金屬鋁粉由于用途廣、需求量大、產品種類多，是近年來應用最為廣泛的金屬粉體之一，其中球形鋁粉具有比表面積大、流動性好、燃燒焓高等優點，它與純氧進行充分接觸時，能夠發生劇烈燃燒，放出大量熱量，提高火焰溫度，從而降低氣相產物的分子量，即從 CO₂和 H₂O 轉變為 CO 和 H₂，因此球形鋁粉具備優異的點火性能。在煙火制造、炸藥制造等領域有著廣泛的應用，特別是作為金屬燃燒劑加入火箭的固體推進劑時，能夠明顯地提高比沖量和燃燒速率，增強固體推進劑的燃燒穩定性，同時耗氧量也極低。

球形鋁粉SEM圖（來源：山東誠旭新材料有限公司）

然而，純鋁極易與在空氣中氧化，在表面形成一層致密的熔點比鋁粉高出許多的氧化鋁膜，極大地影響了球形鋁粉的充分燃燒。為了使球形鋁粉在燃燒過程中不受表面氧化膜的影響，最大程度避免能量損失，通常可通過采用納米粉、嵌入法改性以及直接氟化改性等來方式來使球形鋁粉燃燒充分。

單個納米鋁粒子及表層氧化鋁膜的結構示意圖

一、納米球形鋁粉的表面包覆改性

添加鋁粉的推進器在燃燒過程中鋁粉顆粒在燃燒面會發生熔融團聚現象，生成大尺寸凝聚相產物，其運動速度低于氣流速度，阻礙鋁粉的充分燃燒，降低推進劑中的熱能傳遞效率，導致兩相流損失的產生，降低了推進劑的比沖。

鋁粉顆粒在推進劑中的團聚現象

為了降低這種影響，理論上可將采用納米級的球形鋁粉，納米鋁粉相比普通鋁粉具有更大的比表面積，可加速與氧氣等氧化劑的反應，從而降低了點火溫度，并且在燃燒過程中納米鋁粉燃燒更加完全，可使燃燒反應速率提高3個數量級，減少兩相流損失。

然而，納米鋁粉極高的反應活性也是把雙刃劍，它極易在表面形成致密的氧化層，顆粒越小，氧化層所占比重越大，也會在一定程度上影響了其充分燃燒。另外，由于納米鋁粉在燃燒前，其本身極易發生團聚、燒結現象，極大地限制了其點火性能。故通常需要對其進行表面包覆改性，使其保持活性并避免團聚。

二、復合改性

復合改性是指將金屬、金屬氧化物和氟聚物等氧化劑與球形鋁粉復合，以此改善鋁粉的點火延遲及燃燒不充分等現象。

①金屬具有高體積和質量燃燒熱，因此利用Ni，Mg，Fe，B等金屬與球形鋁粉復合可以提高反應體系整體放熱，有時還可以提高反應燃燒速率，增加體系產氣量，但金屬往往也容易被氧化生成鈍化層，導致點火延遲或是兩步燃燒反應，金屬燃燒產物為固體的情況下還會導致兩相流損失，使其優異的放熱性能無法得到充分發揮。

②將鋁粉與MoO₃，CuO，Fe₂O₃等金屬氧化物混合后，復合材料會有很高的反應放熱量。提高了反應體系溫度，但是相較其他材料來說，金屬氧化物對體系燃燒速率提高的貢獻并不大，其生成凝聚相產物也會導致兩相流損失。

③在鋁粉中加入高氯酸銨（AP）、高錳酸鉀（KMnO₄）等強氧化劑，強氧化劑中O原子的存在賦予了復合體系出色的燃燒性能或爆炸性能，但要想材料性能提高越明顯，強氧化劑在配方中所需的占比也就越大，不僅在富燃料體系中的應用受限，強氧化劑的參與也不可避免帶來了使用、儲存安全性及環境污染等問題。

④鋁和氟的反應燃燒熱可達56.10 kJ/g，是純鋁氧化反應燃燒熱的近乎2倍，同時，反應生成的AlF₃比鋁氧化生成Al₂O₃的沸點要低的多，更容易揮發轉化為氣體，有助于減少單純鋁氧化過程中凝聚態產物生成時導致的兩相流損失，因此。富氟聚合物如聚四氟乙烯（PTFE），聚偏氟乙烯（PVDF）等憑借其高含氟量引起了科研人員的廣泛關注，但其對燃燒火焰溫度的提高影響卻并不顯著。

高能核殼Al/PTFE的結構

三、直接氟化法改性

除了與富氟聚合物復合外，利用氣態氟化氫對球形鋁粉進行直接氟化改性，也有望直接將球形鋁粉表明的氧化鋁層氟化去除，從而顯著提高固體火箭推進劑的燃燒速率。相比氧元素，氟元素的電負性更強，因此氟化氫與鋁接觸時會迅速發生放熱反應，能夠刻蝕去除掉原料鋁粉表面熔點高達 2045℃的頑固氧化鋁層，新生成一層較弱的HF，在1277℃下發生升華反應，使包裹在鋁粉顆粒表面的外殼破碎，減少團聚、提升分散性的同時，使更多的鋁參與推進劑反應，顯著降低了點火延遲時間，但是目前的球形鋁粉氟化方法來看，氟化過程復雜，氟化條件難以控制，使得應用前景受限。

氫氟酸氟化改性球形鋁粉的制備原理示意

小結

因球形鋁粉易被氧化，故通常需要通過采用納米粉、嵌入法改性以及直接氟化改性等來方式使點火性能得到更好的發揮。其中，將氟聚物與其復合或利用氫氟酸等對其直接氟化能夠使反應燃燒熱達到56.10 kJ/g，同時生成比氧化鋁熔點低得多的氟化鋁，在一定程度上減少凝聚態產物生成時導致的兩相流損失，是目前使球形鋁粉在應用時保持高活性的較為有效的手段。

參考文獻：

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