基本介紹
- 中文名：納米鋁
- 性質：更大的化學反應性
- 套用領域：火箭推進劑、火炸藥
- 意義：國家的軍事和經濟發展
- 化學方法：機械化學法和溶液化學法
- 製備：電弧放電法
研究進展,套用領域,製備方法,
研究進展
2014年9月，美國萊斯大學納米光子學實驗室(LANP)在《國家科學院學報》網路版上，公布了一項研究成果，它是一項全新的彩色顯示技術，使用了通常套用於頂級液晶電視和顯示器的鋁納米粒子，可以顯示出生動的紅、藍、綠三色，初步解決了“烏賊皮”顯示顏色的難關。該研究成果發表
研究小組的目標就是模仿這些神奇的動物皮膚，以同樣的方式將分散式光感測和處理能力完美結合，並實現於超材料當中。為成功製造出“烏賊皮”，工程師們面臨著兩大挑戰：一是要創造出一種能像烏賊皮膚一樣感知到周圍環境光線顏色的材料，二是要設計出一種能夠對感知作出反應並顯示生動偽裝紋飾的系統。
該材料的工作原理為，材料上布滿了5平方微米大小的像素點，小於商用液晶屏像素近40倍。通過電子束沉積技術，使一個個鋁納米棒陣列排列於每個像素點中，每個像素點中包含有數百個納米鋁棒，鋁納米棒長約100納米，寬約40納米。他們通過改變納米棒的長度和間距，使像素點顯示出明亮艷麗的紅、藍、綠色調。其色彩質量遠遠高於普通的鋁納米顆粒像素，效果甚至能與高清液晶屏相媲美。
通過對納米棒進行有序排列這一關鍵手段，成功解決了現有鋁納米棒技術曾存在的色彩不夠艷麗和易褪色問題，這項技術未來有望廣泛套用於液晶顯示器領域，代替易褪色和漂白的常用顯示器著色劑。
套用領域
火箭
鋁的含量金屬元素在地殼中占據了第二的位置，僅次於鐵的含量。在日常生活中，各種鋁製品已經被人們大量使用。更值得注意的是，由於鋁的密度高，耗氧量低，有高的燃燒焓，使得在固體推進劑中可以有較高的鋁粉含量，對提高比沖的作用相當顯著。再加上原材料豐富，成本較低，因此作為能量材料的添加劑被廣泛套用在火箭推進劑中。與普通鋁粉相比，納米鋁粉具有燃燒更快、放熱量更大的特點，若在固體燃料推進劑中添加1%質量比的超微鋁或鎳顆粒，燃料的燃燒熱可增加1倍。國外有研究報導，在HTPB複合推進劑中，加入20% Alex (ARGONIDE公司產品納米鋁粉)，與同樣含量普通鋁粉相比較，燃燒速率可以提高70%。
炸藥
在炸藥中加入高熱值的金屬粉末是提高炸藥作功能力的途徑之一。含鋁炸藥作為一類高密度、高爆熱、高威力炸藥，已被廣泛套用在水中兵器和對空武器彈藥中。納米鋁與其他的金屬氧化物納米材料自組裝後燃燒速度可達到1500—2300m/s，衝擊波最大可以達到3馬赫。這種納米尺寸的“智慧型炸彈”可望將靶向藥物輸送到癌細胞，同時不損傷健康細胞。這種由納米鋁粉與金屬氧化物配合成功的高能炸藥，由於其表面積要比常規鋁熱劑粉末大得多，因而它能夠提供相當於現有火藥推進劑十倍高的燃燒速度。
電池
隨著現在太陽電池的材料以及製作水平的不斷提高，太陽能電池的少子壽命也不斷的增加，即少子的擴散長度不斷增長，當少數載流子的擴散長度與矽片的厚度相當或超過矽片厚度時，背表面的複合速度對太陽電池特性的影響就很明顯。從現在的商業太陽電池來看，為了降低太陽電池的成本，提高效率，生產廠家也在不斷地減小矽片的厚度，以降低原材料的價格。因此，為了提高電池的效率，必須考慮降低電池背表面的複合速度，提高長波光譜回響。所以鋁背場的好壞將直接影響到太陽能電池的輸出特性。顆粒小，鋁漿與矽片接觸較好，顆粒大，有的區域與矽表面問存在著較大的空隙，存在空洞，鋁漿與矽片接觸較差，這就使得有些區域沒有形成鋁背場。所以鋁漿的顆粒大小對於鋁背場的形成和質量都有著很重要的關係。鋁顆粒越小，熔點越低，越易於在一定溫度下和矽基材料形成矽鋁複合層，越有利於鋁背場的形成並改善太陽能電池的輸出特性。因此，製備納米級的要的意義。
製備方法
納米鋁的大規模製備和套用研究關係到我國國防建設的發展和高科技產品的開發。納米鋁的製備研究論文非常少，所用的方法主要局限於法和電弧放電法，化學法主要有兩種，包括機械化學法和溶液化學法。
蒸發冷凝
蒸發冷凝法是物理方法製備納米微粒的一種典型方法。在真空下充人純淨的惰性氣體(Ar，He等)，高頻感應加熱使原料鋁錠蒸發，產生鋁蒸氣，惰性氣體的流動驅動蒸氣向下移動，並接近冷卻裝置。在蒸發過程中，鋁蒸氣原子與惰性氣體原子碰撞失去能量而迅速冷卻，這種有效的冷卻過程在鋁蒸氣中造成很高的局域過飽和而均勻成核，在接近冷卻裝置的過程中，鋁蒸氣首先形成原子團簇，然後形成單個納米微粒，納米微粒隨氣流經分級進入收集區內而獲得納米粉末。這種方法耗能大、成本高、粒徑難以控制、產品穩定性差。
線爆炸法
線爆炸法¨是另外一種物理法，首先將爆炸室抽至較高的真空，然後向爆炸室充人一定壓力的高純氬氣。調節高壓至34kV，向儲能器充電3OkV，使整個系統處於穩定狀態。通過送絲裝置將直徑為0．3mm的鋁絲送入爆炸室，控制A1線爆炸頻率為3O次/min。通過電漿放電使鋁絲在瞬間爆炸，形成高分散的納米鋁粉，然後將納米鋁粉收集後在氮氣的保護下進行原位包裝。這種方法製備納米鋁粉的粒徑一般在100nm以上，很難做到粒徑更小，同時這種方法的生產量很小，難以滿足日益擴大的市場需求。因此，尋求一種新型的方法製備納米鋁粉將會為太陽能電池市場、軍工國防事業提供新的技術支撐。
機械化學
機械化學法採用氯化鋁和金屬鋰作為反應原料，邊研磨邊反應製備納米鋁。所使用的設備是惰性氣體手套箱和球磨機。研磨反應後所得產物經過有機溶劑硝基甲氯化鋁溶液洗滌，能夠除去大部分副產物氯化鋰。所得納米鋁的平均粒徑為55nm。由於所生成的納米鋁非常活潑，如果使用金屬鈉與氯化鋁球磨製備納米鋁，則副產物氯化鈉很難除去。下式為機械化學法製備納米鋁的反應式：A1C13+3Li—Al+3LiC1(1) AIC13+3Na_Al+3NaC1(2) 這種機械化學法製備納米鋁優點是方法簡便，操作簡單。缺點是雖然經過長時間研磨，也難以保所有的原料都能夠參與反應，因為固相研磨法畢竟接觸面較小，無法與均相反應相比。因此，如果能夠尋找一種均相反應製備納米鋁的方法將會更有利於產物的純度、粒度均勻性和規模化生產。
雷射剝蝕
脈衝雷射剝蝕法也是物理法的一種，所採用的介質是乙醇、丙酮或者乙二醇。從把鋁材浸人液體中，要經歷三個步驟來製備納米鋁顆粒。所有這些步驟都是在很短時間內完成的，通常是大約幾個毫秒。首先是雷射脈衝加熱靶材到沸點，這樣就產生了含有電漿靶材蒸氣原子。接著電漿絕熱膨脹，最後隨著氣體冷卻，納米鋁子形成。在冷卻步驟，首先是成核，接著通過相互粘附或者新材料沉積在上面導致納米粒子生長。這種合成方法的影響因素主要有雷射波長、雷射能量、脈衝寬度、液體介質類型和剝蝕時間等。這種製備納米鋁的方法成本非常昂貴，不適合大規模生產。
電弧放電
納米鋁粉的製備研究多年來主要採用物理法¨，是因為納米鋁粉非常活潑，不但在空氣中很容易被氧化甚至燃燒爆炸，而且在溶液中也容易氧化變成氧化鋁，因此，化學方法很難控制最終的產物納米鋁粉不被氧化。如何在原有製備納米鋁方法的基礎上能夠更好地控制納米鋁的尺寸，提高純度，降低成本將是未來急需解決的一些問題。
