2020-09-29
從熱力學(xué)觀點上看，在元素周期表中左上角部分的原子量小的金屬氧化時，都可以獲得高的燃燒熱。在這個群體中，Al是比較典型的代表，它的單位質(zhì)量燃燒熱大于汽油和氫單質(zhì)，而且相對安全和容易制得，因此被認為可以作為重要的能量組分在現(xiàn)代固體推進劑中得到應(yīng)用。
為了提高金屬Al粉的反應(yīng)活性，以改善其點火和燃燒性能，細化處理是必不可少的。然而即使將Al粉都加工到微米級水平，在實際應(yīng)用中它的使用效果卻很有可能不能達到理論計算水平——這主要是因為超細Al粉暴露在外的表面原子十分容易與氧(如與水或空氣接觸)結(jié)合而被氧化，而且在某些條件下，超細Al粉在點火前會發(fā)生團聚，引發(fā)聚集、團聚或結(jié)塊等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致金屬的不完全燃燒和兩相流損失，使比沖降低。
為了解決上述問題，對這種Al粉進行表面包覆是一種有效途徑，一方面能夠?qū)l粉進行保護，防止Al粉表面的氧化;另一方面通過表面處理，也能降低Al粉的點火溫度和改善Al粉的燃燒性能。
鋁粉的包覆處理
Al粉的包覆處理可采用多種物質(zhì)，表面包覆劑可以是有機物也可以是無機物，按其是否與Al粉發(fā)生反應(yīng)，可分為惰性處理劑和非惰性處理劑兩種，其分類如下圖。
有機物包覆
采用有機物對Al粉表面進行包覆處理，包覆劑可以在Al粉表面形成有機物的薄膜層。如采用石蠟對Al粉進行包覆，可在Al粉表面形成惰性的石蠟?zāi)?，稱之為惰性包覆;而采用硬脂酸對Al粉進行處理，硬脂酸與Al粉發(fā)生反應(yīng)，在其表面生成Al的硬脂酸鹽膜層，稱之為非惰性包覆處理。這些薄膜層的存在能有效的隔絕Al粉與空氣的接觸，防止Al粉氧化，從而達到有效保護Al粉的目的。
無機物處理
采用無機物對Al粉進行包覆處理，是改善Al粉性能的另一種有效途徑。它可采用N2、Ar等惰性氣體吸附于Al粉表面，起到保護Al粉不被氧化的作用。也可采用米粒子在Al粉表面形成納米膜層，保護內(nèi)部的Al不被氧化，如采用化學(xué)鍍的方法在Al粉表面形成Cu、Ni等納米膜層，該膜層不僅能起到保護Al粉的作用，還可在常規(guī)推進劑中起到一定的催化劑的作用，這兩種方法中保護層形成時包覆劑不與Al粉發(fā)生明顯的化學(xué)發(fā)應(yīng)，是一種惰性的包覆處理。而有些物質(zhì)能與Al或Al表面Al2O3反應(yīng)生成新的無機物膜層，利用Al和Al2O3在高溫條件下與碳的反應(yīng)，可以在Al顆粒表面生成Al4C3膜層從而提高Al粉的抗氧化能力。
多層包覆
Al粉在多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，對其進行簡單的單層包覆往往不能達到實際應(yīng)用的要求，因此需采用不同的方法和包覆劑對其進行雙層或多層的包覆處理。例如德國艾卡公司的Al粉顏料采用二氧化硅進行包覆再經(jīng)一層有機物進一步包覆處理。Al片被包裹起來后單個的粒子也就被完全包封，從而阻止Al與外界的反應(yīng)。
鋁粉表面改性可改善鋁粉的點火及燃燒，是改善鋁粉燃燒效率的主要途徑，因此是固體推進劑領(lǐng)域的研究熱點。除此之外，調(diào)節(jié)鋁粉、AP、硝胺和粘合劑等組分的含量及規(guī)格，也可改善推進劑的微觀結(jié)構(gòu)和鋁粉燃燒的氣氛環(huán)境等，有助于改善鋁粉團聚程度。
資料來源：鎂(鋁)金屬粉的改性及其在金屬/水反應(yīng)推進劑中的應(yīng)用研究，劉冠鵬。
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