醇热法制备Al@CuO纳米铝热剂及其反应特性研究

作     者：史凯文 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周翔;郭效德

授予年度：2021年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：核壳结构 Al@CuO 纳米铝热剂 热分析 点火燃烧 

摘      要：亚稳态分子间复合物,又称为纳米铝热剂,因其高体积能量密度和高能量释放速率等优点,成为近年来纳米复合含能材料领域的研究热点之一。为解决传统物理混合法所制备纳米铝热剂组分间混合不均匀、接触不紧密的问题,本文基于醇热技术一步法制备核壳结构Al@CuO纳米铝热剂,并对其放热特性、点火燃烧特性以及反应机理进行了研究,主要研究内容及结果如下:(1)以醋酸铜为前驱体、乙醇为溶剂,经醇热法将纳米CuO原位包覆在Al粉表面制备得到Al@CuO复合粒子。XRD及XPS结果显示,所制备产物纯度高、未检测到其它杂质。SEM及TEM观测表明,粒径约10 nm的CuO与纳米Al紧密结合形成类核壳结构,而在微米Al表面,CuO原位生长为纳米片层实现紧密包覆;(2)通过热分析实验对比分析了醇热法制备的Al@CuO与物理混合Al/CuO样品的反应峰型、反应放热、反应起始温度及表观活化能。结果表明,两种样品均出现了两段放热反应,随着化学计量比(Φ)的增加,第一放热峰愈加明显,而第二放热峰趋于微弱,总放热量呈先增后减的趋势。当Φ处于1.5-5,较之Al/CuO,Al@CuO的总放热量增加21.3%-38.4%,第一放热峰的起始温度降低7.2-23.1°C,第一放热峰的表观活化能减小20.1%-25.5%;(3)通过热丝点火实验、定容燃烧实验及开放环境下高速摄影对比研究了Al@CuO与Al/CuO的点火及燃烧特性。结果表明,两组样品的点火延迟并无明显区别,但Al@CuO的点火能普遍低于Al/CuO,Al@CuO的燃烧峰值压力、升压速率及燃烧发光强度等都高于Al/CuO。此外,化学计量比对铝热剂燃烧性能的影响较大。随着Φ从0.75增加到5,峰值压力、升压速率与最大光强都表现出先增后降的趋势,燃烧时间呈先减后增的趋势;Al@CuO样品在Φ为1.5时表现出最优异的燃烧性能,其峰值压力、升压速率及最大光强分别是Al/CuO的1.6倍、4.2倍及1.5倍,燃烧时长缩短63%;(4)通过对产物的微观形貌与结构组成分析,分别研究了热分析及燃烧过程中样品的反应机理。结果表明,热分析时,在500-660°C,Al@CuO发生了铝热主反应,但该阶段反应并不完全,中间产物主要包括Al、CuO和少量的Cu、CuO和AlO;加热温度达到1000°C时,铝热反应完全,最终得到的反应产物为Cu、CuO和AlO。Al@CuO样品燃烧残留物的尺寸(3-10μm)小于Al/CuO样品(5-20μm)。当Φ介于0.75-1.5时,燃烧产物为AlO、CuO及Cu;当Φ3时,除了铝热主反应,过量的燃料Al参与合金反应生成AlCu与Cu Al O。