金属铝是一种新型的金属燃料，具有较高的能量密度（30460J/g）、易点火、环境友好、反应活性可调等特点，因而被广泛用于涂料、火炸药、火箭推进剂等领域。然而，作为一种活泼金属材料，铝极易与空气中的氧气、水等发生反应，生成一层厚度为0.5-4nm，包含氧化铝等组分的钝化层覆盖在纳米铝粉表面。虽然钝化层的存在可以在一定程度上抑制铝粉的进一步氧化，但钝化层的融解温度高，会致使铝粉产生点火温度升高、燃速降低等不利影响。同时，纳米铝粉因极高的比表面积极易发生团聚现象，而颗粒表面钝化层的生长会加剧这一现象的发生概率，不利于铝粉的有效分散，影响纳米铝粉的快速释能。因此，如何解决纳米铝粉氧化成为一大难题！

不同制备方法的纳米铝粉形貌（图源：文献2）

能否用其他金属替代铝粉？

理论上，许多元素都具有接近铝甚至更高的燃烧热，比如镁、碳、硼、铍、锂。然而，多数元素所具有的缺点使得它们无法代替铝。比如，碳粉燃烧得太慢，无法形成足够温度和压力的火焰；铍造价昂贵且毒性强；锂的反应性太强无法与火炸药共存；硼燃烧热约两倍于铝，但燃烧效率低。镁作为当下潜力较大的金属燃料，虽然在燃烧速率、点火温度方面具有一定的优势，但其氧化层不如铝致密，导致其粒径在达到纳米级时，无法保护内部的金属镁燃料，因而研究较少。

几种金属燃料粉体的燃烧能量密度和实际应用中的挑战（图源：文献1）

解决方案

1、气体保护

气体保护是利用真空或保护气体对颗粒进行保护，使金属铝无法接触到氧化剂，从而防止被氧化。在进行气体保护时，需要将制备好的纳米铝粉转移到充满惰性气体的容器中，并维持容器中惰性气体的压力和含量。这不仅极大的增加了铝粉在生产、运输、成品化等过程的成本，还可能在转移过程中接触并混入空气，导致纳米铝粉氧化甚至发生自燃。

2、自然钝化法

自燃钝化法是让纳米铝粉与少量空气接触，使纳米铝粉在自然条件下氧化形成钝化膜（Al₂O₃）。纳米铝粉的氧化过程存在三个阶段，快氧化阶段、慢氧化阶段和稳定阶段，自然钝化即让纳米铝粉经历快氧化阶段，使形成的钝化膜对内层的铝粉起到保护作用。虽然能起到一定的保护作用，但该方法对活性铝含量的保持效果不佳，还会影响纳米铝粉在固体推进剂、铝-水反应制氢中的应用。当纳米铝粉应用于固体推进剂中时并不能缩短点火延迟时间，也不能提高推进剂的能量密度，反而会降低能量含量和燃烧性能；当纳米铝粉应用于铝-水反应制氢时也不能进一步缩短诱导时间。

3、表面包覆钝化法

表面包覆钝化法是利用表面改性技术对颗粒表面进行处理改性，改善微纳米颗粒表面的化学和物理特性，从而抑制颗粒表面的氧化反应、防止团聚等作用，是目前活泼金属表面处理的通用办法。对纳米铝粉进行表面包覆改性是一种既可以维持纳米铝粉高活性，又可以改善其稳定性和相容性的良好措施。不同的包覆材料和包覆方法对包覆粒子性能影响较大，目前纳米铝粉表面包覆的材料主要为无机物包覆材料和有机材料包覆。无机包覆主要有碳包覆、SiO₂包覆、金属及其氧化物包覆，包覆工艺比较成熟，能够形成较稳定的核-壳结构。而有机物包覆是近几年铝包覆材料的研究热点，尤其高分子聚合物和含能类物质作为包覆剂在含能材料领域研究较多。用一些钝感剂如石蜡、硬脂酸、TNT、TATB等包覆纳米铝粉，不仅可以减小火炸药在运输过程中的危险，降低其机械敏感度等，还能不同程度提高纳米铝粉活性。

采用含能材料HTPB包覆铝粉的TEM照片（图源：文献5）

参考文献：

1、梅争.纳米铝及其氢化物复合含能材料结构性能理论研究[D].南京理工大学.

2、王鹏,闫涛,刘平安.纳米铝粉的可控制备及表面包覆研究进展[J].火炸药学报.

3、于倩倩,乔宗文,马少华.纳米铝粉表面包覆及活性铝分析研究[J].当代化工.

4、张思懿.铝粉表面改性及抑制其燃烧团聚机理研究[D].常州大学.

5、刘勇,白海军,甘巧玉,等.含能铝粉表面改性技术研究进展[J].含能材料.

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