纳米铝的应用及其制备方法研究进展_张坤
纳米铝
纳米铝——纳米Al粉的制备及性能表征研究1、纳米铝的基本概念标准铝原子只覆盖了其表面积的千分之一，而纳米铝覆盖了百分之五十。
即铝原子表面覆盖了百分之五十，微粒尺寸处于纳米级的铝粉成为纳米铝。
2、纳米铝制备方法及优缺点对比1）蒸发冷凝法蒸发冷凝法是物理方法制备纳米微粒的一种典型方法。
在真空下充人纯净的惰性气体(Ar，He等)，高频感应加热使原料铝锭蒸发，产生铝蒸气，惰性气体的流动驱动蒸气向下移动，并接近冷却装置。
在蒸发过程中，铝蒸气原子与惰性气体原子碰撞失去能量而迅速冷却，这种有效的冷却过程在铝蒸气中造成很高的局域过饱和而均匀成核，在接近冷却装置的过程中，铝蒸气首先形成原子团簇，然后形成单个纳米微粒，纳米微粒随气流经分级进入收集区内而获得纳米粉末。
这种方法耗能大、成本高、粒径难以控制、产品稳定性差。
2）线爆炸法线爆炸法¨是另外一种物理法，首先将爆炸室抽至较高的真空，然后向爆炸室充人一定压力的高纯氩气。
调节高压至34kV，向储能器充电3OkV，使整个系统处于稳定状态。
通过送丝装置将直径为0．3mm的铝丝送入爆炸室，控制A1线爆炸频率为3O次/min。
通过等离子体放电使铝丝在瞬间爆炸，形成高分散的纳米铝粉，然后将纳米铝粉收集后在氮气的保护下进行原位包装。
这种方法制备纳米铝粉的粒径一般在100nm以上，很难做到粒径更小，同时这种方法的生产量很小，难以满足日益扩大的市场需求。
因此，寻求一种新型的方法制备纳米铝粉将会为太阳能电池市场、军工国防事业提供新的技术支撑。
3）机械化学法机械化学法采用氯化铝和金属锂作为反应原料，边研磨边反应制备纳米铝。
所使用的设备是惰性气体手套箱和球磨机。
研磨反应后所得产物经过有机溶剂硝基甲氯化铝溶液洗涤，能够除去大部分副产物氯化锂。
所得纳米铝的平均粒径为55nm。
由于所生成的纳米铝非常活泼，如果使用金属钠与氯化铝球磨制备纳米铝，则副产物氯化钠很难除去。
下式为机械化学法制备纳米铝的反应式：A1C13+3Li—Al+3LiC1(1) AIC13+3Na_Al+3NaC1(2) 这种机械化学法制备纳米铝优点是方法简便，操作简单。
纳米铝微粒制备的研究进展
纳米铝微粒制备的研究进展第19卷第2期化学研究Vol.19 No.2 2008年6月CHE M I CAL RESE ARCH Jun.2008纳米铝微粒制备的研究进展宋丽1,宋美荣1,2,李庆华1,张治军13(1.河南大学特种功能材料重点实验室,河南开封475004; 2.河南农业大学理学院,河南郑州450002)摘要:综述了近年来铝纳米微粒制备方法的研究进展,详细介绍了物理气相沉积法、化学法和机械法的方法原理、特点及其制备研究中存在的问题,并对其未来研究进行了展望:(1)深入地研究纳米铝微粒的结构和性质及制备机理;(2)发展和完善现有制备工艺,寻求适合工业化生产的高效、廉价制备途径;(3)纳米铝微粒的表面改性和修饰技术研究.关键词:铝纳米微粒;制备方法;研究进展中图分类号:TG146.2文献标识码:A文章编号:1008-1011(2008)02-0102-04 Research Progress i n Preparati on of Al Nanoparti clesS ONG L i1,S ONG Mei2r ong1,2,L IQ ing2hua1,Z HANG Zhi2jun13(1.Key L ab for Special Functional M aterials,Henan U niversity,Kaifeng475004,Henan,China;2.School of Science,Henan Agricultural U niversity,Zhengzhou450002,Henan,China)Abstract:This paper p r ovides a revie w of the research p r ogress in p reparing A l nanoparticles,and theoperati onal p rinci p le,characterizes traits and the p r oblem s of the methods,e.g.physical vapour depo2siti on(P VD),che m ical method and mechanical method.Itals o gives p r os pect of their research:(1)Structure,p r operty and mechanis m of A l nanoparticles will be researched deep ly;(2)I n order t o seekhigh2efficient and l ow2cost method for industry p r oducing,the p rebarati on in existence must be devel2 oped and perfected;(3)The surface modificati on of A l nanoparticle will be studied.Keywords:A l nanoparticles;p reparati on method;research p r ogress纳米铝是一种面向21世纪的新型多功能技术材料,具有许多特殊性质和广阔的应用前景,最早被应用于火箭推进剂、军工等方面,在火箭固体燃料中添加约1%的纳米铝粉,可使每克燃料的燃烧热增加一倍,在HTP B复合推进剂中,加入含20%A lex(美国ARG ON I D E公司生产)与同样含量的普通铝粉相比较,燃烧速率可以提高70%,HTP B复合固体推进剂中加入铝粉的粒径从微米级减小到纳米级时,燃速可提高30多倍,纳米铝粉应用于固体推进剂后,还有利于提高比冲和冲量[1].并且超细铝粉还具有好的抗凝聚性能和点火性能[2].此外,用纳米铝粉替代贵金属粉末制备性能优越的电子浆料,可大大降低成本和促进微电子工艺的优化.利用纳米铝粉高能量状态和较低温度下强的烧结能力,可制备性能优越的烧结添加剂,改善高导热陶瓷的烧结工艺,提高烧结体密度和导热率等[3].因此,关于纳米金属铝材料的研究受到了众多科研工作者的重视,研究领域主要涉及铝纳米微粒的制备、微观结构、宏观物性和应用四个方面,其中铝纳米微粒的制备是关键,近年来在传统制备方法的基础上进行了改进和完善.作者综述了铝纳米微粒制备方法的研究进展、收稿日期:2008-02-23.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50701016).作者简介:宋丽(1981-),女,硕士生.主要从事油溶性纳米金属微粒的制备及性能研究.第2期宋丽等:纳米铝微粒制备的研究进展103 方法特点以及在制备研究中存在的问题,为今后的研究提供了理论基础.1 制备方法1.1 物理气相沉积法(P VD )物理气相沉积法,又称蒸发2冷凝法,1963年提出采用蒸发2冷凝法制备纳米铝粒子,其原理[4]是在高真空下和低压惰性气体(A r 、He )中,通过蒸发源的加热作用,使铝块蒸发气化,然后在基片表面冷凝沉积形成薄膜,收集、粉碎得到纳米铝粉.该法的特点是设备简单,易于操作,制备的铝粉粒径分布范围窄,铝粉的径厚比大,铝片表面平整光滑,铝粉粒径易于控制,蒸发速度快,效率高,易于实现大规模、连续的生产,但容易受加热源污染.Neeleshar 等[5]采用该法制备了25nm 的高纯度铝微粒.根据原理不同,可将蒸发2冷凝法分为以下几种:1.1.1 金属丝电爆炸法图1 金属丝电爆炸法制备装置示意图Fig .1 Sche matic diagra m of electrical exp l osi on of wires 金属丝电爆炸法[6]是美国ARG ON I D E 公司的专利技术,二十年前就开始采用金属丝电爆炸法制备纳米铝粉,其工艺设备如图1所示[4],工艺原理:在电爆炸室内,金属原料丝熔断的瞬间产生强大的电弧,使金属丝气化,金属蒸汽在惰性气体(目的:防止纳米铝粉的氧化﹑潮解和自燃)的作用下形成具有一定粒度的纳米金属粉,循环风机使介质气体在整个设备内实现循环,循环的介质气体使瞬间产生的纳米金属粉迅速冷却,在微粒收集装置内沉降下来,在原料耗尽后,将收集装置内的纳米金属微粒取出,并原位包装.该法的特点:适合规模化生产,制备的纳米微粒纯度较高,有明显晶体缺陷.Park [7]等采用该法制备了粒径为80～120nm 的球形铝微粒.Gr omov [8]和A lex 2ander [9]制备了表面存在4～8n m 氧化层的纳米铝粉.1.1.2 激光2感应加热法激光2感应加热法的特点是产率高,能源利用率高,成本低,工艺参数可调,产品质量可控,适应面广.基本原理是先把原料金属用感应加热使之温度上升直至熔化或达到更高的温度,然后引入激光,使激光作用区产生强大的能量输入而在真空或低压保护性气氛条件下产生剧烈的蒸发,从而制备出纳米铝粉.华中科技大学材料学院采用激光2感应复合加热法制备金属纳米材料的设备已获得了国家专利.1.1.3 等离子体加热法等离子体加热物理气相合成法是美国NANOPHASE 公司发明的专利技术,该技术的特点是可连续生产、成本低、纳米粉体的粒径分布集中、纯度高,但产量较低.W eigle [10]等采用该法制备了铝纳米微粒.目前,使用约束弧等离子体制备金属纳米铝粉,克服了等离子体加热物理气相合成法产率低的缺点.1.1.4 其它物理气相沉积法Xu [11]等采用电子束辐射法制备了粒径为2～50nm 纳米铝微粒.Park [12]等采用直流电弧放电法来制备纳米铝粉.楚广[13]等利用高频感应加热金属,制备了平均粒径为50n m 的球形铝纳米微粒.1.2 纳米铝微粒的化学法制备1.2.1 气相化学反应法气相化学反应法制备纳米微粒是利用挥发性的金属化合物的蒸汽,通过化学反应生成所需要的化合物,在保护气环境下快速冷凝,从而制备各类物质的纳米微粒.该法具有产物纯度高、粒子分散性好、粒子均匀、粒径小、粒径分布窄、粒子比表面积大、反应性好等特点.其中,激光诱导气相化学反应法是利用大功率激光器的激光束照射反应气体,反应气体通过对入射激光光子的吸收,气体分子或原子在瞬间得到加热、活化,迅速完成反应、成核、凝聚、生长等过程制备纳米微粒.该法的特点是无污染,反应具有选择性,可制得均匀、高纯、超细、粒度分布窄的微粒,适于工业化生产,但生产成本较高.L i [14]等采用激光诱导合成技术合成的纳米铝微粒,粒径分布为10～100nm ,表面存在大约3n m 厚的无定形氧化层.Mukherjee [15]等采用该法制备了纳米铝微粒.化学研究2008年1041.2.2 固相化学反应法固相化学反应法是利用金属化合物与金属盐之间固相反应制备纳米粉末.该法的特点是设备和工艺简单,产率高、成本低,但传统的固相化学反应法制得的粒径很难小于1μm,分布不均匀、易团聚.洪伟良等[16]对传统的室温固相反应法作了进一步改进,加入分散剂解决了纳米粒子易团聚的问题.1.2.3 热分解法该法的特点是制备的纳米颗粒粒径分布范围广,适用于工业化生产.Ti m othy[17]等采用该法制备了粒径约为150n m的铝微粒.Jas on[18]等采用该法制备了粒径为20～150n m的铝微粒.1.2.4 液相化学反应法液相化学反应法的基本原理是选择一种或多种合适的可溶性金属盐类,按所制备的材料成分计量配制成溶液,使各元素呈离子或分子态,溶液中加入合适的沉淀剂,再进行蒸发、升华或水解等操作,将金属离子均匀沉淀或结晶出来,最后将产物脱水或加热分解而制备出纳米粉末.该法除具有气相法的优点外,还易于控制体系组分,特别是对多种组分体系的化合物的控制,较为优越.不足之处就是产物易形成凝聚体的假颗粒.阳极消耗法就是化学液相反应法的一种,它是由河南大学的张治军等提出的专利.宋美荣[19]采用该法制备了铝纳米颗粒,产物在油性溶液中具有较好的分散性.1.3 机械粉碎(高能球磨)法机械球磨法是将金属或其合金熔化喷雾使之成为颗粒,然后在球磨机中将颗粒金属粉末冲击研磨成微细的金属鳞片,在研磨过程中,加入表面助剂,防止金属粉团聚.该法的特点是产量高、工艺简单,能制备出常规方法难以获得的高熔点的金属或合金纳米材料,但制备的纳米颗粒的晶粒尺寸不均匀,易引入杂质.日本京都大学首次采用高能球磨法制备A12Fe纳米晶材料[20].但是,用传统的球磨法制得的纳米粒子粒径分布宽,近年来科研工作者对传统球磨法进行了改进.舒波等[21]采用湿法球磨法制备了片状铝粉,产物的松散比可达到0.25～0.29,漂浮性好.2 讨论和展望制备铝纳米微粒的方法在不断地发展,其目标是制备出粒径小、纯度高、分散性好、易于工业化生产的纳米铝粒子.但现有的制备方法还存在一些问题:(1)纳米铝粒子在空气中极易被氧化、吸湿和团聚.(2)缺乏深入研究纳米铝颗粒合成的机理过程,以及控制微粒的形状、分布和性能等技术.(3)制备工艺还不够先进,成本较高.以上所述的各种制备方法还没能真正满足工业化生产的高效、廉价、环保的要求.而且,目前的制备研究中仍有许多理论和实践问题有待解决.但是从目前各种方法的发展趋势来看,今后可能出现的新的纳米粒子制备方法将是各种方法的有机结合、且能满足工业化生产要求的方法.因此今后的研究重点是:(1)为奠定坚实理论基础,必须深入地研究纳米铝微粒的结构、性质以及制备机理;(2)发挥现有的各种制备方法的优点,将各种方法有机结合,寻求适合工业化生产的高效、廉价、环保的制备途径;(3)为了减小纳米铝微粒的氧化活性,应积极开展纳米铝微粒表面改性和修饰技术研究.参考文献:[1]Baschung B,Grune D,L icht H H,et /doc/1f14472580.html,busti on of energetic materials[M].Ne wyork:Begell House I nc,2002:206-225.[2]谢剑宏.纳米铝粉燃烧残余物的粒度分析[J].湖北航天科技,2002,5:40-43.[3]Wong E W,Sheehan P E,L ieber C M.Nanobea m mechanics:elasticity,strength,and t oughness of nanor ods and nanotubes[J].Science,1997,277:1971-1975.[4]张立德,牟季美.纳米材料和纳米结构[M].北京:科学出版社,2002:112-113.[5]Neeleshar S,Chen Y Y,W ang C R,et al.Superconductivity inalu m inu m nanoparticles[J].Physica C,2004,408-410:209- 210.[6]李颖,宋武林,谢长生,等.纳米铝粉在固体推进剂中的应用进展[J].兵工学报,2005,26(1):121-125.[7]Park J H,Lee M K,Rhee C K,et al.Contr ol of hydr olytic reacti on of alu m inu m particles for alu m inu m oxide nanofibers[J].M a2ter Sci Engin A,2004,375-377:1263-1268.[8]Gr omov A A,U lrich F B,U lrich T.A lu m inu m nanopowders p r oduced by electrical exp l osi on of wires and passivated by non2inert第2期宋丽等:纳米铝微粒制备的研究进展105coatings:Characterisati on and reactivity with air and water[J].Po w der Technoligy,2006,164:111-115.[9]A lexander G,A lexander I.Characterizati on 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2003～2006年《化学研究》的引证数据年份中国学术期刊综合引证年度报告被引频次影响因子他引率W eb下载率中国科技期刊引证报告被引频次影响因子2003850.2840.76_940.37220041630.3350.9318.71050.18720052050.4540.9117.81520.35120063030.4810.8943.31900.329《化学研究》的发展,离不开广大作者和读者的关心、帮助和支持,欢迎大家向本刊投稿,欢迎大家订阅《化学研究》.《化学研究》编辑部。
纳米铝的快速制备和性能研究
关键词：放电等离子烧结；纳米铝；显微组织；力学性能；热处理
I
北 京 理 工 大 学 硕 士学 位 论 文
Abstract
When compared with common coarse-grained Al, nanocrystalline aluminum (Al) bulk compact has several advantages, such as high strength, large micro-hardness and outstanding wear resistance, etc, due to their ultrafine and uniform crystal, high concentrations of grain -boundary, clean grain surface. However, the preparation conditions of nano -aluminum bulk compact are rigorous. Nano-sized Al powder can not be used directly in air due to its large surface area and the high tendency to react with oxygen. It is difficult to obtain nanocrystalline Al through ordinary sintering process because it will result in grain growth within several sintering hours. The nano-Al powders can not only keep the purity but also keep the high activity when coated with an organic layer, so it can be used in air directly. spark plasma sintering (SPS) fulfills rapid sintering by utilizing a pulsed direct current and Joule heat, so it enables the production of nanocrystalline Al possible by providing a lower sintering temperature, a much more rapid heating rate and shorter holding time. It is apt to obtain materials with high density, ultrafine and uniform grain and excellent mechanical pro perities. Organic-coated aluminum (Al) nano-powders were consolidated by SPS technique in present study, meanwhile, the effects of sintering temperature, heating rate, holding time on microstructure, mechanical and physical properties were investigated systematically as well. The results indicate that the sintering temperature has the greatest influence on properties of nanocrystalline Al. The density, grain size, and strain increase with an increase in temperature, however, the micro-hardness, compressive strength, and tensile stress of the bulk compact increase initially and then decrease with increasing sintering temperature. At the same time, we conclude that the porosity increase as the heating rate increases, the grain size increases with the extension of holding time. The nanocrystalline Al compact bulk with an average grain size of 80 nm , high density of 99.5% and best mechanical properties can be prepared through SPS technique with low initial pressure of 1 MPa, heating rate of 40 ℃ /min, high holding pressure of 300 MPa ,
纳米氧化铝材料及应用进展
材料导论班级学号姓名纳米Al2O3材料及应用进展xxx（xxxxxx学院 xxx班）摘要: 纳米Al2O3是新型的绿色环保材料，具有独特的表面效应、体积效应和量子尺寸效应，为了提高纳米Al2O3的性能，以纳米Al2O3为载体，对其进行掺杂改性已成为科学工作中探导的热点。
综述了近年来纳米Al2O3的制备方法，掺杂改性种类以及其在化工环保传感器、新能源以及光学机械加工等诸多领域中的应用: 随其制备和应用研究的不断深入，纳米Al2O3材料将在更多领域发挥更大的作用。
目前，解决均匀分散性能稳定等问题，仍然是纳米Al2O3研究的重点，探索纳米Al2O3复合材料是解决上述问题的重要手段。
关键词:纳米Al2O3;应用Abstract：Nano-Al2O3is a new type of green material, with unique surface effect, volume effect and quantum size effect. In order to improve the performance of nano- Al2O3, doping modification on the carrier of nano- Al2O3 has become a hot topic in related studies. The article summarizes the preparation methods and doping modification types of nano-Al2O3 as well as its application in such fields as chemical, environmental protection, sensor, new energy, optics and mechanical processing in recent years. As researches into its preparation and application go deeper, the nano- Al2O3 material will play a greater role in more fields. At present, how to achieve uniform dispersion and stable performance is still the focus of related studies. To this end, exploring into the nano- Al2O3 composites remains an important approach.Keyword：nano- Al2O3; adhibition1前言纳米Al2O3具有独特的表面效应，如量子尺寸效应和体积效应。
纳米铝粉的应用前景
中图分类号：(27"6
文献标志码：&
文章编号：#$$$8#$96（!$$%）$#8$#!#8$%
! 引言
金属燃烧剂是现代固体推进剂的重要组分之 一，金属燃烧剂可以提高推进剂的爆热和密度。同 时，燃烧生成的固体金属氧化物微粒，起着抑制振荡 燃烧作 用。 可 用 的 金 属 燃 烧 剂 有 锂、铍、硼、镁、铝 等［#］。铝粉由于密度高，耗氧量低，有高的燃烧焓， 使得固体推进剂中可以有较高的铝粉含量，对提高 比冲的作 用 相 当 显 著，再 加 上 原 材 料 丰 富，成 本 较 低，因此作为能量材料的添加剂被广泛应用在推进 剂和火炸药中。然而，普通铝粉和微米级铝粉由于 长的点火 延 迟 和 慢 的 燃 烧 动 力 限 制 了 它 目 前 的 使 用。它们在推进剂燃烧表面上凝结成大的“集块”， 延长了燃烧时间。大凝滴（典型的为%$!!$":）需 要#$!#$$:;才能烧完。同时，有可能产生燃烧不 完全、增加红外信号、喷管的两相流损失和形成羽烟 状的气 体 排 出 等 缺 陷［!］。 纳 米 科 学 的 研 究 有 望 解 决这个问题。
化学法主要通过化学反应的方式来制备纳米粉 末，根据反应环境的不同可以分为气相化学反应法、 液相化学反应法和固相化学反应法。
气相化学反应法是让一种或几种气体在一定反 应条件下（(、=、.）发生热分解或化学反应，从气相 中析出纳米粉末。它包括单一化合物的热分解和两 种以上 物 质 之 间 的 气 相 反 应（’.>）。 在 反 应 气 相 体系中加激光诱发（’.>）或直流场（=’.>）可加速 纳米粉末的形成。这些技术方法主要是生产金属化
等离 子 体 加 热 物 理 气 相 合 成 法 是 美 国 ’#’0:%#;,公司发明的专利技术，这一技术具有 连续生产、粉体粒径可控、经济的特点，生产的纳米 粉体的粒径分布集中、纯度高。其氧化物纳米粉体 的产量可达年产数百吨，金属纳米粒子的产量较低。 因而金属纳米粒子的价格远高于化合物纳米粒子的 价格，这从一个侧面反映出目前所用的金属和合金 纳米粒子制备技术的生产率较低。
纳米铝粉微胶囊的制备及表征
由于纳米铝粉粒径小， 比表面积和比表面能大， 极 Ｏ 将使纳米 易发生氧化， 形成致密而坚硬的 Ａ ｌ ２ ３ 壳层， 铝粉失去活性， 因此如何有效地保持纳米铝粉的活性， 以便在需要时释放出来成了研究的热点。将纳米铝粉 用高分子材料进行微胶囊化， 不仅可以避免纳米铝粉 与氧气发生反应而失活， 又可以在高热条件下迅速烧 蚀掉有机层而使纳米铝粉在某一瞬间释放出来， 可望 用于燃料空气炸药（ Ｆ Ａ Ｅ ） 中提高燃料能量。 制备微胶囊的方法有化学方法、 物理方法和物理 化学法等， 其中包裹聚合法以适用反应体系广， 可控制
纳米铝粉微胶囊的制备及表征
， ２ 张 凯１ ，傅 强１，范敬辉２，周德惠２
（ １ ．四川大学高分子学院，四川 成都 ６ １ ０ ０ ６ ５ ； ２ ．中国工程物理研究院结构力学研究所，四川 绵阳 ６ ２ １ ９ ０ ０ ） 摘要：以苯乙烯为聚合单体， 无水乙醇为反应介质， 在无氧、 无水的条件下进行了纳米铝粉的包裹聚合反应， 成 功地制备出了粒径为 ２μ ｍ左右， 且分布较均匀的球形纳米铝粉微胶囊， 并运用 Ｓ Ｅ Ｍ、 Ｔ Ｅ Ｍ、 Ｆ Ｔ Ｉ Ｒ 、 Ｘ Ｒ Ｄ 、 Ｘ Ｐ Ｓ 等测试 手段对纳米铝粉微胶囊进行了结构表征。 关键词：材料科学；纳米铝粉；微胶囊；制备；表征 中图分类号：Ｔ Ｊ ５ ５ ；Ｏ ６ ３ 文献标识码： Ａ
４ ～ ７ ］ 及影响 因 素 研 究 等 方 面 ［ 。Ｂ ｏ ｕ ｒ ｇ ｅ ａ ｔ Ｌ ａ ｍ ｉ 等采用 ， 然后 Ｓ ｔ ｏ ｂ ｅ ｒ 方法在醇水体系中合成出球形纳米 Ｓ ｉ Ｏ ２ 得到了 在纳米 Ｓ ｉ Ｏ ２ 表面引发苯乙烯原位分散聚合， ［ ８ ］ Ｐ Ｓ ／ Ｓ ｉ Ｏ ， 还未见用分散聚合制备纳米铝 ２ 复合粒子
图３ 纳米铝粉微胶囊的红外光谱图 Ｆ ｉ ｇ ． ３ Ｆ Ｔ Ｉ Ｒｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａｏ ｆ ｎ ａ ｎ ｏ ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｉ ｕ ｍｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ａ ｐ ｓ ｕ ｌ ｅ ｓ 图２ 纳米铝粉微胶囊的电镜照片（ ａ ） Ｓ Ｅ Ｍ， （ ｂ ） Ｔ Ｅ Ｍ Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｔ ｈ ｅ Ｓ Ｅ Ｍ（ ａ ）ａ ｎ ｄＴ Ｅ Ｍ（ ｂ ）ｏ ｆ ｎ ａ ｎ ｏ ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｉ ｕ ｍｍ ｉ ｃ ｒ ｏ ｃ ａ ｐ ｓ ｕ ｌ ｅ ｓ 图１ 纳米铝粉的电镜照片（ ａ ） Ｓ Ｅ Ｍ， （ ｂ ） Ｔ Ｅ Ｍ Ｆ ｉ ｇ ． １ Ｔ ｈ ｅＳ Ｅ Ｍ（ ａ ）ａ ｎ ｄＴ Ｅ Ｍ（ ｂ ）ｏ ｆ ｎ ａ ｎ ｏ ａ ｌ ｕ ｍ ｉ ｎ ｉ ｕ ｍｐ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ
一种纳米改性铝合金材料与其制备方法及其制造的节能环保电力金具
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010463805.5(22)申请日 2020.05.27(71)申请人 国家电网有限公司地址 100031 北京市西城区西长安街86号申请人 南瑞集团有限公司 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司(72)发明人 蔡炜 王利民 卢才璇 何卫 汤超 吴昊 詹耿 陈胜男 (74)专利代理机构 武汉开元知识产权代理有限公司 42104代理人 李满 张敏(51)Int.Cl.C22C 1/10(2006.01)C22C 21/00(2006.01)(54)发明名称一种纳米改性铝合金材料与其制备方法及其制造的节能环保电力金具(57)摘要本发明公开了一种纳米改性铝合金材料与其制备方法及其制造的节能环保电力金具，该方法包括如下步骤：1)制备硅包覆碳纳米管：将硅粉与碳纳米管混合后进行机械球磨，使硅粉与碳纳米管充分混合，构建核壳结构，得到硅包覆碳纳米管；2)制备纳米改性铝合金材料：将步骤1)所得硅包覆碳纳米管加入铝合金基体中进行半固态搅拌，使添加的硅包覆碳纳米管在铝合金基体中均匀分散，随后升温浇铸，得到纳米改性铝合金材料铸棒。
本发明制备的纳米改性铝合金材料较传统的电力金具用可锻铸铁材料具有轻质、高强、免镀锌的优势，且比常规铝合金强度更高。
权利要求书1页 说明书6页 附图1页CN 111455208 A 2020.07.28C N 111455208A1.一种纳米改性铝合金材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1)制备硅包覆碳纳米管：将硅粉与碳纳米管混合后进行机械球磨，使硅粉与碳纳米管充分混合，构建核壳结构，得到硅包覆碳纳米管；2)制备纳米改性铝合金材料：将步骤1)所得硅包覆碳纳米管加入铝合金基体中进行半固态搅拌，使添加的硅包覆碳纳米管在铝合金基体中均匀分散，随后升温浇铸，得到纳米改性铝合金材料铸棒。
纳米铝基复合材料的制备及其燃烧性能研究
纳米铝基复合材料的制备及其燃烧性能研究随着现代科技的不断发展，材料科学也得到了突飞猛进的发展。
而在材料科学中，纳米材料的应用是一个重要的研究领域。
纳米材料具有很多特殊的性质，例如高比表面积、高催化活性等。
其中，纳米铝基复合材料是一种重要的材料，因为它不仅具有良好的力学性能，还具有较高的能量密度和燃烧性能。
本文就对纳米铝基复合材料的制备及其燃烧性能进行研究。
一、纳米铝基复合材料的制备方法1、机械球磨法机械球磨法是一种常用的制备纳米铝基复合材料的方法。
这种方法利用机械能的作用，在球磨罐中进行反应，使粉末颗粒发生强烈的相互摩擦和碰撞，从而实现纳米化。
研究表明，纳米铝基复合材料的机械性能随着球磨时间的延长而得到明显提高。
2、湿化学合成法湿化学合成法是一种利用溶液中的氧化物与还原物反应制备纳米铝基复合材料的方法。
根据溶液中的反应物不同，可以制备出不同类型的复合材料。
例如，如果将氧化铝和氧化铜加入到含有铝粉的氢氧化钠溶液中进行反应，就可以得到Al2 O3-Cu的材料。
二、纳米铝基复合材料的燃烧性能1、燃烧速率燃烧速率是衡量纳米铝基复合材料燃烧性能的重要指标之一。
研究表明，纳米铝基复合材料的燃烧速率要比普通的铝粉性能更加优异，且具有较高的燃烧温度和压力。
这是因为纳米铝粉末的比表面积较大，与氧化物反应面积更广，从而使燃烧速率更快。
2、爆发性能除了燃烧速率外，纳米铝基复合材料的爆发性能也是一个重要的性能指标。
爆发性能又称为高温反应性能，是指在高温下，材料与化学燃料反应，并在短时间内释放大量的热量和气体。
研究表明，纳米铝粉末在高温下的爆发性能要比普通铝粉更加优异，这使得它在军事、火箭发动机等领域具有广泛的应用前景。
三、结论综上所述，纳米铝基复合材料由于具有良好的力学性能、高能量密度和优异的燃烧性能等特点，受到了广泛的关注。
目前，机械球磨法和湿化学合成法是制备纳米铝基复合材料的主要方法。
而燃烧速率和爆发性能是衡量其燃烧性能的重要指标。
一种AlCuNCN纳米铝热剂的制备方法及其应用[发明专利]
![一种AlCuNCN纳米铝热剂的制备方法及其应用[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/c097c8a7bdeb19e8b8f67c1cfad6195f312be832.png)
专利名称：一种Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法及其应用专利类型：发明专利
发明人：尹艳君,马自力,王宇,宫海潮,张超超
申请号：CN202210421041.2
申请日：20220421
公开号：CN114591125A
公开日：
20220607
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开一种Al/CuNCN纳米铝热剂的制备方法，包括以下步骤：(1)将纳米Al粉与CuNCN加入到有机溶剂中，超声分散得到悬浮液，控制超声分散的时间为10‑20min；(2)将步骤(1)中的混合悬浮液在室温条件下挥发后，放入真空干燥箱干燥，干燥后冷却至室温得到含能粉末；(3)步骤(2)中得到的含能粉末于不同氛围开启点火反应，记录Al/CuNCN含能材料燃烧过程，搜集反应产物，对反应产物进行检测。
发明将以CuNCN为代表的过渡金属碳化二亚胺有机物首次与纳米Al组装为铝热剂，开发了一类新型含能材料。
申请人：巢湖学院
地址：238000 安徽省巢湖市巢湖经济开发区
国籍：CN
代理机构：合肥市浩智运专利代理事务所(普通合伙)
代理人：宣美军
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纳米镁铝复合材料的制备及其力学性能研究
纳米镁铝复合材料的制备及其力学性能研究随着科技的不断发展，材料科学的研究也变得更加重要。
纳米材料的制备及其性能研究是材料科学的一个热门研究方向。
本文将从纳米镁铝复合材料的制备与性能研究两个方面入手，谈谈纳米材料在材料科学领域的应用前景。
一、纳米镁铝复合材料的制备制备纳米镁铝复合材料是一个比较困难的过程。
因为金属复合材料具有多种复杂的相互作用，这些相互作用会显著影响纳米结构的形成和稳定性。
因此，制备纳米复合材料需要综合考虑各种因素，包括金属的物理和化学特性，反应环境的温度、压力等参数。
下面将介绍一种制备纳米镁铝复合材料的方法，以便读者了解其基本过程。
首先，需要将铝和镁分别分散在无水乙醇中。
然后，通过旋转蒸发法使两种物质混合均匀，并在相同的温度和压力下反应。
在这个过程中，通过控制温度和压力，可以获得具有不同粒径和形状的纳米复合材料。
二、纳米镁铝复合材料的力学性能研究纳米复合材料相比传统材料具有很多重要的优点，如高强度、高韧性、耐磨性等。
通过纳米技术，可以改变材料的原子级结构和性质，从而显著提高材料的力学性能。
下面将介绍纳米镁铝复合材料的常见力学性能测试方法及其结果。
1. 拉伸实验拉伸实验是最常用的力学性能测试方法之一。
例如，一项针对纳米镁铝复合材料的拉伸实验表明，当添加铝纳米颗粒时，复合材料的屈服强度和最大强度都显著增加。
这意味着，在相同的条件下，纳米复合材料的抗拉性能要比传统复合材料更好。
2. 显微硬度实验显微硬度实验是一种用于测量材料硬度的方法。
通常，硬度越高，材料的强度也就越高。
一项研究显示，纳米铝粒子的添加显着提高了纳米镁铝复合材料的硬度和强度。
3. 破裂韧性实验破裂韧性实验是一种用于测量材料断裂强度的方法。
一项最新研究显示，纳米铝颗粒的添加显著提高了纳米镁铝复合材料的破裂韧性。
这表明，在相同的条件下，纳米复合材料不仅具有更高的硬度和强度，而且还具有更好的抗破裂性能。
结论：纳米材料是材料科学领域的一个热门研究方向。
铝纳米粒子
铝纳米粒子1. 引言铝纳米粒子是一种具有特殊性质和广泛应用潜力的纳米材料。
它具有小尺寸、高比表面积和独特的光学、电学、热学等性质，因此在许多领域中都具有重要的应用价值。
本文将介绍铝纳米粒子的制备方法、物理化学性质以及在能源、催化、生物医学等领域中的应用。
2. 制备方法铝纳米粒子的制备方法多种多样，常见的包括物理法、化学法和生物法。
2.1 物理法物理法制备铝纳米粒子主要包括溅射法、电弧放电法和激光烧蚀法等。
这些方法通过高温条件下对金属铝进行蒸发或烧蚀，然后使其重新凝聚形成纳米尺寸的颗粒。
2.2 化学法化学法制备铝纳米粒子主要包括溶胶-凝胶法、还原法和沉淀法等。
其中，溶胶-凝胶法是一种常用的制备方法，通过将铝盐与适当的溶剂混合形成溶胶，然后通过凝胶化和热处理得到纳米粒子。
2.3 生物法生物法制备铝纳米粒子利用了微生物、植物或其代谢产物的特殊性质。
利用某些细菌或真菌的代谢产物可以在适当条件下还原金属铝离子，从而制备出纳米级别的铝粒子。
3. 物理化学性质铝纳米粒子具有许多特殊的物理化学性质，主要包括尺寸效应、表面效应和量子效应等。
3.1 尺寸效应由于铝纳米粒子尺寸小于宏观颗粒，其比表面积大大增加。
铝纳米粒子在催化、吸附、光学等方面表现出与宏观颗粒不同的性质。
较小尺寸的铝纳米粒子在催化反应中表现出更高的活性和选择性。
3.2 表面效应铝纳米粒子具有较大的表面积，因此与周围环境之间的相互作用更强。
这种表面效应使得铝纳米粒子在催化、光学传感、生物医学等领域中具有广泛的应用潜力。
3.3 量子效应当铝纳米粒子尺寸小到一定程度时，其电子结构将发生变化，出现量子效应。
这种量子效应使得铝纳米粒子在光学、电学等方面呈现出与宏观材料不同的性质，如量子点效应和局域化表面等离子体共振。
4. 应用领域铝纳米粒子具有广泛的应用潜力，在能源、催化、生物医学等领域中都有重要的应用。
4.1 能源领域由于铝纳米粒子具有较高的比表面积和活性，它可以作为催化剂或催化剂载体在能源转换和储存中发挥重要作用。
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第27卷第3期阜阳师范学院学报(自然科学版)V o.l27,N o.3 2010年9月Journal o f Fuyang T eachers Coll ege(N a t ura l Sc i ence)Sep.2010纳米铝的应用及其制备方法研究进展张坤,崔玉民,陶栋梁(阜阳师范学院化学与化工学院,安徽阜阳236041)摘要:介绍了纳米铝的应用及其制备方法。
纳米铝主要应用于火箭推进剂、火炸药添加剂和太阳能电池板的铝背场。
制备纳米铝的方法主要有蒸发冷凝法、线爆炸法、机械化学法、脉冲激光剥蚀法、电弧放电法和溶液化学法等。
虽然纳米铝在应用方面具有很重要的价值,可是目前的制备方法成本昂贵、产量小,制约着纳米铝应用方面的发展。
因此,发展新型的低成本、产量大的纳米铝制备方法具有极其重要的意义。
关键词:纳米铝;应用;制备方法中图分类号:TQ133.1文献标识码:A文章编号:1004-1069(2010)03-0045-03Research progress of application and s ynt hesis m et hodof al u m i nu m nanoparticlesZ HANG Kun,CU I Yu-m i n,TAO Dong-liang(School of Che m istry and Che m ical Eng ineering,Fuyang T eacher s C olle ge,Fuy ang A nhu i236041,Ch i na)Abst ract:A pplica ti on and synthesism ethod o f alu m inu m nanoparti c les are i ntroduced.The appli cation of a l u m i nu m nanopar-ti c les is f o cused on rocke t prope llant,exp l osive add iti ves and alu m i nu m back fi e l d o f so lar ce ll pane ls.T he ma i n m ethods to synthe-si ze alu m i nu m nanopartic l es are evapo ra ti on condensa ti on m ethod,L i ne explosi on m ethod,M echanica l chem ica lme t hod,pulsed la-ser ablation m ethod,a rc discha rg i ng m ethod and chem icalm ethod.A lthough A l nanoparti c les are va l uab l e i n appli cation,its expen-si ve cost and li ttl e y i e l d usi ng presentm ethod has li m ited the app licati on development of A l nanoparti c les.So,it is v ery i m portant to develop ne w-sty l e lo w-cost and l arge y i e l d m et hod to synthesize A l nanoparticles.K ey w ords:A l u m i num nanoparti c l es;A pp licati on;Synthesism e t hod0引言纳米铝作为一种新型材料,主要应用领域有三个方面,包括火箭推进剂、火炸药、太阳能电池铝背场。
这三个方面对于国家的军事和经济发展具有非常重要的意义。
纳米铝的大规模制备和应用研究关系到我国国防建设的发展和高科技产品的开发。
本文综述了纳米铝的具体应用方面及其主要的制备方法。
从国内和国外的研究工作来看,纳米铝的制备研究论文非常少,所用的方法主要局限于物理法,包括蒸发冷凝法、线爆炸法、脉冲激光剥蚀法和电弧放电法,化学法主要有两种,包括机械化学法和溶液化学法。
1纳米铝的应用1.1纳米铝在火箭推进剂中的应用方面研究情况及进展铝的含量金属元素在地壳中占据了第二的位置,仅次于铁的含量。
在日常生活中,各种铝制品收稿日期:2010-07-03基金项目:安徽省科技计划项目(N o.090518026),安徽高校省级自然科学研究重点项目(K J2010A254)、阜阳师范学院自然科学项目基金(2008LQ13,2010FSK J01ZD)资助。
作者简介:张坤(1962-),男,实验师。
研究方向:应用化学。
已经被人们大量使用。
更值得注意的是,由于铝的密度高,耗氧量低,有高的燃烧焓,使得在固体推进剂中可以有较高的铝粉含量,对提高比冲的作用相当显著。
再加上原材料丰富,成本较低,因此作为能量材料的添加剂被广泛应用在火箭推进剂中。
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1%质量比的超微铝或镍颗粒,燃料的燃烧热可增加1倍[1]。
国外有研究报道,在HTPB复合推进剂中,加入20%A lex(ARGON I D E公司产品纳米铝粉),与同样含量普通铝粉相比较,燃烧速率可以提高70%[2]。
1.2纳米铝在火炸药中应用方面研究情况及进展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,已被广泛应用在水中兵器和对空武器弹药中[3]。
纳米铝与其他的金属氧化物纳米材料自组装后燃烧速度可达到1500~2300 m/s,冲击波最大可以达到3马赫。
这种纳米尺寸的/智能炸弹0可望将靶向药物输送到癌细胞,同时不损伤健康细胞[4,5]。
这种由纳米铝粉与金属氧化物配合成功的高能炸药,由于其表面积要比常规铝热剂粉末大得多,因而它能够提供相当于现有火药推进剂十倍高的燃烧速度。
1.3纳米铝在太阳能电池中的应用方面研究情况及进展随着现在太阳电池的材料以及制作水平的不断提高,太阳能电池的少子寿命也不断的增加,即少子的扩散长度不断增长,当少数载流子的扩散长度与硅片的厚度相当或超过硅片厚度时,背表面的复合速度对太阳电池特性的影响就很明显。
从现在的商业太阳电池来看,为了降低太阳电池的成本,提高效率,生产厂家也在不断地减小硅片的厚度,以降低原材料的价格。
因此,为了提高电池的效率,必须考虑降低电池背表面的复合速度,提高长波光谱响应。
所以铝背场的好坏将直接影响到太阳能电池的输出特性[6,7]。
颗粒小,铝浆与硅片接触较好,颗粒大,有的区域与硅表面间存在着较大的空隙,存在空洞,铝浆与硅片接触较差,这就使得有些区域没有形成铝背场。
所以铝浆的颗粒大小对于铝背场的形成和质量都有着很重要的关系。
铝颗粒越小,熔点越低,越易于在一定温度下和硅基材料形成硅铝复合层,越有利于铝背场的形成并改善太阳能电池的输出特性。
因此,制备纳米级的铝粉对于太阳能电池板铝背场的制作具有极其重要的意义。
2纳米铝制备方法方面研究情况及进展2.1蒸发冷凝法蒸发冷凝法[8,9]是物理方法制备纳米微粒的一种典型方法。
在真空下充入纯净的惰性气体(A r, H e等),高频感应加热使原料铝锭蒸发,产生铝蒸气,惰性气体的流动驱动蒸气向下移动,并接近冷却装置。
在蒸发过程中,铝蒸气原子与惰性气体原子碰撞失去能量而迅速冷却,这种有效的冷却过程在铝蒸气中造成很高的局域过饱和而均匀成核,在接近冷却装置的过程中,铝蒸气首先形成原子团簇,然后形成单个纳米微粒,纳米微粒随气流经分级进入收集区内而获得纳米粉末。
这种方法耗能大、成本高、粒径难以控制、产品稳定性差。
2.2线爆炸法线爆炸法[10]是另外一种物理法,首先将爆炸室抽至较高的真空,然后向爆炸室充入一定压力的高纯氩气。
调节高压至34kV,向储能器充电30 kV,使整个系统处于稳定状态。
通过送丝装置将直径为0.3mm的铝丝送入爆炸室,控制A l线爆炸频率为30次/m in。
通过等离子体放电使铝丝在瞬间爆炸,形成高分散的纳米铝粉,然后将纳米铝粉收集后在氮气的保护下进行原位包装。
这种方法制备纳米铝粉的粒径一般在100nm以上,很难做到粒径更小,同时这种方法的生产量很小,难以满足日益扩大的市场需求。
因此,寻求一种新型的方法制备纳米铝粉将会为太阳能电池市场、军工国防事业提供新的技术支撑。
2.3机械化学法[11]机械化学法采用氯化铝和金属锂作为反应原料,边研磨边反应制备纳米铝。
所使用的设备是惰性气体手套箱和球磨机。
研磨反应后所得产物经过有机溶剂硝基甲烷/氯化铝溶液洗涤,能够除去大部分副产物氯化锂。
所得纳米铝的平均粒径为55nm。
由于所生成的纳米铝非常活泼,如果使用金属钠与氯化铝球磨制备纳米铝,则副产物氯化钠很难除去。
下式为机械化学法制备纳米铝的反应式:A l C l3+3L i y A l+3L i C l(1)A l C l3+3Na y A l+3N a C l(2)这种机械化学法制备纳米铝优点是方法简便,操作简单。
缺点是虽然经过长时间研磨,也难以保46阜阳师范学院学报(自然科学版)第27卷证所有的原料都能够参与反应,因为固相研磨法毕竟接触面较小,无法与均相反应相比。
因此,如果能够寻找一种均相反应制备纳米铝的方法将会更有利于产物的纯度、粒度均匀性和规模化生产。
2.4脉冲激光剥蚀法[12]脉冲激光剥蚀法也是物理法的一种,所采用的介质是乙醇、丙酮或者乙二醇。
从把铝材浸入液体中,要经历三个步骤来制备纳米铝颗粒。
所有这些步骤都是在很短时间内完成的,通常是大约几个毫秒。
首先是激光脉冲加热靶材到沸点,这样就产生了含有等离子体靶材蒸气原子。
接着等离子体绝热膨胀,最后随着气体冷却,纳米铝子形成。
在冷却步骤,首先是成核,接着通过相互粘附或者新材料沉积在上面导致纳米粒子生长。
这种合成方法的影响因素主要有激光波长、激光能量、脉冲宽度、液体介质类型和剥蚀时间等。
这种制备纳米铝的方法成本非常昂贵,不适合大规模生产。
2.5电弧放电法[13]电弧放电法的技术是通过高密度电流脉冲产生铝棒的爆炸制备纳米铝。
直径2mm、长40mm 的两根高纯铝棒(95.50%)作为一个可移动的阳极和静止的阴极,所使用的介质有:乙二醇、去离子水、液氮、氮气、葵花籽油和自来水。
所使用的介质有助于把铝蒸气变为纳米级的固体。
通过调节电流和介质,可以控制最终产物纳米铝的化学组成、颗粒大小、晶体结构及产率。
乙二醇作为介质有利于制备高纯度、小尺寸(约26.6nm)和易分散的纳米铝。