《納米鋁粉非納米尺寸效應的額外儲能及其釋放機理研究》是依託華中科技大學，由宋武林擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：納米鋁粉非納米尺寸效應的額外儲能及其釋放機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：宋武林
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
納米鋁粉代替微米級鋁粉作為固體火箭推進劑中的新型金屬燃燒劑，能有效地提高推進劑的燃速、比沖，降低其特徵信號。普遍認為納米鋁粉的這種高活性、高能量主要源於納米尺寸效應，但我們的前期研究表明不同製備方法得到尺寸、粒徑分布、形貌、活性鋁含量都基本相同的納米鋁粉卻含有顯著不同的能量，即納米鋁粉也存在有受製備方法制約的非尺寸效應額外儲能。然而這些能量從何而來？以何種形式存在？有什麼影響因素？其釋放機理是怎樣的？就成了令人非常感興趣的科學問題。本申請項目旨在針對回答以上科學問題開展研究：不同製備方法所得鋁納米粒子中能量的注入形式；非納米尺寸效應額外能量在鋁納米粒子內部存儲的形式、區域、釋放機理及它們的相互關係；對製備過程中的能量注入、非納米尺寸效應的額外儲能模式進行計算機動態模擬，並通過實驗加以驗證。為高含能金屬納米鋁粉及其它儲能納米金屬粉體的製備工藝開發，及其在我國軍事、國防工業的成功套用打下基礎。
結題摘要
項目分別對用高頻感應加熱、雷射-感應複合加熱法以及外購的電爆炸法和等離子加熱法製備的四種納米鋁粉（粒徑分布、鈍化殼層厚度基本相同、平均粒徑約50nm球形），採用熱分析、高分辨電子顯微術、X射線衍射精修、正電子湮沒等分析方法進行了相關對比研究。獲得了納米鋁粉非尺寸效應額外儲能與製備方法之間的關係及其影響因素。並用基於改進分析型嵌入原子方法(MAEAM)的分子動力學模擬定量地計算了納米鋁顆粒由於非尺寸效應分別導致的額外儲能大小。 1、確立了平均粒徑及粒徑分布大致相同納米鋁粉的活性評判方法：在相同低加熱速率下，對最大氧化速率νox、氧化轉化率α和單位質量納米鋁粉放熱熱效應H/Δm*這三個熱學參數進行綜合評判。研究表明雷射法製備的活性最高、其它依次為電爆、電漿法和感應法。 2、納米鋁粉存在非尺寸因素額外儲能，部分可由加熱過程中晶體缺陷回復所釋放，如電爆法、雷射法、等離子法和感應法製備的納米鋁粉惰性環境下放熱量分別為26.27J/g、18.66J/g、13.36J/g和8.29J/g。。 3、正電子湮沒實驗結果表明，納米鋁粉內部存在的空位型缺陷濃度高於塊體鋁和微米鋁粉，而三種納米樣品界面空位團的尺寸差別不大，但其濃度卻存在較大差別，空位團濃度大小順序為Cv(電爆) ＞ Cv (雷射) ＞ Cv (等離子)。 4、X射線Rietveld法對三種納米鋁粉的微觀應變及晶格常數研究表明，電爆法缺陷引起的晶格畸變程度最大，其次是雷射感應法，電漿法晶格畸變程度最小。 5、採用基於MAEAM勢的分子動力學模擬研究了0K溫度下給定尺寸的納米鋁顆粒(粒徑為10 nm)非尺寸效應導致的額外儲能及相關參量的變化，從模擬計算的結果發現納米鋁顆粒晶格常數、晶格收縮和額外儲能隨著空位（缺陷）濃度的逐漸增加呈現線性變化關係。當鋁納米顆粒空位濃度從0%增加到3%時，模擬計算的額外儲能從4.68kJ/mol增加到7.21kJ/mol，與實驗方法測定的額外儲能大小接近。 6、納米鋁粉在製備過程中鋁原子吸收了外界注入的高能量後，易形成高濃度的缺陷，如位錯、孿晶以及體缺失等，缺陷在快速冷卻過程中被凍結在晶粒內部，缺陷引起的晶格畸變程度越高，系統的額外儲能越高。通過調整製備工藝條件，如提高電爆法中電能存儲器的電壓或增加雷射器的雷射密度等，可向金屬中注入更多的能量，從而提高納米鋁粉額外儲能水平。
