基于结构调控的纳米铝热剂制备及反应性能研究

作     者：刘利 

作者单位：重庆科技学院 

学位级别：硕士

导师姓名：晏致涛;王琪辉;周义先

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0702[理学-物理学] 

主      题：纳米铝热剂 结构调控 氧化铜 放热性能 燃烧性能 

摘      要：铝热剂是由金属氧化物(CuO、FeO、MnO)和铝粉(Al)混合而成的高能量密度和高燃烧速率的含能材料。目前,铝热剂存在组分接触不紧密,放热与燃烧反应性能差等缺陷。为增强铝热剂的反应性能,改善铝粉和金属氧化物间的接触,抑制纳米铝热剂反应过程中的“预点火-熔结效应。以生物材料为牺牲模板,制备具有精细结构特征的金属氧化物并用于构建高性能纳米铝热剂,并对纳米铝热剂的结构形貌、化学组成、燃烧性能和放热性能等进行详细研究。论文的主要研究内容和结论如下:(1)通过浸渍-煅烧工艺,分别以石松孢子粉和绿带翠凤蝶翅为模板制备具有辐射对称四面体结构的氧化铜(LP-CuO)和脊纹片状结构的氧化铜(PW-CuO)。同时,还制备了直径约400 nm的球状氧化铜(SP-CuO)。然后,以Al为燃剂,LP-CuO、PW-CuO和SP-CuO为氧化剂,通过物理混合方式制备了Al/LP-CuO、Al/PW-CuO和Al/SP-CuO等三种纳米铝热剂,并对其微观形貌和化学组成进行表征。实验结果表明:Al/LP-CuO、Al/PW-CuO和Al/SP-CuO纳米铝热剂仅由Al和CuO构成,纯度较高,无其它杂质。此外,通过浸渍-煅烧工艺制备的CuO基本保留了模板的结构特征,Al/LP-CuO、Al/PW-CuO和Al/SP-CuO中的CuO和Al混合均匀、接触紧密。(2)通过高速摄像机和差式扫描量热仪(DSC)对Al/LP-CuO、Al/PW-CuO和Al/SP-CuO纳米铝热剂的燃烧行为和放热性能进行评价。实验结果表明:当量比Ф=1.5时,Al/PW-CuO的燃烧效果最佳,火焰刺眼,伴随尖锐爆鸣声,最高放热量为2278.00 J/g;当量比Ф=1.5时,Al/LP-CuO的燃烧效果最佳,火焰明亮,产生清脆爆鸣声,最高放热量为1969.08 J/g;当量比Ф=1.0时,Al/SP-CuO燃烧效果最佳,火焰明亮,产生沉闷爆鸣声,最高放热量为1665.22 J/g。其中,Al/PW-CuO表现出最为优异的燃烧效果和放热性能,可归因于PW-CuO的脊纹片状结构。与LP-CuO、SP-CuO相比,脊纹片状结构PW-CuO的空间利用率较高,可提供大量反应位点,因而具有最优的放热性能。(3)对纳米铝热剂的反应性能进行分级评分。结果表明:Al/PW-CuO、Al/LP-CuO和Al/SP-CuO的分级评分总分分别为62分、54分和51分。究其原因,PW-CuO具有脊纹片状结构,可为Al提供丰富的反应位点,空间利用率较高;LP-CuO虽具有孔道结构,但其内部存在空心结构,Al粉不能进入其内部,空间利用率较低。另外,SP-CuO表面无脊纹或孔道结构,对“预点火-熔结效应无抑制效果,且Al粉不能进入SP-CuO内部,空间利用率最低。因此,通过调控金属氧化物微观结构,可改善其与铝粉的接触,抑制反应过程中的“预点火-熔结效应,从而有效增强纳米铝热剂的反应性能。