中国粉体网讯 20世纪五六十年代，随着火箭技术的发展，人们注意到金属铝作为一种推进剂添加组份可有效提升推进剂的点火性能和燃烧性能，铝粉作为一种含能材料开始受到广泛的重视。
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铝粉具有粒径小、比表面积大、表面能高等特点，目前广泛应用于铝热剂、推进剂和烟火药等配方中。伴随着纳米技术的发展，纳米铝粉展示出比传统铝粉更为优异的性能，成为比较活跃的研究热点。
为什么铝粉要进行表面包覆？
在粉末的存储、运输及加工过程中，往往希望纳米铝粉展现低的活性，受外界环境因素(温度、湿度等)的影响小，使产品在较长时间内性能稳定，但是铝作为一种活泼金属材料，极易与空气中氧气、水等反应，生成一层氧化铝薄膜覆盖在纳米铝粉表面，影响纳米铝粉的释能效果，同时，纳米铝粉表面容易发生团聚现象，阻碍其在体系中的分散和均化，因此国内外学者采取纳米铝粉表面包覆改性的方法试图去改善这些不足，以期在含能材料领域取得较满意的效果。
纳米铝粉表面包覆技术分析
目前，纳米铝粉表面包覆主要采取表面钝化后包覆和原位包覆的方式。
1纳米铝粉的表面钝化后包覆
纳米铝粉的钝化处理过程可用Young-SoonKwon的双电层模型来描述，如图1所示。
图1 空气中钝化期间带电铝粒子及中性铝粒子氧化示意图
钝化机理：由于诱导偶极/偶极强烈相互作用，未钝化的带电粒子保留在分散介质(Ar)中。未带电的粒子通过扩散与Ar相互作用，电子从金属表面通过氧化层传输到氧化剂，同时氧化剂(质子H+)本身通过金属-氧化物界面传输。正电荷粒子积累成静电场，足以中止氧化还原过程。负电荷在得到完全补偿前氧化还原过程得到加强，为了稳定电场，额外的金属将发生氧化，这样能垒的作用将使纳米铝粉趋于稳定，增强了纳米铝粉的抗氧化性能。
王建军等采用高频感应线圈加热，以蒸发-冷凝法制备了纳米铝粉，用空气进行表面钝化处理，得到有钝化层保护的纳米铝粉。经过钝化处理的纳米铝粉粒径范围为15~60nm，纳米铝粉表面包覆了3~5nm厚的氧化铝膜，形成明显的核/壳结构，提高了纳米铝粉的抗氧化能力。
钝化意义：纳米铝粉的钝化处理提高了纳米铝粉的抗氧化能力，但这层壳层对纳米铝粉的能量释放毫无贡献，需要综合考虑纳米铝粉的制备方法，以及粒子表面包覆壳层的种类、结构、厚度等，在此基础上再解决活性控制和抗氧化性能才显得有意义。
2 纳米铝粉的原位包覆
2.1电爆炸法
电爆炸法是指在铝丝上施加一个能量密度为1.0×(106～109)A/cm2的脉冲电流，使铝丝瞬间加热融化，以爆炸的形式汽化，产物在惰性气氛中分散并冷却形成纳米铝粒子。电爆炸法原位包覆主要考虑以下3方面问题:（1）保证纳米铝粉活性铝含量达到微米级活性程度(95%～98%)；（2）高含量纳米铝粉会显著提高推进剂黏度，选用合适的包覆材料，使之与推进剂中的黏合剂具有较好的兼容性；（3）包覆改性后在防止纳米铝粉氧化失活的同时，对推进剂的燃烧性能应具有一定促进作用。表1是对纳米铝粉表面改性常用包覆材料的总结。
表1 以电爆炸法进行纳米铝粉表面原位包覆的常用材料
2.2 湿化学法
湿化学法是用叔胺氢化铝在异丙醇钛催化剂作用下分解形成纳米铝粉，催化剂加入后溶液呈黑褐色，在转变为黑色的过程中加入包覆物，可防止纳米铝粉团聚在容器壁表面，最终形成表面包覆的纳米铝粉复合粒子。
该法具有在液体中处理活性铝粉的固有安全性，同时叔胺氢化铝的分解速度与有机包覆物的引入时间对铝粉的形成及复合粒子的形貌有非常重要的影响，且不同的有机物也会产生不同的影响。综上，壳层包覆物除在纳米铝粉表面形成包覆层外，在整个化学反应过程中还起着非常重要的作用，且不同的有机包覆物所产生的作用不同，分析其各自的作用机理是未来研究的重点。
2.3 其他方法
其他纳米铝粉原位包覆技术包括机械粉碎法、辐射加热法、激光加热法、电弧放电法、等离子体加热法、化学气相沉积法和固相化学法等。
3 原位包覆与先钝化后包覆的比较
从原理上讲，原位包覆相对于钝化处理后包覆表层无Al2O3，但试验发现有无氧化物形成与纳米铝粉的制备方法无关，在纳米铝粉表面都会形成Al2O3氧化物壳层，可能是有机物中氧原子与铝发生化学作用所致，其具体形成原理有待进一步研究。
原位包覆相对于钝化处理后包覆工艺流程缩短，即在制备的同时进行了表面包覆处理，但设备及技术要求较高，目前已对常见有机化合物、聚合物及无机物碳进行了研究，取得了一定的成果，但仍存在以下问题：(1)复合粒子中活性铝含量较低，应用于推进剂及炸药等领域能量性能升高不明显；(2)对纳米铝粉表面包覆改性过程中壳层物质的厚度控制及包覆速率尚缺乏深入研究。
从本质上讲，表面钝化处理后包覆纳米铝粉其实是对Al2O3的包覆，该方法所得粒子相对于原位包覆可理解为双层包覆的复合粒子，即内层为氧化物，外层为包覆物质。由于纳米铝粉经过钝化处理，因而在后续的包覆过程中对环境要求较低，可在空气中实施，这是因为表层Al2O3可以在一定时间内有效阻止芯部活性铝与外界氧的接触。但是，超过这段时间后，氧原子会逐层渗入铝粉芯部继续发生氧化失活，这也是要对钝化处理的纳米铝粉进一步表面包覆改性的原因。
目前，表面钝化后包覆处理已有较多研究，但与原位包覆存在相同的问题，即包覆处理后活性铝粉含量相对较低，降低了其潜在应用价值；所选的包覆物基本为惰性不含能物质(含能物质指可自身发生激烈氧化还原反应且释放大量能量、气体和热的材料)，且包覆处理后防止氧化的时间也有一定限度，之后仍然会缓慢失活。因此，选择含能化合物及合理的方法是纳米铝粉钝化处理后表面包覆今后研究的重点。
小结
纳米铝粉表面进行包覆改性后，其性能有了较大改变，扩宽了其应用领域。以上对纳米铝粉表面包覆改性技术进行综述，以期为未来纳米铝粉的发展提供参考。
参考文献：
【1】于倩倩，等.纳米铝粉表面包覆及活性铝分析研究.当代化工.2020.
【2】王建军，等.表面钝化纳米铝粉的制备及氧化机理分析.表面技术.2007.
【3】刘勇，等.含能铝粉表面改性技术研究进展.含能材料.2020.
【4】李鑫，等.国内外纳米铝粉表面包覆改性研究进展.材料保护.2013.
（中国粉体网编辑整理/星耀）
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