金屬鋁是一種新型的金屬燃料，具有較高的能量密度（30460J/g）、易點火、環境友好、反應活性可調等特點，因而被廣泛用于涂料、火炸藥、火箭推進劑等領域。然而，作為一種活潑金屬材料，鋁極易與空氣中的氧氣、水等發生反應，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一步氧化，但鈍化層的融解溫度高，會致使鋁粉產生點火溫度升高、燃速降低等不利影響。同時，納米鋁粉因極高的比表面積極易發生團聚現象，而顆粒表面鈍化層的生長會加劇這一現象的發生概率，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，多數元素所具有的缺點使得它們無法代替鋁。比如，碳粉燃燒得太慢，無法形成足夠溫度和壓力的火焰；鈹造價昂貴且毒性強；鋰的反應性太強無法與火炸藥共存；硼燃燒熱約兩倍于鋁，但燃燒效率低。鎂作為當下潛力較大的金屬燃料，雖然在燃燒速率、點火溫度方面具有一定的優勢，但其氧化層不如鋁致密，導致其粒徑在達到納米級時，無法保護內部的金屬鎂燃料，因而研究較少。

幾種金屬燃料粉體的燃燒能量密度和實際應用中的挑戰（圖源：文獻1）

解決方案

1、氣體保護

氣體保護是利用真空或保護氣體對顆粒進行保護，使金屬鋁無法接觸到氧化劑，從而防止被氧化。在進行氣體保護時，需要將制備好的納米鋁粉轉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、運輸、成品化等過程的成本，還可能在轉移過程中接觸并混入空氣，導致納米鋁粉氧化甚至發生自燃。

2、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）。納米鋁粉的氧化過程存在三個階段，快氧化階段、慢氧化階段和穩定階段，自然鈍化即讓納米鋁粉經歷快氧化階段，使形成的鈍化膜對內層的鋁粉起到保護作用。雖然能起到一定的保護作用，但該方法對活性鋁含量的保持效果不佳，還會影響納米鋁粉在固體推進劑、鋁-水反應制氫中的應用。當納米鋁粉應用于固體推進劑中時并不能縮短點火延遲時間，也不能提高推進劑的能量密度，反而會降低能量含量和燃燒性能；當納米鋁粉應用于鋁-水反應制氫時也不能進一步縮短誘導時間。

3、表面包覆鈍化法

表面包覆鈍化法是利用表面改性技術對顆粒表面進行處理改性，改善微納米顆粒表面的化學和物理特性，從而抑制顆粒表面的氧化反應、防止團聚等作用，是目前活潑金屬表面處理的通用辦法。對納米鋁粉進行表面包覆改性是一種既可以維持納米鋁粉高活性，又可以改善其穩定性和相容性的良好措施。不同的包覆材料和包覆方法對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機物包覆材料和有機材料包覆。無機包覆主要有碳包覆、SiO₂包覆、金屬及其氧化物包覆，包覆工藝比較成熟，能夠形成較穩定的核-殼結構。而有機物包覆是近幾年鋁包覆材料的研究熱點，尤其高分子聚合物和含能類物質作為包覆劑在含能材料領域研究較多。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輸過程中的危險，降低其機械敏感度等，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5）

參考文獻：

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