金属铝粉由于用途广、需求量大、产品种类多，是近年来应用最为广泛的金属粉体之一，其中球形铝粉具有比表面积大、流动性好、燃烧焓高等优点，它与纯氧进行充分接触时，能够发生剧烈燃烧，放出大量热量，提高火焰温度，从而降低气相产物的分子量，即从 CO₂和 H₂O 转变为 CO 和 H₂，因此球形铝粉具备优异的点火性能。在烟火制造、炸药制造等领域有着广泛的应用，特别是作为金属燃烧剂加入火箭的固体推进剂时，能够明显地提高比冲量和燃烧速率，增强固体推进剂的燃烧稳定性，同时耗氧量也极低。

球形铝粉SEM图（来源：山东诚旭新材料有限公司）

然而，纯铝极易与在空气中氧化，在表面形成一层致密的熔点比铝粉高出许多的氧化铝膜，极大地影响了球形铝粉的充分燃烧。为了使球形铝粉在燃烧过程中不受表面氧化膜的影响，最大程度避免能量损失，通常可通过采用纳米粉、嵌入法改性以及直接氟化改性等来方式来使球形铝粉燃烧充分。

单个纳米铝粒子及表层氧化铝膜的结构示意图

一、纳米球形铝粉的表面包覆改性

添加铝粉的推进器在燃烧过程中铝粉颗粒在燃烧面会发生熔融团聚现象，生成大尺寸凝聚相产物，其运动速度低于气流速度，阻碍铝粉的充分燃烧，降低推进剂中的热能传递效率，导致两相流损失的产生，降低了推进剂的比冲。

铝粉颗粒在推进剂中的团聚现象

为了降低这种影响，理论上可将采用纳米级的球形铝粉，纳米铝粉相比普通铝粉具有更大的比表面积，可加速与氧气等氧化剂的反应，从而降低了点火温度，并且在燃烧过程中纳米铝粉燃烧更加完全，可使燃烧反应速率提高3个数量级，减少两相流损失。

然而，纳米铝粉极高的反应活性也是把双刃剑，它极易在表面形成致密的氧化层，颗粒越小，氧化层所占比重越大，也会在一定程度上影响了其充分燃烧。另外，由于纳米铝粉在燃烧前，其本身极易发生团聚、烧结现象，极大地限制了其点火性能。故通常需要对其进行表面包覆改性，使其保持活性并避免团聚。

二、复合改性

复合改性是指将金属、金属氧化物和氟聚物等氧化剂与球形铝粉复合，以此改善铝粉的点火延迟及燃烧不充分等现象。

①金属具有高体积和质量燃烧热，因此利用Ni，Mg，Fe，B等金属与球形铝粉复合可以提高反应体系整体放热，有时还可以提高反应燃烧速率，增加体系产气量，但金属往往也容易被氧化生成钝化层，导致点火延迟或是两步燃烧反应，金属燃烧产物为固体的情况下还会导致两相流损失，使其优异的放热性能无法得到充分发挥。

②将铝粉与MoO₃，CuO，Fe₂O₃等金属氧化物混合后，复合材料会有很高的反应放热量。提高了反应体系温度，但是相较其他材料来说，金属氧化物对体系燃烧速率提高的贡献并不大，其生成凝聚相产物也会导致两相流损失。

③在铝粉中加入高氯酸铵（AP）、高锰酸钾（KMnO₄）等强氧化剂，强氧化剂中O原子的存在赋予了复合体系出色的燃烧性能或爆炸性能，但要想材料性能提高越明显，强氧化剂在配方中所需的占比也就越大，不仅在富燃料体系中的应用受限，强氧化剂的参与也不可避免带来了使用、储存安全性及环境污染等问题。

④铝和氟的反应燃烧热可达56.10 kJ/g，是纯铝氧化反应燃烧热的近乎2倍，同时，反应生成的AlF₃比铝氧化生成Al₂O₃的沸点要低的多，更容易挥发转化为气体，有助于减少单纯铝氧化过程中凝聚态产物生成时导致的两相流损失，因此。富氟聚合物如聚四氟乙烯（PTFE），聚偏氟乙烯（PVDF）等凭借其高含氟量引起了科研人员的广泛关注，但其对燃烧火焰温度的提高影响却并不显著。

高能核壳Al/PTFE的结构

三、直接氟化法改性

除了与富氟聚合物复合外，利用气态氟化氢对球形铝粉进行直接氟化改性，也有望直接将球形铝粉表明的氧化铝层氟化去除，从而显著提高固体火箭推进剂的燃烧速率。相比氧元素，氟元素的电负性更强，因此氟化氢与铝接触时会迅速发生放热反应，能够刻蚀去除掉原料铝粉表面熔点高达 2045℃的顽固氧化铝层，新生成一层较弱的HF，在1277℃下发生升华反应，使包裹在铝粉颗粒表面的外壳破碎，减少团聚、提升分散性的同时，使更多的铝参与推进剂反应，显著降低了点火延迟时间，但是目前的球形铝粉氟化方法来看，氟化过程复杂，氟化条件难以控制，使得应用前景受限。

氢氟酸氟化改性球形铝粉的制备原理示意

小结

因球形铝粉易被氧化，故通常需要通过采用纳米粉、嵌入法改性以及直接氟化改性等来方式使点火性能得到更好的发挥。其中，将氟聚物与其复合或利用氢氟酸等对其直接氟化能够使反应燃烧热达到56.10 kJ/g，同时生成比氧化铝熔点低得多的氟化铝，在一定程度上减少凝聚态产物生成时导致的两相流损失，是目前使球形铝粉在应用时保持高活性的较为有效的手段。

参考文献：

1、梁吉虹. 金属铝粉的表面修饰改性及其应用[D].济南大学.

2、杭思羽. 铝粉/聚四氟乙烯复合材料制备及其性能研究[D].南京理工大学.

3、蒲倩. 低分子量氟碳弹性体粘合剂的合成及固化性能研究[D].北京化工大学.

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