纳米铝粉非纳米尺寸效应的额外储能及其释放机理研究

纳米铝粉代替微米级铝粉作为固体火箭推进剂中的新型金属燃烧剂，能有效地提高推进剂的燃速、比冲，降低其特征信号。普遍认为纳米铝粉的这种高活性、高能量主要源于纳米尺寸效应，但我们的前期研究表明不同制备方法得到尺寸、粒径分布、形貌、活性铝含量都基本相同的纳米铝粉却含有显著不同的能量，即纳米铝粉也存在有受制备方法制约的非尺寸效应额外储能。然而这些能量从何而来？以何种形式存在？有什么影响因素？其释放机理是怎样的？就成了令人非常感兴趣的科学问题。本申请项目旨在针对回答以上科学问题开展研究：不同制备方法所得铝纳米粒子中能量的注入形式；非纳米尺寸效应额外能量在铝纳米粒子内部存储的形式、区域、释放机理及它们的相互关系；对制备过程中的能量注入、非纳米尺寸效应的额外储能模式进行计算机动态模拟，并通过实验加以验证。为高含能金属纳米铝粉及其它储能纳米金属粉体的制备工艺开发，及其在我国军事、国防工业的成功应用打下基础。

项目分别对用高频感应加热、激光-感应复合加热法以及外购的电爆炸法和等离子加热法制备的四种纳米铝粉（粒径分布、钝化壳层厚度基本相同、平均粒径约50nm球形），采用热分析、高分辨电子显微术、X射线衍射精修、正电子湮没等分析方法进行了相关对比研究。获得了纳米铝粉非尺寸效应额外储能与制备方法之间的关系及其影响因素。并用基于改进分析型嵌入原子方法(MAEAM)的分子动力学模拟定量地计算了纳米铝颗粒由于非尺寸效应分别导致的额外储能大小。.1、确立了平均粒径及粒径分布大致相同纳米铝粉的活性评判方法：在相同低加热速率下，对最大氧化速率νox、氧化转化率α和单位质量纳米铝粉放热热效应H/Δm*这三个热学参数进行综合评判。研究表明激光法制备的活性最高、其它依次为电爆、等离子体法和感应法。.2、纳米铝粉存在非尺寸因素额外储能，部分可由加热过程中晶体缺陷回复所释放，如电爆法、激光法、等离子法和感应法制备的纳米铝粉惰性环境下放热量分别为26.27J/g、18.66J/g、13.36J/g和8.29J/g。。.3、正电子湮没实验结果表明，纳米铝粉内部存在的空位型缺陷浓度高于块体铝和微米铝粉，而三种纳米样品界面空位团的尺寸差别不大，但其浓度却存在较大差别，空位团浓度大小顺序为Cv(电爆) > Cv (激光) > Cv (等离子。.4、X射线Rietveld法对三种纳米铝粉的微观应变及晶格常数研究表明，电爆法缺陷引起的晶格畸变程度最大，其次是激光感应法，等离子体法晶格畸变程度最小。.5、采用基于MAEAM势的分子动力学模拟研究了0K温度下给定尺寸的纳米铝颗粒(粒径为10 nm)非尺寸效应导致的额外储能及相关参量的变化，从模拟计算的结果发现纳米铝颗粒晶格常数、晶格收缩和额外储能随着空位（缺陷）浓度的逐渐增加呈现线性变化关系。当铝纳米颗粒空位浓度从0%增加到3%时，模拟计算的额外储能从4.68kJ/mol增加到7.21kJ/mol，与实验方法测定的额外储能大小接近。. 6、纳米铝粉在制备过程中铝原子吸收了外界注入的高能量后，易形成高浓度的缺陷，如位错、孪晶以及体缺失等，缺陷在快速冷却过程中被冻结在晶粒内部，缺陷引起的晶格畸变程度越高，系统的额外储能越高。通过调整制备工艺条件，如提高电爆法中电能存储器的电压或增加激光器的激光密度等，可向金属中注入更多的能量，从而提高纳米铝粉额外储能水平。