微米铝粉氧化铝壳增强及其抗氧化性能研究

李相波 黄松涛

摘 要：随着社会的不断发展，化工行业也得到了相应的进程，在推进剂、铝热剂等药物中，微米铝粉是一种主要的添加材料，它以典型的壳核结构存在，主要是通过内部活性铝核以及外层氧化铝壳两者组合而成，铝粉的壳和芯结构可以对含能材料的能量释放造成极大的影响。文章通过对微米铝粉相关实验的开展，研究了微米铝粉氧化铝壳增强以及微米铝粉的抗氧化能力，以供后续参考。

关键词：微米铝粉;壳核结构;氧化铝壳增强;抗氧化性能

在实际生活中，微米铝粉是一种应用十分广泛的燃烧剂，并且大多被使用与火箭推进剂以及燃料空气和烈性的炸药当中。铝粉呈球形壳形态，其氧化膜的厚度（壳厚），它对于含铝炸药的燃烧和爆轰技能起着至关重要的作用。因为含铝的炸药是一种具有典型性的非理想的炸药，因此在爆炸的时候其铝粉的氧化反应十分的繁杂，为了能够详细的了解含铝炸药的反应机理和释放顺序，我们有必要知道铝粉壳芯结构的形成以及氧化膜厚度随粒度的变化规律。

1 实验开展

1.1 实验的原料以及仪器

实验使用的原材料：微米铝粉，材料的样品主要有2.51、5.20、13.35、24.02μm四种粒度，编号为A#、B#、C#、D#。实验使用的仪器设备：Hitachi S2700 SEM、马尔文Mastersizer激光粒度仪2000、Philips PW1710 XRD、元素GD辉光放电质谱仪。

1.2 制备实验以及氧化实验

在实验中，使用热分析仪分别对微米铝粉四种原材料在氧气环境中实行慢速提高温度，其速度是1分钟20℃。在慢速的升温环节中，因为温度极为均衡，所以可以對样品几种的温度梯度进行合理的忽略。在温度超过650℃以后，将环境调节为氩气，这样可以有效控制室内的温度，以此来收氩气加强的铝粉样品，其编号分别是A#、B#、C#、D#。利用热重分析仪对微米铝粉进行了氧化性能试验，把干燥样品（3±0.2）mg在氧化铝坩埚底部均匀的放下，在氧化环境中，样品处于持续加热的状态，氧气的流量恒定为每分钟50mL，温度提升的间隔为300℃到1350℃，温度提升的速度为每分钟20℃，冷却过程往往是在氩气保护的环境中实施。以此来保证实验的重复和可靠性。因此，每一组实验应该开展三次。

2 实验结果

2.1 微铝粉的物理化学性能研究

2.1.1 粒度表面的特征

通过应用激光粒度的一起来对氧化铝加强前后的微米铝粉的粒度进行相应的测试，其数据如（表1）。通过观察能够发现，氧化铝壳在加强以后和加强以后的力度并没有出现突出的变化。

2.1.2表观形态表征

观察实验可以发现，原材料的微米铝粉以及氧化铝壳加强以后的微米铝粉的扫描电子显微镜结果。我们可以发现，原材料铝粉颗粒表面完整性好，球度好。同时我们还能够观察出，样品的形态良好，并且其外部的氧化铝层极为完善。研究结果表示，在加强微米铝粉以前和对微米铝粉加强以后的外观并没有出现突出的改变。

2.1.3 X射线衍射表征

经过上述实验可以得出原料微粉和氧化铝壳层的XRD表征结果。通过对比我们可以发现，以前的铝粉特征峰是38.47°，相对应的Al（111）、44.71°，通过实验，我们对原料样品的活性铝进行了确认。没有氧化铝的特征峰是氧化铝的外壳为无定形态。通过除开铝峰外，特征峰同时出现在19.44°、37.60°、39.47°、45.85°和60.90°处都分别出现了γ-Al2O3。根据上述能够看出，将微米级铝粉的氧化铝壳晶缓慢加热到650℃以后，其结构由无定形态氧化铝转变为γ-Al2O3。

2.1.4 TG分析

通过研究我们了解到氧化铝壳体强化过程的TG曲线。把原料铝粉加热到650℃以后，质量略有提高，其主要原因是一些活性铝随着大气氧化，并且，随着晶体结构不断的进行改变，氧化铝壳层厚度也不断增加。同时，呈现了氧化铝壳层在加强以前和加强以后铝粉的热重曲线缓慢升温图。原铝粉在慢速加热条件下有三个氧化阶段：600℃的时候为一阶段，增重随颗粒尺寸的增大而减小，这与放热过程相对应。与此同时，氧化层从无定形态逐步转化为γ态，667℃下是活性铝熔融的吸热环节。在850℃以后为第二阶段，在950℃的时候，试样的最大增重速率对应于主要反应阶段的放热过程。超过1200℃以后，则是第三阶段，铝粉不断发生反应，但是强化的速度不断的降低，在超过1350℃以后，样品的最后产物质量随着粒径的增大而减小，氧化壳最终转变为ɑ态。铝壳加强微米铝粉热响应的时候，失去了阶段性的增长。1350℃以下时，4种铝壳增强微米铝粉的增重都没有超越6%。颗粒尺寸越小，它的直径越大，这一现象表明，通过对壳体进行强化的处理，微米铝粉在氧气环境中的氧化反应遭受了限制，同时具有抗氧化技能。

3 实验结果的讨论

3.1 计算了铝粉的壳体厚度和有效成分

为了有效对氧化铝壳厚以及活性铝含量进行量化，结合微米铝粉的几何图形，在下面的三个假设中，创建“氧化铝壳厚--活性铝含量”两者联系的公式：假设A：微米铝粉为氧化壳厚度均匀的壳芯结构;假设B：如果不对粒径分布影响进行考量，则将D50作为样本的平均直径;假设C：核中含有全部杂质。

微米δ1中铝粉初级试样平均氧化壳（下转第254页）（上接第252页）厚度计算公式下：

（1）

上述公式中，WAl铝是微米铝粉的活性铝含量，%;D50为试样ρ1的中位粒径，ρ1为铝的密度为（2.7g·cm-3），

ρ2则是无定型氧化铝的密度（3.05g·cm-3）。对氧化铝壳强化微米铝粉，氧化壳发生相变并变厚，活性铝和氧发生氧化反应4Al+3O2=2Al2O3。结合该方程式的反映和微米铝粉的几何结构，我们能够根据表2所示的质量改变来观察氧化铝壳强化后D 活性铝含量，原料试样WAl*的活性铝含量可由式（2）进行计算：

（2）

在公式（2）中，WAl表示原料微米铝粉中的活性铝含量，由%表示，Δm则表示为铝壳称重处理的时候微米铝粉的质量也在不断增加。其δ2在氧化铝加强厚的计算公式如公式（3）：

（3）

在公式中，WAl*表示为铝壳增强微米铝粉的活性铝含量为%。D50表示样品粒度的中值。ρ1代表铝的密度，2.7g·cm-3;ρ3表示γ-Al2O3的密度，3.64g·cm-3。

根据实验结果，原铝粉氧化铝壳层厚度伴随粒径的变化进行改变，是自发状态下未定型原氧化铝壳的厚度。在通过不断的强化和加工后，氧化铝的壳体厚度上升了最低3.32倍，最高5.92倍，铝粉的活性率低至91.02到97.42个百分点。

3.2 对加强微米铝粉氧化壳的阐述

在进行实验的环节中，我们可以看出氧化铝壳体强化过程。氧化铝壳体在进行升温的时候形成了相变并使得γ-Al2O3形成，同时造成氧化铝壳层的密度不断增加，体积相对减少。而外表致密性的降低造成气通道的出现，氧气在穿越壳芯的氧化到达其结构中心的时候，还与活性铝发生氧化反应，在接触中产生γ-Al2O3，同时实行连续，使得铝粉的外部氧化层也不断的变厚，使得铝粉的完整与致密性能够得到复原。而铝壳相变。厚度的转变导致结构的致密性和厚度加强。与微米铝粉相比，壳层结构在慢速加热条件下能更好地保护内部活性率不受到氧化环境的影响。

微米铝粉在氧化环境下的反应机理在氧化铝增强壳层前后是不一样的，微米铝粉是“破壳溢出”的反应机理。氧化铝壳增强微米铝粉是一种无开裂反应的氧化铝壳反应抑制机制。

4 結论

在开展实验以后，其结果表示，通过增加对氧化铝壳层的处理，通过实验我们可以看出，经过加强对氧化铝壳层的处理以后，微米铝粉的氧化铝壳层由无定形态变成γ态，以此来有效的提高致密性。并且，微米铝粉样品的氧化铝壳体厚度也得到了相应的提升。此外，在氧化铝壳体厚度的条件下，氧化铝壳体的相变和加厚避免微米铝粉在1350℃以下的缓慢加热时受到氧化环境的氧化，有效提高了抗氧化的能力。

参考文献：

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