李相波 黃松濤

摘 要：隨著社會的不斷發(fā)展，化工行業(yè)也得到了相應的進程，在推進劑、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)可以對含能材料的能量釋放造成極大的影響。文章通過對微米鋁粉相關(guān)實驗的開展，研究了微米鋁粉氧化鋁殼增強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;抗氧化性能

在實際生活中，微米鋁粉是一種應用十分廣泛的燃燒劑，并且大多被使用與火箭推進劑以及燃料空氣和烈性的炸藥當中。鋁粉呈球形殼形態(tài)，其氧化膜的厚度（殼厚），它對于含鋁炸藥的燃燒和爆轟技能起著至關(guān)重要的作用。因為含鋁的炸藥是一種具有典型性的非理想的炸藥，因此在爆炸的時候其鋁粉的氧化反應十分的繁雜，為了能夠詳細的了解含鋁炸藥的反應機理和釋放順序，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 實驗開展

1.1 實驗的原料以及儀器

實驗使用的原材料：微米鋁粉，材料的樣品主要有2.51、5.20、13.35、24.02μm四種粒度，編號為A#、B#、C#、D#。實驗使用的儀器設(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 制備實驗以及氧化實驗

在實驗中，使用熱分析儀分別對微米鋁粉四種原材料在氧氣環(huán)境中實行慢速提高溫度，其速度是1分鐘20℃。在慢速的升溫環(huán)節(jié)中，因為溫度極為均衡，所以可以對樣品幾種的溫度梯度進行合理的忽略。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，以此來收氬氣加強的鋁粉樣品，其編號分別是A#、B#、C#、D#。利用熱重分析儀對微米鋁粉進行了氧化性能試驗，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的環(huán)境中實施。以此來保證實驗的重復和可靠性。因此，每一組實驗應該開展三次。

2 實驗結(jié)果

2.1 微鋁粉的物理化學性能研究

2.1.1 粒度表面的特征

通過應用激光粒度的一起來對氧化鋁加強前后的微米鋁粉的粒度進行相應的測試，其數(shù)據(jù)如（表1）。通過觀察能夠發(fā)現(xiàn)，氧化鋁殼在加強以后和加強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

觀察實驗可以發(fā)現(xiàn)，原材料的微米鋁粉以及氧化鋁殼加強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，在加強微米鋁粉以前和對微米鋁粉加強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)過上述實驗可以得出原料微粉和氧化鋁殼層的XRD表征結(jié)果。通過對比我們可以發(fā)現(xiàn)，以前的鋁粉特征峰是38.47°，相對應的Al（111）、44.71°，通過實驗，我們對原料樣品的活性鋁進行了確認。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)不斷的進行改變，氧化鋁殼層厚度也不斷增加。同時，呈現(xiàn)了氧化鋁殼層在加強以前和加強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氧化階段：600℃的時候為一階段，增重隨顆粒尺寸的增大而減小，這與放熱過程相對應。與此同時，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℃的時候，試樣的最大增重速率對應于主要反應階段的放熱過程。超過1200℃以后，則是第三階段，鋁粉不斷發(fā)生反應，但是強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)。鋁殼加強微米鋁粉熱響應的時候，失去了階段性的增長。1350℃以下時，4種鋁殼增強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，通過對殼體進行強化的處理，微米鋁粉在氧氣環(huán)境中的氧化反應遭受了限制，同時具有抗氧化技能。

3 實驗結(jié)果的討論

3.1 計算了鋁粉的殼體厚度和有效成分

為了有效對氧化鋁殼厚以及活性鋁含量進行量化，結(jié)合微米鋁粉的幾何圖形，在下面的三個假設(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：如果不對粒徑分布影響進行考量，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中鋁粉初級試樣平均氧化殼（下轉(zhuǎn)第254頁）（上接第252頁）厚度計算公式下：

（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）。對氧化鋁殼強化微米鋁粉，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化后D 活性鋁含量，原料試樣WAl*的活性鋁含量可由式（2）進行計算：

（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候微米鋁粉的質(zhì)量也在不斷增加。其δ2在氧化鋁加強厚的計算公式如公式（3）：

（3）

在公式中，WAl*表示為鋁殼增強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)實驗結(jié)果，原鋁粉氧化鋁殼層厚度伴隨粒徑的變化進行改變，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個百分點。

3.2 對加強微米鋁粉氧化殼的闡述

在進行實驗的環(huán)節(jié)中，我們可以看出氧化鋁殼體強化過程。氧化鋁殼體在進行升溫的時候形成了相變并使得γ-Al2O3形成，同時造成氧化鋁殼層的密度不斷增加，體積相對減少。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其結(jié)構(gòu)中心的時候，還與活性鋁發(fā)生氧化反應，在接觸中產(chǎn)生γ-Al2O3，同時實行連續(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原。而鋁殼相變。厚度的轉(zhuǎn)變導致結(jié)構(gòu)的致密性和厚度加強。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)境下的反應機理在氧化鋁增強殼層前后是不一樣的，微米鋁粉是“破殼溢出”的反應機理。氧化鋁殼增強微米鋁粉是一種無開裂反應的氧化鋁殼反應抑制機制。

4 結(jié)論

在開展實驗以后，其結(jié)果表示，通過增加對氧化鋁殼層的處理，通過實驗我們可以看出，經(jīng)過加強對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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