(jìn)行量化，結(jié)合微米鋁粉的幾何圖形，在下面的三個(gè)假設(shè)中，創(chuàng)建“氧化鋁殼厚--活性鋁含量”兩者聯(lián)系的公式：假設(shè)A：微米鋁粉為氧化殼厚度均勻的殼芯結(jié)構(gòu);假設(shè)B：如果不對(duì)粒徑分布影響進(jìn)行考量，則將D50作為樣本的平均直徑;假設(shè)C：核中含有全部雜質(zhì)。

微米δ1中鋁粉初級(jí)試樣平均氧化殼（下轉(zhuǎn)第254頁）（上接第252頁）厚度計(jì)算公式下：

（1）

上述公式中，WAl鋁是微米鋁粉的活性鋁含量，%;D50為試樣ρ1的中位粒徑，ρ1為鋁的密度為（2.7g·cm-3），

ρ2則是無定型氧化鋁的密度（3.05g·cm-3）。對(duì)氧化鋁殼強(qiáng)化微米鋁粉，氧化殼發(fā)生相變并變厚，活性鋁和氧發(fā)生氧化反應(yīng)4Al+3O2=2Al2O3。結(jié)合該方程式的反映和微米鋁粉的幾何結(jié)構(gòu)，我們能夠根據(jù)表2所示的質(zhì)量改變來觀察氧化鋁殼強(qiáng)化后D 活性鋁含量，原料試樣WAl*的活性鋁含量可由式（2）進(jìn)行計(jì)算：

（2）

在公式（2）中，WAl表示原料微米鋁粉中的活性鋁含量，由%表示，Δm則表示為鋁殼稱重處理的時(shí)候微米鋁粉的質(zhì)量也在不斷增加。其δ2在氧化鋁加強(qiáng)厚的計(jì)算公式如公式（3）：

（3）

在公式中，WAl*表示為鋁殼增強(qiáng)微米鋁粉的活性鋁含量為%。D50表示樣品粒度的中值。ρ1代表鋁的密度，2.7g·cm-3;ρ3表示γ-Al2O3的密度，3.64g·cm-3。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，原鋁粉氧化鋁殼層厚度伴隨粒徑的變化進(jìn)行改變，是自發(fā)狀態(tài)下未定型原氧化鋁殼的厚度。在通過不斷的強(qiáng)化和加工后，氧化鋁的殼體厚度上升了最低3.32倍，最高5.92倍，鋁粉的活性率低至91.02到97.42個(gè)百分點(diǎn)。

3.2 對(duì)加強(qiáng)微米鋁粉氧化殼的闡述

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)中，我們可以看出氧化鋁殼體強(qiáng)化過程。氧化鋁殼體在進(jìn)行升溫的時(shí)候形成了相變并使得γ-Al2O3形成，同時(shí)造成氧化鋁殼層的密度不斷增加，體積相對(duì)減少。而外表致密性的降低造成氣通道的出現(xiàn)，氧氣在穿越殼芯的氧化到達(dá)其結(jié)構(gòu)中心的時(shí)候，還與活性鋁發(fā)生氧化反應(yīng)，在接觸中產(chǎn)生γ-Al2O3，同時(shí)實(shí)行連續(xù)，使得鋁粉的外部氧化層也不斷的變厚，使得鋁粉的完整與致密性能夠得到復(fù)原。而鋁殼相變。厚度的轉(zhuǎn)變導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的致密性和厚度加強(qiáng)。與微米鋁粉相比，殼層結(jié)構(gòu)在慢速加熱條件下能更好地保護(hù)內(nèi)部活性率不受到氧化環(huán)境的影響。

微米鋁粉在氧化環(huán)境下的反應(yīng)機(jī)理在氧化鋁增強(qiáng)殼層前后是不一樣的，微米鋁粉是“破殼溢出”的反應(yīng)機(jī)理。氧化鋁殼增強(qiáng)微米鋁粉是一種無開裂反應(yīng)的氧化鋁殼反應(yīng)抑制機(jī)制。

4 結(jié)論

在開展實(shí)驗(yàn)以后，其結(jié)果表示，通過增加對(duì)氧化鋁殼層的處理，通過實(shí)驗(yàn)我們可以看出，經(jīng)過加強(qiáng)對(duì)氧化鋁殼層的處理以后，微米鋁粉的氧化鋁殼層由無定形態(tài)變成γ態(tài)，以此來有效的提高致密性。并且，微米鋁粉樣品的氧化鋁殼體厚度也得到了相應(yīng)的提升。此外，在氧化鋁殼體厚度的條件下，氧化鋁殼體的相變和加厚避免微米鋁粉在1350℃以下的緩慢加熱時(shí)受到氧化環(huán)境的氧化，有效提高了抗氧化的能力。

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