关键词： 铝粉   聚四氟乙烯   机械力活化   烧结   改性  

摘要： 铝粉凭借其高反应热被广泛应用于含能材料配方中,但实际应用时,其点火延迟及燃烧不充分等现象导致铝粉高能优势未被充分发挥。PTFE含氟量高达75%,可以和铝粉反应生成Al F3,促进体系释能,同时改善铝粉性能。本文选择PTFE包覆铝粉,通过机械力活化-烧结法实现复合材料的制备,主要针对制备参数和复合材料改性效果及安全性能开展了研究,旨在为未来复合材料在配方中的高效应用提供依据。主要研究工作及成果如下:首先,进行Al/PTFE复合材料制备技术路线设计。通过预处理提高铝粉表面活性,进而采用机械力活化实现PTFE包覆Al,再通过烧结处理进一步提高包覆均匀度。其次,针对机械力活化过程制备参数对性能的影响开展了研究。通过设计正交试验,选择原料配比、球料比、球磨转速和持续时间四个参数,以燃烧过程最高压力作为评价指标,得到机械力活化过程的最优参数组合:Al:PTFE配比为65:35,球料比为12:1,球磨转速为250 rpm,持续时间为45 min;在未触发反应的持续时间阈值内,四个因素对性能的影响程度排序为:配比>球料比>转速>球磨持续时间。然后,针对烧结处理及其过程参数对性能的影响开展了研究。通过形貌及燃烧压力表征发现烧结处理可提高PTFE在铝粉表面的包覆均匀度,复合材料燃烧最高压力和增压率与未烧结的相比分别提高了12.5%与10%。进而对烧结处理过程中PTFE的含量以及烧结温度开展了探究,宏观燃速试验与分子动力学模拟结果表明,当PTFE含量在20%～35%,烧结温度为340℃时,烧结处理效果较好。最后,对Al/PTFE的改性效果和安全性能开展了研究。微观形貌与宏观燃烧性能测试分析发现,与简单机械混合的样品相比,机械力活化-烧结得到的样品具有更好的分散性和包覆均匀度;红外热成像及燃烧产物成分分析试验表明,形成的燃料/氧化剂复合材料接触面积增大,扩散距离缩短,燃烧反应更完全;化学安定性试验显示,与原料铝粉相比,复合材料的安全性能显著提高,为后阶段的配方应用提供了依据和安全保障。

关键词： 铝粉颜料   氧化   耐腐蚀性   光催化活性  

摘要： SiO_2包覆铝粉(Al@SiO_2)是目前应用最广的水性金属颜料,但Al@SiO_2仍为银色,且不能耐强酸强碱腐蚀.依据SnO_2的特性,SnO_2包覆铝粉(Al@SnO_2)可制得耐腐蚀性更优的水性金属颜料,且该颜料兼具光催化活性和隐身性能.本文前驱体采用无水四氯化锡/异丙醇,反应介质采用异丙醇/水,探讨了核为铝片,壳为SnO_2,桥为Al(OH)_3或Sn(OH)_2的Al@SnO_2在弱酸性条件下的制备原理.采用光学显微镜、X衍射、光催化降解效率和耐腐蚀性测试等表征手段,探讨了制备条件对Al@SnO_2水性颜料的耐腐蚀性,色相及光催化性能的影响.

关键词： 固体推进剂   共晶复合粒子   高氯酸铵   微米铝粉   猛炸药   制备工艺  

摘要： “高能”一直是固体推进剂研究的重要方向，而提高固体推进剂能量的两种有效的方法是在配方中添加高能炸药以及调节推进剂配方之间的氧平衡。本文为了改善传统含高氯酸铵固体推进剂氧化剂粒子的热分解效应以及能量性能，采用溶剂蒸发法参照零氧平衡比例分别将RDX、HMX以及CL-20与高氯酸铵和微米铝粉制备成共晶复合粒子，并用TEM、XPS、FTIR、PXRD、DSC、撞击感度测试系统以及燃烧测试系统对共晶复合粒子进行一系列表征及性能测试。　　对AP/RDX/Al复合粒子进行了TEM、XPS表征测试。TEM测试说明溶剂蒸发法成功使AP以及RDX结晶包覆在微米铝粉的表面，粒子呈核壳型圆球状。XPS测试分析表明，复合粒子的原料组分发生了变化，其中AP/RDX吸附在Al的表面，形成新的Al—N、Al—O键，产生了AP-RDX-Al三元体系。　　分别对AP/RDX/Al、AP/HMX/Al以及AP/CL-20/Al复合粒子进行了FTIR以及PXRD表征测试。FTIR测试结果表明三种复合粒子原料的特征峰均在各自红外谱图中出现，但某些特征峰出现了位移现象，这表明复合粒子中出现了氢键等新的分子间作用力。PXRD检测显示了复合后的粒子产生了新的衍射峰以及一些旧衍射峰消失，这说明AP以及高能炸药组组分的晶型发生了改变，产生了共晶，且CL-20发生了转晶现象，由ε-CL-20转变为α-CL-20。　　对三种复合粒子以及原料进行了DSC测试，结果表明AP/RDX/Al共晶复合粒子分解温度从RDX的238.7℃降低至211.5℃;AP/HMX/Al共晶复合粒子分解温度从HMX的285.0℃降低至268.3℃;AP/CL-20/Al共晶复合颗粒分解温度从CL-20的256.7℃降低至250.3℃，降低的程度随着原料炸药能量密度的提高而减少。　　使用密闭燃烧罐以及压力测试装置测试了三种共晶复合粒子的燃爆特性。三种共晶复合粒子燃爆压力较原料炸药均有提升：AP/RDX/Al共晶复合粒子从109.73kPa增加至426.45kPa，AP/RDX/Al共晶复合粒子从244.73kPa增加至489.92kPa，AP/CL-20/Al共晶复合粒子从697.97kPa增加至736.30kPa。AP/RDX/Al共晶复合粒子的升压速度达到了1.27kPa·ms-1，是原料RDX的9.1倍以及物理混合物的5.5倍。AP/HMX/Al共晶复合粒子的升压速度可以达到1.75kPa·ms-1，是原料HMX燃爆压力峰值的2.73倍以及物理混合物燃爆压力峰值的5.83倍。CL-20能量等级远大于体系中其他成分，所以AP/CL-20/Al共晶复合粒子在升压过程中会出现轻微“延迟”现象，使升压时间略微增加（57.24ms→129.02ms），因此AP/CL-20/Al共晶复合粒子的的升压速度达到了5.71kPa/ms-1，低于原料CL-20升压速度的12.19kPa/ms-1，但却是物理混合物升压速度的1.36倍。这也说明了共晶组分带来的能量上的提升有一个限度，随着高能炸药组分能量性能的降低而减弱。

关键词： 机械活化含能材料   铝粉   聚四氟乙烯(PTFE)   球磨   微观性能  

摘要： 为了研究铝粉/聚四氟乙烯机械活化含能材料的微观性能,利用自制高能球磨机制备了不同球磨时间的机械活化含能材料,利用场发射扫描电镜分析了机械活化含能材料的微观形貌及表面元素分布,利用X射线衍射仪和红外光谱仪表征了材料的物相结构和化学结构。进一步利用分子动力学手段研究了铝粉的不同晶面与聚四氟乙烯的相互作用。结果表明,在长时间的强机械能作用下,聚四氟乙烯和铝粉紧密接触在一起,形成直径为100μm左右的薄片状复合物;球磨20min以后,铝粉和聚四氟乙烯分散得较为均匀,但离完全均匀分散还有一定差距;高能球磨仅能引起铝粉/聚四氟乙烯复合材料微观物理结构的变化;分子动力学计算显示,铝粉的不同晶面与聚四氟乙烯相互作用的过程中,范德华力占主导地位。

关键词： 高活性片状铝粉   复合固体推进剂   热分解性能   爆热性能   燃烧速率  

摘要： 金属添加剂是复合固体推进剂的重要组分之一,铝粉因为密度低、热量高是目前复合固体推进剂中的主要金属添加剂。但是普通铝粉中活性铝含量较低,在提高推进剂性能方面效果不是十分明显。本文采用湿法机械球磨法制备高活性片状铝粉,将其应用于Al/AP/HTPB三组元复合固体推进剂中,主要通过TG-DSC-DTG、热分解动力学、机械感度、爆热和燃烧速率等研究高活性片状铝粉对推进剂体系的性能影响。本文的主要研究工作和取得的成果如下:首先,采用湿法机械球磨法可控的制备了高活性金属片状铝粉,通过实验得到制备高活性片状铝粉的工艺条件是:选取乙酸乙酯为溶剂,硬脂酸为助磨剂,质量占比为4%,球磨机转速为1100rpm,球料比为20:1,球磨时间4h。在此条件下得到的片状铝粉的活性铝含量为97.13%。通过SEM和XRD测试表明,球磨只改变了铝粉的形貌,并没有改变其晶型。采用激光粒度测试仪测试机械球磨前后铝粉的粒径变化,粒径d50由原来的13.9 μm下降到1.179 μm。其次,将机械球磨法制备的高活性片状铝粉应用到Al/AP/HTPB三元复合固体推进剂中,研究了 AP级配、Al粉级配对推进剂配方和固化时间的影响,结果表明随着体系中超细AP含量的增加,推进剂的表观分解热增加,而随着片状铝粉含量的增加推进剂体系的表观分解热同样增加,整个体系的粘度也上升。片状Al粉的添加对推进剂体系的固化时间没有太大影响,在相同的固化条件下,含有片状Al粉的推进剂体系的热分解趋势与含有球形Al粉的推进剂相比并没有改变,只是各阶段的分解峰温度有所增加。最后,研究片状铝粉和球形铝粉对Al/AP/HTPB复合固体推进剂热分解性能、机械感度、爆热性能和燃烧速率的影响。结果表明:将体系中的球形铝粉换成片状铝粉之后,推进剂的表观活化能由265.374 kJ · mol-1下降到142.086 kJ · mol-1,撞击感度的特性落高H50由44.66 cm下降到39.81 cm,撞击感度上升了 10.85%,摩擦感度由原来的32%上升到了 40%,上升了 8%。整个体系的平均爆热由7558.7 J · g-1上升到8436.1J · g-1提高了11.6%,燃烧速率也由原来的1.343 mm/s提高到1.61 mm/s提高了 19.8%。

关键词： 铝粉颜料   金属氧化物   Fe2O3   SnO2   耐腐蚀性   光催化活性  

摘要： 片状铝粉作为一种重要的金属颜料,因具有优异的金属光泽和和良好的随角异色效应,在汽车油漆、印刷油墨和化工涂料等领域已经得到了越来越广泛的应用,同时,低发射率的铝粉颜料也是近年来报道最多的红外隐身颜料。传统的溶剂型铝粉颜料颜色单一,已经不能满足人们日益增长的审美及健康环保的追求,水性和彩色铝粉颜料得以发展推广。制备水性铝粉颜料的关键是提高其耐腐蚀性;而铝粉颜料对可见光的高反射限制了其在可见光波段的隐身。因此,使用金属氧化物对铝粉表面进行处理提高其耐腐蚀性的同时降低其反射率,制备多波段隐身的彩色水性铝粉颜料成为研究热点。所以本课题以H2O2为锚固剂,FeCl2·4H2O和无水SnCl4为前驱体,分别制得了氧化铁包覆的水性铝粉颜料（Al@Fe2O3）和氧化锡包覆的水性铝粉颜料（Al@SnO2）。主要做了如下工作:（1）铝粉的预处理:控制系统温度45℃,在弱酸性条件下H2O2氧化铝粉表面形成氢氧化铝作为锚固点;随着包覆介质pH的升高,氢氧化铝的结构由水铝石型向勃姆石型过渡;（2）Al@Fe2O3的制备:在弱酸性条件下,以FeCl2·4H2O溶液为前驱体,异丙醇/H2O为介质,制备了Al@Fe2O3彩色水性铝粉颜料。通过X衍射、光学显微镜分析和耐腐蚀性测试等手段讨论了包覆介质的pH值和前驱体中n(Fe2+):n(Fe3+)对包覆层物相和包覆效果的影响,并探讨了Fe3+诱导Fe2+的氧化-转化机理。结果表明包覆介质的pH过高以及过量的Fe3+,有利于Fe2O3晶种自聚成Fe2O3颗粒,不利于无定型Fe2O3锚固在铝粉表面。精准地控制包覆介质的pH=4.70,n(Fe2+):n(Fe3+)=12:1,Fe3+可诱导Fe2+氧化-转化成Fe3+,有利于无定型Fe2O3锚固在铝粉表面形成致密的包覆层,所得产物Al@Fe2O3具有优异的耐腐蚀性、低光泽度、卡其色,可用做隐身颜料。（3）Al@SnO2的制备:在弱酸条件下,以SnCl4/异丙醇为前驱体,异丙醇/水为反应介质,制得了以铝片为核,SnO2为壳,Al（OH）3或Sn（OH）2为桥的Al@SnO2水性铝粉颜料。通过光学显微镜分析、耐腐蚀性测试和光催化降解测试等手段探讨了包覆介质pH以及MSnO2/SAl对Al@SnO2包覆效果以及光催化活性的影响。结果说明:包覆介质pH过高或MSnO2/SAl过大,均可导致SnO2晶种自聚成颗粒,不利于SnO2在铝粉表面的锚固,耐腐蚀性降低。较低包覆介质pH,有利于SnO2以Sn（OH）2为桥锚固在铝粉表面,耐腐蚀性较好但不利于光催化活性的提高;当MSnO2/SAl过小,SnO2包覆层不完整耐腐蚀性较差。精准地控制(MSnO2/SAl)=（0.07-0.10）g·m-2,包覆介质的pH=5.0-5.8,以Al（OH）3为桥在SnO2壳和铝片核之间形成适量的Al（III）掺杂SnO2,并锚固在铝粉表面形成均匀致密的SnO2包覆层,所得产物Al@SnO2具有优异的耐腐蚀性、低光泽度、卡其色和优异的光催化活性,可用作多波段的隐身颜料,且完成降解任务后的Al@SnO2的耐腐蚀性和色相均变化不大,可以回收进一步作为水性铝粉颜料使用。（4）玻璃粉负载SnO2光催化剂的制备:前人工作曾先在铝粉表面包覆一层SiO2,再以SiO2为桥制备了Al@SiO2@Fe2O3,但以Al（OH）3为桥的报道较少,所以在弱酸性介质中,以自制玻璃粉（Glass Powder,GP）为载体,Al（OH）3为桥,以SnCl4/异丙醇为前驱体制备合成了玻璃粉负载SnO2（GP@SnO2）,通过光催化降解测试、PL和UV-Vis等途径探讨了介质pH、n[Al（OH）3]/n（SnCl4）和m（SnO2）:m（GP）对GP@SnO2负载效果和光催化活性的影响。结果表明:n[Al（OH）3]/n（SnCl4）直接影响Al（III）掺杂SnO2的量,随着n[Al（OH）3]/n（SnCl4）的增大,SnO2壳和GP核之间形成Al（III）掺杂SnO2的量增大;当介质的pH过高,SnO2晶种的供给速率过快导致自聚成SnO2大颗粒,当m（SnO2）:m（GP）过大,锚固面太少,二者均不利于SnO2晶种锚固在玻璃粉表面。当m（SnO2）:m（GP）过低,GP表面的负载的SnO2包覆层薄且稀疏,负载效果下降。当介质pH=5.8-6.0,m（SnO2）:m（GP）=0.17时,SnO2晶种以玻璃粉表面的Al（OH）3为核结晶,并在SnO2壳和GP核之间形成适量的Al（III）掺杂SnO2,提高了SnO2表面的氧空位浓度,促进了光生电子与空穴的分离,有利于SnO2光催化活性的提高。所以本文分别以Fe2O3和SnO2为包覆层成功合成了具有优异耐腐蚀性和光学性质的多功能铝粉颜料,为今后大规模工业化生产奠定理论基础。

关键词： 3D打印   球形铝粉   离心雾化   流体动力学   模拟仿真  

摘要： 3D打印用粉末的性质对增材制造零件的性质有着重要的影响,传统气雾化技术制备的粉末粒径均匀性差、孔洞多,严重影响增材制造产品的质量。本文采用高速离心雾化方法制备3D打印用球形铝粉,研究了离心雾化工艺参数对球形铝粉特性的影响,并采用计算流体力学软件Fluent提供的VOF模型和K-ω SST湍流模型,模拟了高速离心过程中球形粉末的成形过程及雾化参数在雾化过程中的作用。论文对于高质量的3D打印用球形铝粉的生产具有主要的理论指导作用和使用价值。论文首先采用高速旋转等离子雾化设备制备球形铝粉,结果表明:随着转速的增加,粉末球形度增加,粘连程度增加,粉末粒径变小。随着气氛压力的增加,粉末的粘连程度减轻,粉末粒径先减小再增大。随着弧压的增加,粉末的球形度提高。当转速为6000 rpm、气氛压力为0.02 MPa时,可以制备出球形度高、粒径小、表面光滑、卫星球少的铝粉。粉末的金相组织主要为胞状晶,粉末表面的粗糙程度主要与表面所包含晶晶粒数量有关。论文采用计算流体力学软件模型,证明流体在高转速离心作用下的雾化过程为:熔铝流体首先在旋转盘底部分裂出不同半径的液体环,随后在离心力和摩擦力的作用液体环逐渐变形、开裂、形成液滴,并离开旋转盘,离开旋转盘的大尺寸液滴在离心力的作用下将继续变形、开裂、形成小液滴,小液滴在空间经过冷却形成了固体球形颗粒。转速的增加能提高液体的变形、开裂和形成液滴的能力,随着转速的增加,液体环半径变小。气体在旋转雾化过程中具有加速雾化力和提高液体冷却速度的双重作用,随着环境气氛压力的升高,液体环半径先减小后增大。液体流量的增加能降低液体的粘性力,液滴尺寸随着液体流量的增加而降低。

关键词： 片状铝粉   微胶囊化   二氧化硅   磷酸盐   功能化   水性涂料  

摘要： 片状铝粉因其具有金属光泽和随角异色性作为金属光泽颜料在涂料中得到了广泛的应用。由于人类社会可持续发展的需要,传统的溶剂型涂料正在快速地被水性涂料取代,水性涂料因其具有低的VOCs的排放量,得到了广泛的应用。原来与溶剂型涂料配套使用的铝颜料在水性涂料体系中与水反应生成氢气,造成铝颜料化学稳定性急剧下降,并给生产、储存过程造成安全隐患,且在应用过程中还存在与水性树脂的相容性差、光泽度下降等问题。本论文针对以上问题,设计并制备了三种具有双层结构的片状铝粉微胶囊,其内部阻水耐蚀层使其获得良好的化学稳定性并保持原有的光泽;外层亲水层使其在水性体系中具有良好的分散性。主要工作如下:1.设计了以片状铝粉为核、纳米二氧化硅为壳,壳外悬挂亲水末端有机链的微胶囊结构,实现抗蚀性和亲水性。通过调控正硅酸乙酯水解和KH550共水解的条件,一步法实现了纳米二氧化硅粒子在片状铝粉表面的组装以及末端为氨基的有机链与壳层的键合化学接枝。根据HG/T 2456.5-2016进行测试,片状铝粉微胶囊2小时内氢气释放量为23.5ml,说明其具有良好的耐腐蚀性。另将商业化的二氧化硅粒子与球形铝粉进行共球磨,制备出了以二氧化硅粒子为壳的片状铝粉微胶囊,模拟现有片状铝粉制备工艺,探索将微胶囊制备与现有工艺相结合的可行性。耐水测试结果显示,该方法制备的片状铝粉微胶囊抗蚀性有限,只能一定程度上降低腐蚀的速率。2.设计了一种以片状铝粉为核,磷酸锌铝盐为耐水钝化膜,外部螯合磷酸酯进行封孔的双层结构微胶囊。在复配的磷酸盐缓冲溶液中(pH为8温和条件下),在铝粉粒子表面制备了磷酸锌铝盐化学转移膜,然后螯合带有亲水基团的磷酸酯在其表面形成亲水壳层,从而实现片状铝粉的亲水性及耐蚀性。结果表明,这种片状铝粉微胶囊具有良好的耐蚀性,可达到2小时内无氢气析出,远高于行业标准。此外,接触角测试结果显示,片状铝粉微胶囊与水的接触角由93.45°降低为31.34°,说明亲水性已实现。3.设计了一种以片状铝粉为核,内层以磷酸锌铝盐化学转移膜、外层为季铵盐基团有机链的片状铝粉微胶囊。化学转移膜制备方法同上,季铵盐有机链的接枝通过N-三甲氧基甲硅烷基丙基-N,N,N-三甲基氯化铵和二甲基十八烷基[3-(三甲氧基硅基)丙基]氯化铵这两种季铵盐类硅烷偶联剂与已钝化的片状铝粉微胶囊上羟基间的缩合实现,从而实现片状铝粉的抗蚀性与抗菌性。根据HG/T 2456.5-2016对所制备的片状铝粉微胶囊进行耐水测试,结果显示所制备两种的片状铝粉微胶囊2小时内析氢量均为0ml,说明耐蚀性已实现。抗菌测试表明,所制备的两种抗菌型片状铝粉微胶囊对金黄色葡萄球菌均有一定的抑制作用。将所制备的磷系片状铝粉微胶囊在武汉双虎涂料有限公司进行应用研究。结果显示,添加了双层片状铝粉微胶囊的涂料的光泽度为101.2%、鲜映性为7.15、金属闪烁度为83.1、粘接强度为0级。

关键词： 环氧树脂   铝粉末   拉伸强度   紫外老化   湿热老化  

摘要： 环氧树脂具有固化收缩率小、粘结强度高及耐腐蚀等优点,广泛用于防腐结构中,但紫外光照、湿热环境中纯环氧树脂易发生黄变、发脆及龟裂等。为此,本论文在环氧树脂中添加铝粉末,研究铝粉末含量和形貌对环氧树脂复合材料拉伸强度、摩擦磨损性能、抗紫外老化及耐湿热老化性能影响。结果表明:(1)当片状铝粉末含量为3wt.%时,复合材料抗拉强度为45.0 MPa,比纯环氧树脂提高了 50.5%,平均摩擦系数为0.215,比纯环氧树脂降低了 47.2%。当球状铝粉末含量为6wt.%时,复合材料抗拉强度为64.5 MPa,比纯环氧树脂提高了 115.7%,平均摩擦系数为0.230,比纯环氧树脂降低了 43.5%。相同含量时,添加球状铝粉末的复合材料抗拉强度高于添加片状铝粉末的复合材料,而耐磨性低于添加片状铝粉末的复合材料;(2)湿热老化后,当片状铝粉末含量为3wt.%时,相比纯环氧树脂,水分子扩散系数降低了 23.0%,饱和吸水率降低了 6.23%,拉伸强度损失率降低了 91.9%。当球状铝粉末含量为6wt.%时,相比纯环氧树脂,水分子扩散系数降低了 3.14%,饱和吸水率降低了7.32%,拉伸强度损失率降低了 72.0%。相同含量时,添加片状铝粉末的复合材料耐湿热老化性能优于添加球状铝粉末的复合材料;(3)紫外老化后,相比纯环氧树脂,片状铝粉末含量为4wt.%时,复合材料黄变值降低了 91.5%,球状铝粉末含量为8wt.%时,复合材料黄变值降低了 88.7%;片状铝粉末含量为3wt.%时,复合材料拉伸强度损失率比纯环氧树脂降低了 87.3%,球状铝粉末含量为6wt.%时,复合材料拉伸强度损失率比纯环氧树脂降低了 72.7%。相同含量时,添加片状铝粉末的复合材料抗紫外老化性能优于添加球状铝粉末的复合材料。

关键词： 彩色水性铝颜料   包覆机理   氧化铁   耐腐蚀性  

摘要： 以硫酸亚铁为原料,H_2O_2作锚固剂,在pH值6.0~6.5的异丙醇/水介质中制得了卡其色水性铝颜料,探讨了包覆机理和温度对水性铝颜料性能的影响.扫描电子显微镜,光学显微镜,X衍射和红外光谱表征结果说明:H_2O_2氧化金属铝形成的水铝石可吸引带相反电荷的氧化铁晶种或颗粒,锚固在铝粉表面形成包覆层.低温时吸引无定型颗粒占主导,温度升高吸引晶种诱导形成针铁矿的几率增大,结晶度增强.性能测试结果表明包覆温度为45℃时,针铁矿和无定型氧化铁共生均匀地沉积在铝表面,形成致密的包覆层,制得了具有显著耐腐蚀性的卡其色铝颜料.