金屬鋁是一種新型的金屬燃料，具有較高的能量密度（30460J/g）、易點(diǎn)火、環(huán)境友好、反應(yīng)活性可調(diào)等特點(diǎn)，因而被廣泛用于涂料、火炸藥、火箭推進(jìn)劑等領(lǐng)域。然而，作為一種活潑金屬材料，鋁極易與空氣中的氧氣、水等發(fā)生反應(yīng)，生成一層厚度為0.5-4nm，包含氧化鋁等組分的鈍化層覆蓋在納米鋁粉表面。雖然鈍化層的存在可以在一定程度上抑制鋁粉的進(jìn)一步氧化，但鈍化層的融解溫度高，會(huì)致使鋁粉產(chǎn)生點(diǎn)火溫度升高、燃速降低等不利影響。同時(shí)，納米鋁粉因極高的比表面積極易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，而顆粒表面鈍化層的生長(zhǎng)會(huì)加劇這一現(xiàn)象的發(fā)生概率，不利于鋁粉的有效分散，影響納米鋁粉的快速釋能。因此，如何解決納米鋁粉氧化成為一大難題！

不同制備方法的納米鋁粉形貌（圖源：文獻(xiàn)2）

　　能否用其他金屬替代鋁粉？

　　理論上，許多元素都具有接近鋁甚至更高的燃燒熱，比如鎂、碳、硼、鈹、鋰。然而，多數(shù)元素所具有的缺點(diǎn)使得它們無(wú)法代替鋁。比如，碳粉燃燒得太慢，無(wú)法形成足夠溫度和壓力的火焰；鈹造價(jià)昂貴且毒性強(qiáng)；鋰的反應(yīng)性太強(qiáng)無(wú)法與火炸藥共存；硼燃燒熱約兩倍于鋁，但燃燒效率低。鎂作為當(dāng)下潛力較大的金屬燃料，雖然在燃燒速率、點(diǎn)火溫度方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但其氧化層不如鋁致密，導(dǎo)致其粒徑在達(dá)到納米級(jí)時(shí)，無(wú)法保護(hù)內(nèi)部的金屬鎂燃料，因而研究較少。

　　幾種金屬燃料粉體的燃燒能量密度和實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)（圖源：文獻(xiàn)1）

　　解決方案

　　01

　　氣體保護(hù)

　　氣體保護(hù)是利用真空或保護(hù)氣體對(duì)顆粒進(jìn)行保護(hù)，使金屬鋁無(wú)法接觸到氧化劑，從而防止被氧化。在進(jìn)行氣體保護(hù)時(shí)，需要將制備好的納米鋁粉轉(zhuǎn)移到充滿惰性氣體的容器中，并維持容器中惰性氣體的壓力和含量。這不僅極大的增加了鋁粉在生產(chǎn)、運(yùn)輸、成品化等過(guò)程的成本，還可能在轉(zhuǎn)移過(guò)程中接觸并混入空氣，導(dǎo)致納米鋁粉氧化甚至發(fā)生自燃。

　　02

　　自然鈍化法

　　自燃鈍化法是讓納米鋁粉與少量空氣接觸，使納米鋁粉在自然條件下氧化形成鈍化膜（Al2O3）。納米鋁粉的氧化過(guò)程存在三個(gè)階段，快氧化階段、慢氧化階段和穩(wěn)定階段，自然鈍化即讓納米鋁粉經(jīng)歷快氧化階段，使形成的鈍化膜對(duì)內(nèi)層的鋁粉起到保護(hù)作用。雖然能起到一定的保護(hù)作用，但該方法對(duì)活性鋁含量的保持效果不佳，還會(huì)影響納米鋁粉在固體推進(jìn)劑、鋁-水反應(yīng)制氫中的應(yīng)用。當(dāng)納米鋁粉應(yīng)用于固體推進(jìn)劑中時(shí)并不能縮短點(diǎn)火延遲時(shí)間，也不能提高推進(jìn)劑的能量密度，反而會(huì)降低能量含量和燃燒性能；當(dāng)納米鋁粉應(yīng)用于鋁-水反應(yīng)制氫時(shí)也不能進(jìn)一步縮短誘導(dǎo)時(shí)間。

　　03

　　表面包覆鈍化法

　　表面包覆鈍化法是利用表面改性技術(shù)對(duì)顆粒表面進(jìn)行處理改性，改善微納米顆粒表面的化學(xué)和物理特性，從而抑制顆粒表面的氧化反應(yīng)、防止團(tuán)聚等作用，是目前活潑金屬表面處理的通用辦法。對(duì)納米鋁粉進(jìn)行表面包覆改性是一種既可以維持納米鋁粉高活性，又可以改善其穩(wěn)定性和相容性的好措施。不同的包覆材料和包覆方法對(duì)包覆粒子性能影響較大，目前納米鋁粉表面包覆的材料主要為無(wú)機(jī)物包覆材料和有機(jī)材料包覆。無(wú)機(jī)包覆主要有碳包覆、SiO2包覆、金屬及其氧化物包覆，包覆工藝比較成熟，能夠形成較穩(wěn)定的核-殼結(jié)構(gòu)。而有機(jī)物包覆是近幾年鋁包覆材料的研究熱點(diǎn)，尤其高分子聚合物和含能類物質(zhì)作為包覆劑在含能材料領(lǐng)域研究較多。用一些鈍感劑如石蠟、硬脂酸、TNT、TATB等包覆納米鋁粉，不僅可以減小火炸藥在運(yùn)輸過(guò)程中的危險(xiǎn)，降低其機(jī)械敏感度等，還能不同程度提高納米鋁粉活性。

采用含能材料HTPB包覆鋁粉的TEM照片（圖源：文獻(xiàn)5）