纳米Al粉的结构和性能表征编程频道|福州电脑网

2024年6月12日发(作者：)

第

卷　第

期

2006

年

月　

CHINESEJOURNALOFENERGETICMATERIALS

含　能　材　料

Vol.14,No.3

June,2006

文章编号

:1006

9941

(

2006

)

0227

纳米

粉的结构和性能表征

楚　广

1,2

唐永建

楚士晋

韦建军

李朝阳

刘　伟

中国工程物理研究院

四川绵阳

621900

)

22222

(

中南大学冶金科学与工程学院

湖南长沙

410083;

摘要

采用自悬浮定向流法制备金属纳米

粉。用透射电镜

(

TEM

)

、

射线能量色散谱

(

EDAX

)

、

射线衍射

(

XRD

)

、紫外2可见光吸收光谱

(

Vis

)

和差示扫描量热2热重法

(

DSC

)

对纳米微晶形貌、粒度、结构和性能进行了研

究。结果表明

纳米

粉的平均粒径为

50nm,

颗粒基本为球形

放置半年后含氧量为

8.2%,

最大的吸收峰出现在波长

为

253nm

处。在

气流中

在

780

℃时纳米铝粉增重约

20%,

熔化峰位置为

654.8

℃

熔化吸热为

136J

・

-1

。

关键词

分析化学

;

纳米铝粉

;

性能

;

热分析

;

自悬浮定向流法

中图分类号

:TG113;O65

　　　文献标识码

　引　言

纳米

粉的制备方法主要有物理法、电爆法和

高能球磨

(

)

法。物理法中的常规加热方式有电阻

加热、等离子体加热、高频感应加热、电子束加热、激光

加热等

并且通过各种加热工艺产生了许多制备纳米

[2][3,4]

铝粉的制作方法。自悬浮定向流技术就是利用

高频感应加热金属

采用独特的无接触加热方式

所得

到的产物纯度与原料成分完全一致

而且通过调整制

备过程中的工艺参数

可以控制金属纳米颗粒的平均

粒径和生产效率

非常适合批量生产金属纳米材料和

满足各种科学实验的要求。

目前国内外关于纳米铝粉在含能材料方面的应用

[5]

己经取得了很大的进展。与普通铝粉相比

纳米铝粉

具有燃烧更快、放热量更大的特点

若在固体燃料推进

剂中添加

质量比的超微铝或镍颗粒

燃料的燃烧热

[6][2]

可增加

倍。国外有研究报道

在

HTPB

复合推进

剂中

加入

20%Alex

(

ARGONIDE

公司产品

)

与同样

含量普通铝粉相比较

燃烧速率可以提高

70%

。在炸药

中加入高热值的金属粉末是提高炸药作功能力的途径

之一。含铝炸药作为一类高密度、高爆热、高威力炸药

[7]

已被广泛应用在水中兵器和对空武器弹药中。

本实验对用自悬浮定向流法制备的纳米金属

粉的结构和性能进行了初步研究。

收稿日期

:2005

01;

修回日期

:2006

基金项目

国家自然科学基金

(

10475069/A0506

)

中物院面上基金

(

20050866

)

[1]

　实　验

2.1

　样品制备

用自悬浮定向流法制备纳米金属

粉体样品

(

浅

灰色

)

经空气缓慢钝化后贮存在广口瓶中

用于测试。

2.2

　分析测试手段

纳米微粒在无水乙醇中经超声波振荡

1h,

使样品充

分分散后

在

PhilipsEM420

型透射电镜上进行形貌观察。

热分析采用德国生产的

NETZSCHSTA449C

型综

合同步热分析仪

(

DSC

)

上进行测定。分别使用空气

-1

和

流动载气

流速为

20ml

・

min

。

坩埚。升

温速率为

℃・

min

升温至

800

℃。样品用量为

2mg

左右。仪器最大误差

温度为

℃

失重为

0.4%

。

样品的表面微区化学成分用美国

EDAXInx.

公司

生产的

GENESIS60S

型

射线能量色散谱仪

(

EDAX

)

完成测试分析。

采用

Carry100

型

(

美国

VARIN

公司制造

)

紫外2可

见光分光光度计测定样品的紫外2可见光

(

Vis

)

吸

收光谱

可提供的紫外光2可见光的扫描范围为

190

～

-1

800nm,

扫描速率为

600nm

・

min,

数据间隔

1nm,

-1

样品浓度约

0.01mg

・

分散介质为无水乙醇。

用

PhilipsX

′

PertProMPD

型

射线衍射仪检测

纳米金属

粉体的物相组成和晶粒度。测试条件为

靶

(

.54056

)

管电流

40mA,

管电压

40kV,

石墨单色器衍射束单色化。相应的衍射峰采用

-1

作者简介

楚广

(

1958-

)

男

博士

高级工程师

长期从事有色冶金及

材料研究工作。

mail:chuguang2006@

自动阶梯扫描收集数据

范围

°～

800

步长

0.020

时间间隔

0.1s,

。通过对原始衍射峰进

行

和

射线进行分离

把由仪器引起的几何宽化

和由尺寸及微观应变引起的物理宽化分离开来

对扣

含　　能　　材　　料

228

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第

卷

除了几何宽化的衍射峰用

Warren

Averbach

傅立叶变

[8]

换分析方法进行处理

求得样品的晶粒尺寸和微应

变

(

上述计算可以自动完成

)

。

　结果与讨论

3.1

　用

TEM

研究纳米金属

粉的形貌

产生的谱峰的相对衍射强度非常小

(

≤

0.47%

)

半高

)

其中最大的半高宽宽

FWHM

比较大

(

≥

1.3050

FWHM

为

4.0000

°。而且都很“矮”。这种宽度的峰型

说明纳米金属铝粒子表面生成的

的晶粒度很小

好象具有类似非晶结构的峰型。因此我们认为铝的纳

米颗粒外表面可能生成了一层类似非晶结构的

[9]

=77.2

°氧化膜。谱峰在

时发生了分裂的原因可能

有以下两个方面

其一

,Al

纳米粉在钝化时

表面生成

[10]

了氧化铝

造成了点阵常数增加。其二

仪器的测角

器随

的增大而分辨率提高。仪器这时能把纳米晶粒

和大尺寸

(

≥

100nm

)

的晶粒区分开来。从表

可见

在

=77.9694

处两个峰的半高宽比约为

强度比约为

说明存在大尺寸

(

≥

100nm

)

的晶粒。从衍射强度来

样品形貌和粒子尺寸用

TEM

表征。从图

可以

看到

铝纳米微粒的形貌呈球形

颗粒之间“粘连”现

象并非制备的原因

而是由于颗粒在

TEM

分析时电子

束方向上有所重叠所致

这从图中颗粒间的衬度不同

就可说明。制备的铝纳米颗粒粒径分布范围较窄

大

约分布在

～

65nm

之间

平均粒径为

50nm

。铝的

纳米颗粒间存在着一些不规则的絮状物

这是因为在

纳米材料制备过程中

作为原料的块体材料熔融之后

继续受热

温度升高

大量的原子飞出液面

使一些原

子具有十分相近的动能

一飞出液面受冷后就按照一

定的方式凝聚成原子簇

互相碰撞长大形成了纳米超

微粒子

也有一些原子簇没有合适的机会来不及长大

或长大得不完全

它们的形状、方位都存在着差异。铝

纳米颗粒间存在的不规则絮状物估计是制备过程中保

留下来的一些来不及长大的结晶核以及一些原子团簇

聚集而成的非晶态物质

这与金属铝的性质

(

不同温度

下的蒸气压

)

以及制备条件

(

如

气流的冷却速度

)

有

关

通过调整工艺参数可以减少这种絮状物的量。

分析其数量不会太多。

图

　纳米

颗粒的

XRD

谱

Fig.2

raydiffractionspectraofAlnanoparticles

表

纳米颗粒的

XRD

实验测试相关数据

Table1

TheexperimentaldataofXRDforAlnanoparticles

diffraction

(

)

angle2

33.

38.

44.

59.

65.

67.

77.

78.

height

/cts

FWHM

)

(

3050

2202

2119

1101

1979

0000

0256

1837

spacing/

69696

34395

02875

55408

43312

37907

22442

22168

100.

48.

28.

14.

31.

area

/cps

96.

3443.

1596.

105.

878.

200.

59.

896.

图

　钝化后的铝纳米微粒的

TEM

形貌图像

Fig.1

TransmissionelectronmicrographsofdesensitizedAlnanoparticles

19154.91

37171042.59

6292502.25

42683.33

0272295.91

91293.34

9694155.94

1778325.19

3.2

　纳米

粉的物相分析

贮存半年后的铝纳米微粒的

XRD

谱图如图

所

示

,XRD

测试的相关实验数据见表

。分析表明

有少

量

纳米颗粒被氧化

根据图

的数据进行计算

可得

样品晶粒度约为

27.78nm,

微应变为

0.098%

。分析表

明

四个衍射峰均为铝的特征峰

个晶面

为面

心立方结构

与

的衍射卡片

(

085

1327

)

啮合得较

好。而铝的氧化物所产生的谱峰基本上与

的衍

射卡片

(

2080

)

相吻合。我们不难看出

由

所

图

为由贮存半年后的铝纳米微粒的

射线能

量色散谱

(

EDAX

)

图

表明其中含有

8.72%

的氧。这

[11]

说明它的氧化并不十分严重

有关研究也证明了贮

存一年后的

纳米颗粒的活性丧失程度不大

其原因

是

纳米粉在钝化时

表面生成致密的氧化层阻止了

纳米

粉被空气继续氧化。研究发现

铝粉的球形

化

可降低铝粉的表面氧含量和氧化层厚度

这对于提

高球形纳米铝粉中活性铝的含量非常有利。

第

期　　　　　　　　　　　　　　　　楚　广等

纳米

粉的结构和性能表征

229

New

nanoAl

和

Old

nanoAl

的动态氧化过程如图

所示。二者的曲线形状基本一样。纳米铝粉的氧化

是多阶段过程。在氧化的前段是动态的和非饱和的。

在

521

～

609

℃范围内

出现了强氧化峰。二者的区别

是前者比后者的氧化活性好。主要体现在

DSC

曲线

上前者的峰值温度

(

=557.8

℃

)

较后者的

(

565.9

℃

)

降低了

8.1

℃

当温度为

640

℃时

前者的

反应分数

(

22.8%

)

较后者的

(

18.3%

)

高

4.5%

。前者

-1

的氧化反应放出的热量

(

3866J

・

)

比后者的

(

2775J

・

-1

)

大

39%

。这个结果对于制备含能材料

来说

意味着用新的纳米铝粉所含的能量大。因此防

止纳米铝粉的氧化是非常重要的。

New

nanoAl

和

Old

nanoAl

的熔点测试结果如图

所示。二者的曲线形状也基本一样。但我们发现

在

气流中

纳米铝粉发生增重。从

℃升温到

780

℃时

New

nanoAl

增重约

20%,Old

nanoAl

增重约

19%,

其原

图

　纳米

颗粒的

EDAX

谱

Fig.3

EDAXspectraofAlnanoparticles

3.3

　紫外2可见光分光光度计

(UV

Vis)

分析

纳米

粉微粒紫外2可见光吸收光谱如图

所

示

放置一年后的样品

(

old

nanoAl

)

和最近制备的样

品

(

new

nanoAl

)

分别在

253.00nm

和

252.00nm

处出

现较强的吸收峰

这是铝纳米颗粒表面等离子体共振

吸收峰

它起源于激光电磁场诱导的电子相干共

[12]

振

此吸收峰的位置、形状与团簇颗粒的大小、形

[13,14]

状、分散状态相关

由于纳米微粒具有量子尺寸

效应

粒子尺寸相应增大时

相邻能级的能量差减少

相邻束缚态能量差减少

对应吸收峰中心波长增大

将

会导致吸收峰的红移。从图

可知

这两种纳米铝粉

的吸收峰的位置差

1nm,

这表明它们的颗粒度基本相

同

但后者的吸收强度比前者大

这是由于新纳米铝粉

的表面活性大

被氧化的程度小的缘故。

因有待进一步研究。还可以看到

前者的熔化吸热峰的

位置为

654.8

℃

后者的为

656.6

℃

前者比后者降低了

1.8

℃。但它们都比常规铝材料的熔点

(

660

℃

)

低

度

左右。实验结果体现了纳米金属材料低熔点的特点。同

-1

时从热分析可知

前者的熔化吸热

(

-136J

・

)

比后者

-1

的

(

-148J

・

)

少

即前者容易熔化

活性大些。上述

二种气氛下的热分析结果是一致的。

图

　二种纳米

粉的动态氧化过程

(

DSC

)

曲线

Fig.5

TheDSC

TGcurvesofdynamicoxidation

oftwokindsofAlnanoparticlesinair

图

　纳米铝粉的紫外2可见光吸收光谱

Fig.4

visibleabsorptionspectraofAlnanoparticles

3.4

　热分析

用自悬浮定向流法制备的纳米金属

粉体刚从充

有惰性气体的瓶子里取出来

暴露在空气中时

有自燃

现象发生。其原因是其表面剧烈的氧化反应释放的热

量将足以激活本体的自氧化反应

而反应放出的热量可

使纳米铝粉升温至

1773K,

从而导致纳米铝粉的自燃。

图

　二种纳米

粉的熔化过程

(

DSC

)

曲线

Fig.6

TheDSC

TGcurvesofmeltingprocess

oftwokindsofAlnanoparticlesinAr

含　　能　　材　　料

230

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第

卷

　结　论

采用自悬浮定向流方法可制备高品质的平均粒度

为

50nm

的球形金属纳米铝粉

放置半年后含氧量为

8.2%,

紫外2可见光吸收光谱

(

Vis

)

最大的吸收峰

出现在波长为

252nm

处。热分析表明

在空气气流

中

,521

～

609

℃范围内

新纳米铝粉氧化反应放出的

-1

热量

(

3866J

・

)

比未密封包装贮存一年的纳米铝

-1

粉

(

2775J

・

)

高

39%

。在

气流中

在

780

℃时

新纳米铝粉增重约

20%,

熔化峰位置为

654.8

℃

比

未密封包装贮存一年的纳米铝粉降低了

1.8

℃。

致谢

感谢中物院激光聚变研究中心靶科学与制备部全

体同事和领导的支持

感谢雷海乐、黎军和师红丽的支持和帮

助。感谢中物院化工材料研究所七室周建华、王新锋、沈永兴、

刘宁和官德斌等在分析测试方面的支持和帮助。

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CHUGuang

1,2

,TANGYong

jian,CHUShi

jin,WEIJian

jun,LIChao

yang,LIUWei

.ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang

621900

,China

)

22222

(

.SchoolofMetallurgyScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha

410083

,China;

Abstract:Alnanoparticleswerepreparedbyflow

phologies,granularities,structureandpropertiesof

particleswereinvestigatedbyTEM,EDAX,XRD,UV

visibleabsorptionspectroscopy,andthermalanalysis

(

DSC

)

tech

ultsshowthatmeangranularityofthesphericAlnanoparticlesis50nm,themaximumpeakabsorptionappearsat

wavelengthof253nm,andtheoxygenpercentageofAlnanoparticlesis8.2%,the

weightofAlnanoparticlesincreasesbyafactorof20%approximatelyfrom20

℃

to780

℃

,fusingpeakofAlnanoparticlesappears

at654.8

℃

,andmeltingheatis136J

・

-1

,respectively.

Keywords:analyticalchemistry;Alnanoparticle;property;thermalanalysis;flow

levitationmethod

Ⅵ

CharacteristicsofDetonatorSympatheticExplosionin

DensifiedMedium

GraphicalAbstractVol.14,No.3,2006

ZHAOYao

hui,JIAOQing

jie,ZANGChong

guang,

LIUShuai

ChineseJournalofEnergeticMaterials,

2006,14(3):224-226

Sympatheticexplosionofdetonatorsinchipboardwasanalyzedwithrecorded

ckwavepressurepeakanditsdurationwererecorded.

CharacterizationofStructureandPropertiesof

AlNanoparticles

Alnanoparticleswerepreparedbyflow

pholo

CHUGuang,TANGYong

jian,CHUShi

jin,

WEIJian

jun,LIChao

yang,LIUWei

ChineseJournalofEnergeticMaterials,

2006,14(3):227-230

gies,granularities,structureandpropertiesofparticleswereinvestigated

byEDAX,XRD,UV

visibleabsorptionspectroscopyandthermalanalysis

(

DSC

)

techniques.

ComputationalAnalysisonParametersofShapedCharge

AffectingFormationofJettingProjectilebyNumerical

SimulationandGreyRelationTheory

ZHAOHui

ying,SHENZhao

wu,WANGXiao

hai

ChineseJournalofEnergeticMaterials,

2006,14(3):231-235

relationalmatrixshowsthataltitudeofthelineristhemainfactorsaffecting

theperformanceoftheshapedcharge.

ApplicationStudyonBlastingwithLinearCumulative

CuttingChargeinRock

Themechanismofcrackinitiationanditsexpansionoforientationfracture

LUOYong,SHENZhao

wu,CUIXiao

rong

ChineseJournalofEnergeticMaterials,

2006,14(3):236-240

blastingbylinearcumulativecuttingchargeinrockwasstudied,thenthe

cumulativecuttingchargewasdesignedandtestedinlaboratoryandfield.

Executiveeditor:LIShao

hui;

Computertypesetter:ZHANGGui

hong

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