关键词： 高性能铝粉   彩色铝颜料   包覆改性   复合材料   耐碱性  

摘要： 片状铝粉因其强烈的金属光泽和闪光视觉感成为应用最广泛的金属颜料,高性能的铝颜料在各个领域深受欢迎。随着社会的发展,单一的纯银色耐腐蚀铝颜料已经逐渐满足不了环保的高要求以及人们的审美观念,高性能铝粉颜料,例如彩色铝颜料,是各个领域迫切需求的。在本文中,我们通过对铝粉的表面着色化、功能化结构构筑设计,从三类不同类型的颜料出发,制备了三种高性能铝粉。论文主要包括以下几个部分:（一）设计了一种无机-有机杂化包覆的高性能彩色铝粉。以片状铝粉、硫代乙酰胺（TAA）和五水四氯化锡（5HO·Sn Cl）为原料,通过一步溶剂热法在铝粉表面生长二硫化锡,制备了一种高闪光性的金色铝粉。采用原位聚合法在金色铝粉上包覆了一层由三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯（TMPTMA）和甲基丙烯酸三氟乙酯（TFEMA）形成的含氟聚合物膜,制备了无机颜料着色-有机含氟膜封装的高性能铝粉。硫源是二硫化锡片层生长的关键,反应条件可以改变二硫化锡生长的状态及片层间隙,从而改变样品的颜色。FESEM、EDS、XPS等结果证明了杂化包覆的高性能铝粉成功制备。制备的金色铝粉色彩鲜艳,光泽度优异;杂化包覆型铝粉耐碱性优异,能抵御5 wt%碱液的侵蚀,对基材有很好的保护作用。（二）设计了一种色彩鲜艳的乙烯基砜型活性染料封装的高性能水性彩色铝粉。采用溶胶-凝胶法,利用乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）作为改性剂,在片状铝粉表面引入了乙烯基改性层。活性蓝19（RB-19）作为典型的乙烯基砜型活性染料,在铝粉表面发生聚合反应,得到RB-19封装的高性能水性彩色铝粉。优化了最佳制备条件,反应条件可以调控最终样品的颜色。FESEM、TEM、XPS等测试结果证实了乙烯基改性层和染料层的存在。RB-19在铝粉表面呈针织花样结构,染料层致密均匀,赋予了铝粉表面润湿性及耐腐蚀性能。制备的高性能铝粉色彩鲜艳,耐碱性优异,72 h内在5 wt%碱液中没有析氢行为。（三）设计了一种化学性质稳定的色彩鲜艳的有机颜料着色的彩色铝粉。采用聚苯乙烯磺酸钠（PSS）作为分散改性试剂,通过球磨机的作用力,对喹吖啶酮红、酞菁蓝等有机颜料表面富集阴离子,然后通过铜离子将分散改性的有机颜料锚定在铝粉表面,制备出颜色鲜艳的彩色铝粉。通过粒径分析优化最佳有机颜料改性条件,有机颜料在醇水体系中分散粒径降低至650 nm左右。FESEM、XPS等测试结果证实了该方法可以使得鲜艳的有机颜料着色在铝粉表面。所制备的彩色铝粉色彩鲜艳,光泽度好,装饰效果优异。

关键词： 氮化铝粉体   纳米级碳黑   有机分散剂   碳热还原法   分散作用  

摘要： 氮化铝（AlN）作为第三代半导体材料，具有优异的热学、力学和电学性能，比如高的热导率、低的介电常数、与Si、GaAs相匹配的热膨胀系数、化学稳定性好、较低的密度、电绝缘性好以及环保无毒等，因此，被广泛应用于封装材料、基体材料和结构材料等领域。　　本文使用超细氧化铝粉作为铝源和纳米级碳黑作为碳源，采用碳热还原法制备氮化铝粉体，通过测量粘度、SEM、粒度、XRD、氧含量、光学接触角等，研究了蓖麻油（CTO）、三油酸甘油酯（GTO）、聚乙烯醇（PVA）及聚乙烯吡咯烷酮（PVP）有机分散剂对碳热还原法制备氮化铝粉体性质的影响及分散作用机理，获得的主要结果如下：　　在水介质体系中未添加分散剂情况下，通过调整碳热还原合成温度和保温时间可以得到单一氮化铝相，但产物团聚较为严重。当合成温度为1600℃，保温时间为4h，得到的氮化产物氧含量低于1.5wt.%。　　与乙醇介质体系中不加分散剂相比，添加1-5wt.%CTO对氧化铝/碳黑/乙醇体系球磨后浆料的粘度无明显改善。当CTO添加量为1wt.%时，相对于乙醇体系中不加分散剂样品，氮化产物颗粒中位径由3.72μm降低为3.59μm，2μm以下一次粒子占比由28.07%增加为28.69%，产物分散稍有改善。然而，当CTO添加量在2-5wt.%时，产物颗粒之间的团聚变得严重。当加入1-6wt.%GTO时，随GTO添加量增加，球磨后浆料粘度降低，流动性变好。与添加1wt.%CTO相比，添加6wt.%的GTO后得到的氮化产物颗粒中位径由3.59μm降低为3.30μm，2μm以下一次粒子占比由28.69%增加为31.86%。因此，同样作为油脂类分散体系，GTO分散效果优于CTO。　　添加PVA对球磨后浆料的粘度有明显影响。当PVA添加量在3-4.75wt.%变化时，氧化铝/碳黑浆料粘度逐渐降低，当PVA添加量在5-6wt.%变化时，粘度反而增加。另外还发现，当PVA添加量在4-6wt.%变化时，球磨浆料中产生大量细密气孔，该气孔可保留至干燥后的粉块中。PVA的加入一方面可显著降低球磨氧化铝/碳黑/水浆料粘度，另一方面氧化铝/碳黑粉体干燥后呈现疏松多孔的堆积结构，这不但改善了氧化铝/碳黑的分散，而且增加了氮气与氧化铝/碳黑颗粒的接触面积，有利于碳热还原反应的进行。通过优化PVA添加量至4.75wt.%，最终合成得到的氮化铝产物颗粒中位径为2.98μm，2μm以下一次粒子占比为34.89%。　　PVP对氧化铝/碳黑的分散效果优于CTO、GTO和PVA。PVP添加量、料水比变化会影响氮化产物的粒度分布和2μm以下一次粒子占比。在无水乙醇分散介质中，当料醇比为1:4、PVP添加量为6wt.%时得到的氮化产物颗粒最细，中位径为2.35μm，2μm以下一次粒子占比达到43.48%;在去离子水分散介质中，料水比为1:4、PVP添加量为6wt.%时得到的氮化产物颗粒最细，中位径为2.61μm，2μm以下一次粒子占比达到39.03%;降低料水比至1:5，得到的氮化产物颗粒中位径降低为2.40μm，2μm以下一次粒子占比提高至43.07%。在6wt.%PVP添加量时，料水比为1:5的水分散介质体系与料醇比为1:4的乙醇分散介质体系具有相似的分散效果。　　在水或乙醇介质体系中加入PVP，通过改善超细氧化铝/碳黑的分散从而提高了最终碳热还原氮化铝产物颗粒的分散，其作用机制为：（1）显著提高了溶液对疏水纳米碳黑粉体的润湿性，有利于溶液向团聚的碳黑粉体颗粒之间渗透;（2）改善了碳黑粉体在溶液中的悬浮与分散;（3）降低了球磨过程中氧化铝/碳黑浆料的粘度，在同样的球磨工艺条件下，氧化铝/碳黑颗粒之间的分散更加充分。　　在合成温度为1600℃，保温时间为4h条件下，添加0-5wt.%CTO、1-6wt.%GTO、3-6wt.%PVA和2-10wt.%PVP对最终氮化铝相的生成没有不利影响，均可生成单一相氮化铝，然而，采用PVP作分散剂，获得氮化铝产物的氧含量更低。

关键词： 尿素铝配合物   氧化铝粉体   吸附   低温  

摘要： 氧化铝纳米材料的优良性能使其具有广泛的应用,如:催化剂载体、吸附剂、陶瓷和磨料等。氧化铝晶型通常应用最广泛的是α-AlO和γ-AlO,其中γ-AlO的比表面积较高,被广泛应用于大分子染料和离子吸附分离中。采用传统方法制备γ-AlO的比表面积相对较低(<250 m?g),孔径分布较宽,并且高温下容易转变为α-AlO稳定相,这限制了其催化和吸附应用。与γ-AlO相比,α-AlO的传统合成方法所需要的温度更高（>1200℃）。然而,高温极易造成α-AlO粒子团聚。降低α-AlO晶型转化温度、减少颗粒接触机会是克服团聚的重要方法,所以低温合成是有效的解决方法之一。γ-Al O（OH）作为γ-AlO的前驱体,通常具有较高比表面积,也可以将其运用到吸附领域。故此本文以尿素铝为前驱物,以直接热分解法制得了单晶α-AlO,采用溶剂热法在低温下成功制备出了高比表面积的γ-AlO纳米粒子,采用水热法制得了γ-Al O（OH）粉体。利用X-射线衍射分析（XRD）、差热-气相色谱-质谱联用仪（TG-GCMS）、N吸附-脱附及孔径分布分析（BET、BJH）、扫描电镜分析（SEM）、透射电镜分析（TEM）、等电点等手段对这些粉体进行了表征。结果表明,在550℃下制得了平均晶粒尺寸为47.3 nm的六方形单晶α-AlO,其比表面积、孔容和最可几孔径分别为0.9 m?g、0.023 cm?g和3.8 nm。300℃下制得了平均晶粒尺寸为2.6 nm的γ-AlO,其比表面积、孔容和最可几孔径分别为601.0 m?g、0.936cm?g和3.4 nm。150℃下制得了平均晶粒尺寸为9.80 nm的棒状γ-Al O（OH）,其比表面积、孔容和最可几孔径分别为83.0 m?g、1.193 cm?g和3.8 nm。以所制备的三种样品分别对实验室模拟含氟地下水溶液进行吸附,探究了时间、吸附剂用量、溶液p H、溶液初始浓度、温度和共存离子对氟离子吸附的影响,得出了最佳吸附条件,同时也探究了三种样品对氟离子的吸附动力学、吸附等温模型。由实验结果总结可知:（1）α-AlO吸附剂对氟离子的吸附率很低,在吸附剂用量为0.2 g,吸附60 min后,对浓度为10 mg·L的氟离子溶液的吸附率还未达到20%。p H值对α-AlO的影响较大,在酸性条件下α-AlO对氟离子的吸附率最高。通过拟合得出:α-AlO对氟离子的吸附符合准一级动力学模型。其吸附等温线符合Langmuir吸附模型,为单分子层吸附,极限吸附量为1.9mg·g。（2）γ-AlO吸附剂吸附氟离子的最佳吸附条件为:吸附剂用量0.05 g,吸附时间30 min,不调节p H值。在最佳条件下,吸附率达到了93.6%,将浓度为10 mg·L的模拟氟离子废水的浓度降低到国家标准允许值(<1.0 mg·L)。并且γ-AlO对氟离子的吸附为吸热反应。通过拟合得出,γ-AlO对氟离子的吸附符合准二级动力学模型,为化学吸附,吸附等温线符合Freundlich吸附模型,为多分子层吸附,极限吸附量为10.9mg·g。（3）γ-Al O（OH）对氟离子的最佳吸附条件为:吸附剂用量0.1 g,吸附时间30 min,不调节p H值,此时对浓度为10 mg·L的氟离子溶液的吸附率达到94.2%。γ-Al O（OH）对氟离子的吸附符合准二级动力学模型,为化学吸附。吸附等温线符合Langmuir吸附模型,为单分子层吸附,极限吸附量为5.2 mg·g。（4）将三种吸附剂对氟离子的吸附性能进行对比,得出结论:吸附量大小顺序为:α-AlO<γ-Al O（OH）<γ-AlO,说明比表面积大小决定了吸附性能,比表面积越大,吸附性能越好。

关键词： 硬脂酸   复合铝粉   溶液共混法   耐腐蚀性   抗吸湿性   声光性能  

摘要： 雾化铝粉是一种高能金属燃料,广泛应用于推进剂、可燃剂、发光剂等领域。为防止雾化铝粉氧化及吸水团聚,本研究以硬脂酸(Stearic Acid, SA)为包覆剂,通过溶液共混法对雾化铝粉进行表面包覆处理,制备了复合铝粉(SA/Al),并对复合铝粉的耐腐蚀及抗吸湿性能进行了测试。在此基础上,采用复合铝粉制备了声光剂,并测试了其安定性及声光性能。结果表明,硬脂酸可对铝粉实现有效包覆,所得复合铝粉的耐腐蚀性、抗吸湿性均有显著提高;以复合铝粉制备的声光剂声光性能有所提高,安定性良好,其中8%SA/Al的综合性能最优,其吸湿性的数值为0.021 9%,仅为原料铝粉的1/60;1.5 m处声压级为179.27 dB,较原料铝粉提高了1.7 dB;发光强度为0.95×10～7 Cd,与原料铝粉持平。

关键词： 真空感应气雾化   限制式喷嘴   输液管堵塞   球形铝粉   雾化实验  

摘要： 真空感应熔炼气雾化技术是金属粉末的工业生产中性价比较高且应用广泛的方法之一,目前使用该方法制备的粉末依旧存在粒度分布宽、细粉收得率低、卫星颗粒多等不足之处。为了进一步提高粉末的性能,近年来研究的重点主要集中在雾化机理研究和工艺优化等方面,而忽略了设备设计缺陷对雾化工艺及粉末品质的影响。本文在对真空气雾化系统进行综合调试的基础上,依据现有粉末体系的设计理念,对气雾化系统与装置的不足之处进行优化改进。在纯气体条件下研究了不同参数对喷嘴中轴压力的作用机制与影响规律,并在压力测试结果的指导下,通过雾化实验确定了工艺参数对粉末粒度分布、细粉收得率和粉末形貌的影响。研究结果如下:喷嘴中轴正、负压区的形成是气流卷吸与散射共同作用的结果,输液管尖端处的压力P'比熔体重力产生的液压P大时,气流在压力差的作用下通过输液管流向保温坩埚,输液管不会发生堵塞的基本条件是P'50由155.55μm减小到83.525μm,减小了46.3%,粒径小于200μm的铝粉收率由36.5%提高至59.8%。熔体温度主要影响熔体的表面张力与粘度,铝液温度由800℃增加到850℃时,D50由111.669μm减小到103.221μm,粒径小于200μm的铝粉的收得率由49.75%增加到53.64%。伸出长度的不同会改变输液管的尖端压力,熔体流动受到尖端压力的强烈影响,输液管伸出长度为21 mm时,熔体流动受到反向气流的阻碍,熔体的质量流量最小,气液比最大为9.7,雾化得到的粉末D50最小为70.436μm,粒径200μm以下的粉末收得率最高为67.3%。毛细阻力与输液管的直径成反比,输液管直径为3.5 mm时,D50最小为90.278μm,粒径小于200μm的球形铝粉的收得率最高为53.67%,粉末具有很高的球形度。喷嘴雾化夹角为30°时,铝粉的粒径分布较窄,5～100μm范围内的铝粉占据了60%以上,粒径小于200μm的铝粉总收得率最高为59.8%,更适合实际的雾化过程。优化后的工艺参数为:气压3 MPa,熔体温度850℃,输液管伸出长度21 mm,输液管直径3.5 mm,喷射夹角为30°。

关键词： 片状氧化铝纳米粉体   聚醚酰亚胺   介电复合材料   有限元模拟   表面改性   储能性能  

摘要： 本文基于有机无机介电复合材料的应用需求,从合成作为无机填料的片状纳米氧化铝粉体(AlO NSs)出发,以聚醚酰亚胺(PEI)作为有机基质,系统开展提高AlO NSs/PEI复合材料击穿场强和能量密度的实验研究与有限元模拟研究工作,并对该复合材料性能提升的机理进行解释,本论文的具体研究工作如下。首先,采用水热法制备片状AlO粉体,探究水热温度对颗粒形貌和水热时间对复合材料击穿场强的影响。发现当水热温度从140°C升高到180°C时,AlO粉体的形貌逐渐变为规则的片状形貌,横向尺寸约为50 nm,厚度约为10 nm,继续升温至200°C,合成的AlO粉体团聚严重。当水热时间从16 h增大至28 h时,将合成的AlO粉体加入到PEI中制备成复合材料,研究其击穿场强变化,发现当粉体水热时间从16 h增大至24 h时,复合材料在150°C下的击穿场强不断增大,继续增大至28 h,其击穿场强下降。将上述制备的AlO NSs作为复合材料的无机相,PEI作为有机相,采用溶液浇铸法制备AlO NSs/PEI复合材料,研究AlO NSs添加量对复合材料击穿场强和能量密度的影响,结果表明,当AlONSs添加量为0.6 wt%时,复合材料在25°C下的击穿场强和放电能量密度分别达到693 k V/mm和7.33 J/cm,与纯PEI相比,提高了26.2%和133%,在150°C下的击穿场强和放电能量密度分别达到565 k V/mm和5.2 J/cm,比纯PEI提高了29.8%和168%。复合材料击穿场强和放电能量密度的提高可归因于AlO NSs的宽带隙和片状形貌能够在复合材料内部产生深陷阱,捕获游离的电荷,并阻挡电树枝的发展。基于上述研究结果,为了进一步提高复合材料在高温下的能量密度,对AlO NSs进行表面改性处理以改善复合材料的界面相容性。分别考察3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)三种改性剂,实验发现PVP对AlO NSs的改性效果较优,在150°C下复合材料的储能密度达到6.33 J/cm,相比于添加未改性AlO NSs的复合材料,提高了20%。高温储能密度提高的原因在于通过PVP可改善AlO NSs与PEI的界面相容性,增强了在高温下的界面结合力。最后,采用有限元方法模拟研究AlO NSs/PEI复合材料内部电场强度和电荷密度分布的影响。模拟结果显示,AlO NSs的加入可以有效降低复合材料内部的电场强度从而提高其击穿场强,并且当AlO NSs间距保持在一定范围内可以最大限度降低复合材料内部电场强度。将电流场与温度场耦合,模拟研究复合材料内部温度梯度变化,发现AlO NSs在复合材料中充当热量散射中心,可以及时转移复合材料内部的焦耳热,避免热击穿。

关键词： 二次铝灰   硫酸铵焙烧   氢氧化钠焙烧   水热合成法   氮化铝  

摘要： 二次铝灰是铝生产过程中排放的危险废弃物,具有环境危害严重、安全处置成本高、资源化利用率低等问题,目前没有经济、高效的回收处理工艺。本研究对二次铝灰进行水洗预处理,优先除去可溶性盐类（氯化物、氟化物）和氮化铝。然后对水洗渣采用硫酸铵焙烧-水浸法和氢氧化钠焙烧-水浸法回收铝,并通过比较得出有利于二次铝灰中铝的高效提取工艺。同时以二次铝灰中提取的氧化铝为原料,采用水热合成法制备氮化铝前驱体,碳热还原法制备氮化铝粉末。主要研究结果如下:（1）硫酸铵焙烧-水浸法是利用二次铝灰中铝及其化合物与硫酸铵在低温下焙烧转型为硫酸铝铵,通过水浸实现铝的提取。在最佳反应条件下:焙烧温度为425℃、m（硫酸铵）/m（水洗渣）为6:1、焙烧时间为90 min、浸出温度为60℃、浸出时间为90 min、液固比为8（mL/g）,Al、Ca、Mg、Si和Fe的浸出率分别为82.01%、36.46%、69.78%、1.76%和48.06%。采用冷却结晶从硫酸铵焙烧水浸液中制备硫酸铝铵晶体,利用搅拌的方式加快结晶速度。硫酸铝铵晶体经煅烧后的产品中Al2O3纯度达98.36%,杂质金属含量低于0.7%。（2）氢氧化钠焙烧-水浸法是利用二次铝灰中铝及其化合物与氢氧化钠在高温下生成易溶于水的偏铝酸钠,然后通过水浸方式实现铝的提取。在最佳条件下:焙烧温度为700℃、m（氢氧化钠）/m（水洗渣）为1.2:1、焙烧时间为60 min、浸出温度为60℃、浸出时间为60 min、液固比为15,Al、Ca、Mg、Si和Fe的浸出率分别为93.63%、0.25%、0.03%、25.77%和0.16%。采用氧化钙对氢氧化钠焙烧水浸液进行脱硅处理,脱硅率最高达98.82%,铝的损失率达26.81%。将脱硅后的溶液通过调节pH至7-8制备氢氧化铝,铝的沉淀率达99.96%。氢氧化铝经煅烧后的产品中,Al2O3的纯度达99.41%,杂质金属含量低于0.06%。（3）以氢氧化钠焙烧-水浸法从铝灰中提取的Al2O3为原料,以葡萄糖为碳源,采用水热合成法制备氮化铝前驱体。考察了葡萄糖与氧化铝质量比（C/A,g/g）、表面活性剂（CTAB）用量(m（CTAB）/m（Al2O3）,wt%)等工艺条件,将所制备的氮化铝前驱体在反应温度为1973 K、压力为9.5×10～4 Pa的条件下进行碳热还原氮化制备氮化铝粉末。结果表明,在葡萄糖与氧化铝的质量比为3:1和CTAB用量为2.4%条件下,氮化铝粉末纯度较高。其中杂质元素C、O、Ca、Fe、Si的含量为0.0422%、0.3040%、0.0163%、0.0095%、0.0055%。氮化铝的粒径分布为D10=0.364μm、D50=0.923μm、D90=3.047μm。

关键词： 复合铝粉   固体推进剂   过渡金属   液相还原法   HTPB  

摘要： 铝粉因具有高活性、良好的燃烧性能和高密度等优势被广泛应用于固体推进剂领域。铝粉表面常被氧化,导致活性铝含量降低,影响其燃烧性能。对铝粉进行包覆改性是提高释能效率、优化固体推进剂能量与燃烧性能的有效手段。过渡金属对固体推进剂组分具有良好的催化效果,过渡金属的引入可以提高Al粉的抗氧化性能,还可以改善推进剂的燃烧特性。此外,选择推进剂中的粘合剂组分端羟基聚丁二烯(HTPB)进行二次包覆,可进一步阻止复合铝粉的氧化,也有利于压装成型。本文采用一锅法对微纳米Al粉进行过渡金属(Ni、Co)和HTPB的双包覆,得到微纳米复合粒子(HTPB/M/Al)。具体研究内容可分为以下几个方面:1.双包覆微米复合粒子(HTPB/Ni/μAl)的制备。以水合肼为还原剂,采用一锅法制备HTPB/Ni/μAl,并通过红外光谱(FT-IR)、X-射线衍射仪(Diffraction of X-rays,XRD)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)、X-射线光电子能谱(XPS)、热重分析仪(Thermal Gravimetric,TG)和差式扫描量热仪(Differential Scanning Calorimetry,DSC)等表征手段对其结构、形貌和热性能进行分析。结果表明,部分μAl球被还原出的Ni包覆,但并未达到完全包覆,HTPB包覆在Ni/μAl表面,整体呈现核-壳结构,HTPB和Ni的包覆有效地阻止了μAl的氧化。***/Ni/n Al纳米复合粒子的制备。采用与HTPB/Ni/μAl相同的工艺制备了HTPB/Ni/n Al复合粒子,并对其结构、形貌和热性能进行分析。结果表明,包覆没有改变复合粒子内部的晶型和骨架。HTPB/Ni/n Al和微米复合粒子一样呈现明显的核-壳结构。3.通过DSC、TG-DTA对HTPB/Ni/Al的热性能和热氧化动力学进行探究。热性能研究表明,包覆Ni能够促进铝粉的氧化放热过程,尤其是高温氧化过程。而HTPB包覆可以提高活性铝含量,使HTPB/Ni/Al中Al的氧化放热焓相比纯Al和Ni/Al均有所提高,改善了Al粉的能量释放;对高氯酸铵(AP)的热氧化催化研究表明,双包覆降低了氧化过程的表观活化能,促进了AP的分解。***/Ni/n Al的感度测试结果表明,经HTPB和Ni的有机-无机双包覆后,复合粒子的撞击感度和摩擦感度都有所降低,提高了复合粒子的安全性能。5.类比Ni包覆过程,探究了过渡金属Co对微纳米Al的包覆效果,得到了微纳米钴系列复合粒子(HTPB/Co/Al)。结果表明,HTPB/Co/Al同样可以阻止Al的氧化,降低表观活化能,提高能量释放速率,对AP有热分解催化作用。